煤矿底板注浆多分支水平井卡钻事故处理

曹 伟

(1.河南豫中地质勘察工程公司，郑州 450016; 2.河南省能源钻井工程技术研究中心，郑州 450016)

0 引言

底板注浆加固技术在我国的应用起始于20世纪50年代注浆封堵井壁淋水技术，60年代开始应用于治理矿井底板水害(主要用于注浆堵水和帷幕截流)[1-2]，80、90年代随着注浆设备和工艺的改进，注浆加固技术发展迅速，先后在山东、山西、河南、安徽等地广泛应用。

针对底板注浆施工技术，国内做了大量的研究工作，前期主要集中在垂直钻孔注浆技术研究；随后，地面/井下定向钻井技术在底板注浆方面得到广泛使用；近年来，随着钻探工艺的进步，水平多分支井因其大幅度增加了注浆段在含水层中的影响范围，并以其对环境破坏小等优点而备受青睐[3-5]。然而，由于地质条件及工程施工的不确定性，施工煤矿底板注浆多分支水平井时会造成许多井下复杂情况及事故，卡钻事故是其常见的井下事故之一，且处理工艺复杂繁琐[6-10]。

本文以淮北煤田某煤矿地面多分支水平注浆井卡钻事故为例，对采用侧钻开窗技术处理事故的方法进行了探讨。该井因主孔二开套管未下到位，在进行第3分支施工时，出现井壁坍塌引起的卡钻事故，在采用常规技术解卡无效的情况下，借鉴“油田老井侧钻开窗技术”，在主孔二开套管底部利用侧钻开窗技术磨出窗口，并以此作为三开水平段起始点进行定向施工，不仅圆满完成了设计任务及工作量，而且解决了卡钻事故，避免了后期施工分支井及注浆时工程扰动带来的井壁二次坍塌风险，降低了事故处理成本。该技术的成功实施既是对解决煤矿底板注浆多分支水平井卡钻事故新方法的探索，又极大程度降低了后期施工风险，节约了成本，对该区及国内其他地区多分支水平井卡钻事故的处理具有一定的借鉴和指导意义。

1 工程概况

该煤矿位于淮北煤田南部，发育有奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系，主要含煤地层为二叠系。煤层底板之下发育有数层太原组薄层灰岩含水层，其下有巨厚的奥陶系或寒武系岩溶强含水层直接或间接补给水源，致使该区煤炭开采时疏水降压困难。从矿山安全生产角度考虑，需对太原组灰岩进行注浆加固改造，封堵导水通道，将含水层转化为弱含水层或隔水层，增加有效隔水层厚度，提高底板岩层的阻水能力。

1.1 井身结构设计

根据矿区地质、水文、构造情况，为尽可能多的穿过裂隙，对底板灰岩全覆盖加固，本井从地面设计了8个分支井，每个分支钻孔在工作面中间间隔为45～55m。钻孔采用三开、两级套管井身结构，井身结构如图1所示。

图1 井身结构示意Figure 1 Well configuration diagrammatic sketch

1.2 施工过程

该井主孔自2019年5月20日开钻，一开采用φ311.1mm钻头钻至井深305.00m完钻，下入φ244.5mm套管，套管下深304.50m，固井水泥浆返至地面；5月29日二开开钻，采用φ215.9mm钻头定向钻至井深748.28m着陆完钻，二开进尺443.28m，下入φ177.8mm套管，套管下深704.48m，固井水泥浆返至地面。二开套管未完全下入着陆点井底，对后期施工造成了潜在风险。随后，正常完成了主孔及第1、2分支的钻探及注浆工作。

7月28日施工第3分支，下钻透水泥塞，在井深675.00m遇阻，钻进至707.00m时出现扒车现象，循环出大颗粒岩屑，无水泥，7月29日，钻进至井深710.00m时，突然憋泵(泵压10MPa)、转盘倒转，上提遇卡(此时上下活动间隙2～3m，上提至井深708.50m)。

出现卡钻后，采用常规处理方法多次上提、下放钻具无效，经研究后，决定起出钻具，采用转盘反转倒扣的方法，返出钻杆588.94m，井内剩余钻具长度118.01m，剩余12根(包括一根加重钻杆和钻头)；随后，利用反扣钻具进行处理，下两次反扣钻具处理无效；最后，采用钻杆内爆破的方法，成功将钻具爆破，爆破处井深690.00m。经处理，一共起出钻具694.00m，孔内剩余1根φ89mm加重钻杆、半根φ89mm钻杆和钻头。

2 事故分析及处理

2.1 事故分析

根据上述情况，初步判断应是主孔二开φ177.8mm套管未下至井底，“口袋”过长，固井时出现“窜槽”现象，在钻进第3分支时，因前期钻探、注浆的工程扰动等原因，致使主孔二开底部井壁坍塌。

如采用常规方法对井孔进行回填后重新钻孔，后期还要完成5个分支的钻探及注浆工作，工程量大、工期长，在后期施工时极易出现地层坍塌，再次导致卡钻、埋钻等事故，甚至井孔报废，造成严重的经济损失等。

2.2 处理方法

经过充分研究，决定借鉴油田开发老井资源常用的套管开窗侧钻工艺技术，采用斜向器开窗侧钻方式，在主孔二开套管底部进行侧钻开窗。

1)确定开窗点。根据对本次事故的分析，结合测井数据，选择二开底部套管固井质量较好的井段，避开套管接箍，最终选择井深639.00m作为开窗点。

2)选择斜向器。套管开窗侧钻常用的斜向器分为地锚式、液压卡瓦式和机械一体式三种，根据本次井身结构及后期施工要求，选择地锚式斜向器。

3)套管开窗。开窗是侧钻工艺的重点工序，本次施工方法为，配合钻杆下入地锚式斜向器，将斜向器送至开窗深度(639.00m)固定，陀螺仪校准定方位，然后使用铣锥沿斜向器斜面一侧磨铣套管，磨出一定形状的窗口，窗口侧钻从井深639.00m开始至641.20m结束。

4)定向钻井。开窗侧钻完成后，起下钻换定向钻具开始定向钻进，钻至设计井深后完钻。

3 结论

目前该井已完成了8个分支的施工及注浆工作，圆满完成了设计工作量，充分验证了侧钻开窗技术在此类事故处理中的可行性。通过对工程施工过程的分析，本次事故的原因主要为二开套管未下到位，固井质量差引起的地层坍塌卡钻事故。

开窗侧钻技术以往多用于油田对老井或报废井进行二次或三次开采，本次将该技术引进至水平多分支井事故处理中，是该区首次尝试利用该工艺进行卡钻事故处理，且取得了成功，有效保证了后期施工，从经济、安全、技术等角度考虑均具有较高的意义。