赵固一矿煤层底板灰岩加固多分支水平注浆井轨迹精准控制技术实践

刘修刚，李俊峰，张 强，张 晶

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048204）

多分支水平注浆井钻进技术是煤矿地面区域水害治理工程常用关键技术[1-3]，首先通过相关技术精准控制各分支孔轨迹按设计要求在目标层内钻进，待钻进至下步注浆要求工况，然后对定向水平分支孔揭露的目标治理层段进行注浆加固[4-6]。因此，实施煤矿地面区域水害治理工程关键在于如何精准控制各分支孔位于目标治理层内按设计钻进。以赵固一矿15011 煤层工作面的底板L8灰岩加固多分支水平注浆井钻进工程为对象，主要从以下2 方面深入研究：①从进行导眼探孔钻进获取治理目标灰岩层埋深、伽马值等相关地质参数及构造信息，然后进行精确设计及控制煤层底板目标灰岩层多分支水平注浆井主孔进入治理灰岩层着陆点，以此实施精准控制注浆井轨迹；②优化常规多分支水平注浆井钻具组合，采用双扶稳斜钻具组合降低定向及复合钻进过程井斜和方位漂移量，以此精准控制注浆井各分支孔轨迹位于目标灰岩层稳定钻进，也可减少分支轨迹定向调整频次和定向段的长度。研究结果对于赵固一矿地面区域水害治理多分支水平注浆井实施精准轨迹控制具有一定借鉴意义。

1 工程概况

1）地质水文特征。赵固一矿西五盘区15011 工作面对应地面位置为辉县市赵流村东部，工作面上覆巨厚冲积层，属新近系、第四系全掩盖区。本区赋存地层主要有奥陶系中统马家沟组、石炭系中统本溪组和上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、新近系、第四系，其中石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主要含煤地层。经前期缺失地震勘探资料显示工作面水文地质条件较复杂，主要充水含水层为L8灰岩含水层，水压4.4～5.0 MPa，突水系数0.15～0.18 MPa/m，受断裂构造影响，水平及垂向补给充分，存在突水危险性，以及工作面区域存在较大F15断层。

2）井位部署。鉴于工作面水文地质条件较为复杂，遂采用地面区域多分支水平注浆井钻进与注浆加固技术治理L8灰岩，地震资料反映二1 煤层底板L8灰岩含水层的富水状况及构造发育情况，在治理区域地面部署1 个主孔及8 分支孔的水平井，施工长距离定向钻孔对L8灰岩含水层进行超前探查及注浆加固，通过钻孔注浆充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，减弱含水层的富水性及切断水源补给通道，使治理的含水层变为隔水层或弱含水层，以此增强二1 煤层底板隔水层的强度，降低水害威胁程度，保障煤矿安全高效开采。

3）井身结构设计。多分支水平注浆井采用三开井身结构设计[1]，因主孔地面井口位置距离赵流河村饮用水源直线距离为145 m，为防止钻井对水源造成污染，一开采用φ311.2 mm 钻头钻进至井深240 m，下入N80 钢级φ244.5 mm 表层套管，封固上部松软易漏地层、隔离地下饮用浅水层，采用高标号42.5硅酸盐水泥，固井纯水泥浆密度1.6～1.65 g/cm3，水泥浆返至地面；二开采用φ215.9 mm 钻头定向钻进至见L8灰岩，井深至898 m，下入J55 钢级φ177.8 mm 无接箍技术套管，封固上部煤层、漏层及F15断层等段，采用高标号32.5 硅酸盐水泥，固井纯水泥浆密度1.65～1.7 g/cm3，水泥浆返至地面；三开采用φ152.4 mm 钻头沿L8灰岩按照预先部署的水平分支孔设计进行定向钻进，时至单个分支孔全段钻进与注浆结束再进行该分支孔全裸眼段纯水泥封孔。

2 导眼探孔钻进

2.1 导眼探孔钻进原因

现存赵固一矿15011 工作面区域三维缺失地震资料难以获取煤层及底板L8治理灰岩层埋深、层厚、伽马值以及其它相关精确地质信息，并且L8灰岩层小范围内有起伏，对于L8灰岩层埋深造成较大不确定性；且上述复杂的煤矿区地质水文条件、及部分缺失的三维地震资料，为煤层底板多分支水平注浆井主孔着陆点设计及控制造成一定难度。赵固一矿15011 工作面区域现存三维地震资料难以解释断距小于5 m 的断层，因此对于实际L8灰岩地层信息情况难以把握，从而可能致使设计L8灰岩着陆点与实钻着陆点存在一定差距；煤层底板多分支水平注浆井技术对于进入L8灰岩着陆点要求较高，针对于多分支水平注浆井各孔而言，需要严格控制分支注浆孔位于L8灰岩层内钻进，否则后续注浆工程难以满足注加固浆液进入治理灰岩层内，L8灰岩着陆点的精确设计与控制对于分支水平注浆孔段钻进具有重要意义，着陆点设计适宜能够减少分支注浆孔段定向钻进轨迹调整，确保轨迹光滑，减少随着分支注浆孔深度增加所造成的严重托压现象[7-9]，以及降低后期注浆过程浆液流经分支孔的沿程阻力损失。

2.2 导眼探孔实钻

基于上述导眼探孔钻取多原因分析，为确保多分支注浆井主孔按设计要求精准着陆于L8灰岩治理层，以及精准控制各分支注浆孔位于L8灰岩层内钻进轨迹，设计及实钻1 个从正常一开固井结束后钻取导眼探孔。实钻导眼探孔过程如下；导眼探孔钻进至井深681 m 时，钻速开始变快，返出岩屑的岩性为灰黑色，灰岩颗粒逐渐变成土黄色泥糊状断层泥，继续钻进至824 m 井深时，钻速开始变慢，返出岩屑岩性由土黄色泥糊状断层泥变成泥岩，推断井深681～824 m 为断层影响带，宽度约为143 m。继续钻进穿过断层，位于断层上盘井深880～891 m 见煤，煤层垂深约为504.97～509.79 m，煤层厚约为4.82 m，因该治理区域内基岩以下所见第1 层煤即为二1 煤，同时钻进所见该煤层垂深与二1 煤层三维地震资料极为相近，故而可准确推断该煤层为二1 煤层，继续导眼探孔钻进至井深956～972 m 见深灰色灰岩，垂深538.62～545.42 m，岩层厚度6.8 m，上返岩屑滴盐酸有强烈气泡产生，灰岩顶相距二1 煤层底约为28.83 m，可精准确定该灰岩层为L8灰岩目标治理层，导眼探孔于井深980 m 钻穿L8灰岩层，然后实施导眼探孔回填，采用高标号42.5 硅酸盐水泥，水泥浆密度1.6～1.7 g/cm3，斜导眼井回填至井斜角约为25°井段，由于伴随井斜角增大，定向及复合钻进方位角越稳定，尤其井斜角达25°以上[10]，方位漂移量更小，更加有利于后续实施二开煤层底板灰岩多分支水平注浆井主孔增斜侧钻。

基于导眼探孔钻进准确可得出：F15断层地质构造信息，二1 煤层垂深及厚度，治理层L8灰岩垂深、厚度以及相距二1 煤层底距离，L8灰岩紧邻上下部层岩性及地质参数信息等。基于导眼探孔所得L8灰岩及紧邻层位的厚度、ROD 及伽马值，为设计合理L8灰岩着陆点提供依据、为精准控制L8灰岩实钻着陆点及各注浆分支孔位于伽马值为10-20API 的L8灰岩层位内平滑钻进提供参考保障。

目标治理灰岩层及紧邻其上下层位地质参数信息如下：

1）砂质泥岩。层位紧邻治理灰岩上层，为灰黑色、泥质结构，含粉砂、黄铁矿散晶；层位厚度3 m，ROD 值91.5%，伽马值45～50 API。

2）L8灰岩。层位为目标治理灰岩层，为黑灰色或灰色、泥晶结构，主要矿物成分方解石，含少量蜓类动物化石、存有夹泥岩薄层、黄铁矿结核富集层、燧石条带；层位厚度6.8 m，ROD 值85%，伽马值10～20 API。

3）泥岩。层位紧邻治理灰岩上层，为灰黑色或灰色、泥质结构，含零星白云母碎片、植物根茎叶部分化石、黄铁矿散晶；层位厚度1.5 m，ROD 值68%，伽马值51～56 API。

3 优化钻具组合

3.1 优化钻具组合原因

地面多分支水平注浆井各分支孔轨迹均沿15011 工作面方向设计布孔钻进，因所治理的L8灰岩层垂深较浅、各水平分支孔段长度较大，实钻过程井底钻具组合与井壁摩擦较大，致使托压现象较为严重，难以将钻压传递于钻头，位于L8灰岩层内定向钻进速慢（约1～2 m/h）、以及复合钻进时产生严重井斜上漂、方位左漂情况，因此现场需要通过增加定向频次和定向井段长度，以此控制保障各分支注浆孔位于L8灰岩层内钻进，基于上述原因致使钻进成本较高、钻进效率较低。

3.2 优化钻具组合及效果

赵固一矿地面区域水害治理现场，为防止多分支水平注浆井钻进过程发生井下卡钻等复杂事故，目前针对于各分支注浆孔水平段钻进采用“φ152 mmPDC+φ120 mm 单弯螺杆+φ120 mm 无磁钻铤+MWD 定向仪器+φ89 mm 普通钻杆串+φ89 mm 加重钻杆串+φ120 mm 钻铤串”的钻具组合，该钻具组合较为简单，但是利用该钻具组合实施钻进易于造成：随着水平分支注浆孔段延伸，钻进难度逐渐增加，钻进效率降低，位于注浆井的各分支，尤其以最外侧两个水平分支注浆孔需经多次调整井斜和方位，定向钻进极为困难，因此需要可能尽量降低复合钻进时井斜和方位漂移量，以此降低定向钻进次数和定向段长度，提高钻进效率。

为此通过优化采用双扶稳斜钻具组合以降低复合钻进过程井斜与方位漂移量，精准控制分支水平注浆孔位于L8灰岩层内钻进，保障井眼轨迹光滑稳定于治理灰岩层穿越，转换井下钻具与井壁之间滑动摩擦为滚动摩擦，以此降低托压现象，提高钻进效率。利用自带欠尺寸对称扶正器螺杆替换光单弯螺杆，以及在螺杆与无磁钻铤之间加1 个或多个欠尺寸（φ146 mm）球形扶正器（凸起部位自带滚珠球形扶正器），优化后双扶稳斜钻具组合为：φ152 mm－PDC+φ120 mm 螺杆（自带欠尺寸扶正器）+欠尺寸扶正器+φ120mm 无磁钻铤+MWD 定向仪器+φ89 mm普通钻杆串+φ89 mm 加重钻杆串+φ120 mm 钻铤串，形成双扶稳斜钻具组合，可高效降低分支水平注浆孔复合钻进期间井斜和方位漂移量。实例如15011 工作面多分支水平注浆井实钻过程，分支1孔未使用双扶稳斜钻具组合，复合钻进时井斜漂移为1.56°/30 m、方位漂移为0.94°/30 m，平均日进尺40 m；分支2 与分支4 孔均采用双扶稳斜钻具组合，复合钻进时井斜漂移为0.94°/30 m、方位漂移为0.63°/30 m，利用定向钻进调整轨迹频次明显降低、定向钻进段长度大幅度减小，平均日进尺65 m，

钻具组合优化前后漂移量与日进尺对比如下：

1）常规钻具组合。井斜漂移量1.56°/30 m，方位漂移量0.94°/30 m，平均日进尺40 m。

2）双扶稳斜钻具组合。井斜漂移量0.94°/30 m，较常规钻具组合降低；方位漂移量0.63°/30 m，较常规钻具组合降低；平均日进尺65 m，较常规钻具组合提高。

4 结 语

精准设计及控制井眼主孔在治理层的着陆点、保障各水平分支注浆孔轨迹位于治理层内平滑钻进以及降低井斜、方位漂移量是多分支水平注浆井钻进关键及保障后续注浆加固效果前提。通过设计钻取导眼探孔精准获得了煤层、治理L8灰岩及紧邻上下岩层的伽马、层厚及埋深等地质构造信息，为注浆井主孔在L8灰岩层精准着陆的设计与控制提供依据；通过优化常规多分支水平注浆井钻具组合，优选欠尺寸对称扶正器螺杆、欠尺寸（φ146 mm）凸起部位自带滚珠的球形扶正器构成双扶稳斜钻具组合大幅度降低了定向及复合钻进过程井斜和方位漂移量，明显减少了分支孔轨迹定向调整频次和定向段的长度，实现了精准控制多分水平注浆井轨迹位于L8灰岩层稳定光滑钻进，减缓了长水平分支注浆孔钻进过程造成的托压现象，提高了L8灰岩层内日钻进尺率，为赵固一矿区域后续实施地面注浆加固多分支水平注浆井精准控制轨迹提供了一定借鉴意义。