多分支水平定向孔在断层探查治理中的应用

邱万蕊

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056000）

0 引 言

水平定向技术最早应用在石油开发钻井中，随着地质导向钻井技术、旋转导向钻井技术、无线随钻测量技术的不断发展，在煤矿顶底板注浆治理得到快速应用与发展。水平定向钻井一般是先在地面施工垂直段到设计深度，然后造斜进入设计目的层位，为保障顺层钻进，着陆点井斜与地层倾角基本保持一致。通过多分支孔水平定向孔对断层进行探查治理。根据钻探施工过程中γ 录井、岩屑录井、钻时录井、钻井液消耗量情况等技术手段，准确判定断层的位置，采用压水试验、抽水试验等技术手段，进一步查明断层带水文地质条件，从而判断断层的发育规律、规模及含导水性特征，并通过高压注浆技术对断层带及两侧围岩进行注浆加固，使治理区内断层带与煤系各含水层的导水通道得到封堵治理。该技术的应用和推广，拓宽了水平定向井施工技术的发展，完善了煤矿防治水技术手段[1]。

板集煤矿F104-1 正断层位于首采面110801和接续面110504 之间，倾角55°～75°，落差0～120 m，延展长度3 800 m，断层带宽度0～10.3 m，向下切割至底板奥灰，向上发育至松散层第四含水层底界，该矿区第四含水层底界基本无隔水层。而8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采可能存在该断层受采动影响导通第四含水层和底板灰岩向工作面充水的风险[2]。利用多分支水平定向技术超前对该断层进行探查治理，保障工作面安全生产。

1 研究区概况

板集井田东自F12 断层，南、西、北均至1 煤层隐伏露头。该矿井为单一水平（-735 m 水平）上下山开拓，且以F104 断层为界划分为东部块段和西部块段。其中东部块段又以-735 m 主石门为界，-735 m 主石门以北为东一开采块段、以南为东二开采块段。每个块段分中上组煤和下组煤2 个采区开采，全井田共划分6 个采区。首采区首采工作面为东一采区110801 工作面，根据现有资料，该区暂未发现陷落柱，无封闭不良钻孔，F104-1断层及断层破碎带受采动影响导通第四含水层和底板灰岩含水层向工作面充水的风险较大，需要超前进行治理。

2 水平定向孔施工技术及注浆治理

水平定向孔施工技术是利用定向螺杆、无线随钻测斜仪（MWD）等技术按照设计轨迹或者地层倾角进行定向钻进施工，并能钻进一定水平长度孔段的定向钻井技术。现场技术人员根据伽玛录井、岩屑录井、钻时录井、钻井液消耗等技术手段，准确及时判断地层变化，定向技术人员根据判层结果及时调整钻孔轨迹，控制钻孔轨迹在目的层中钻进，最大程度提高对目的层的探查治理效果[3]。

为了解决受8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采影响，造成F104-1 断层导通第四含水层和底板灰岩含水层形成导水通道问题，利用多分支水平定向技术对F104-1 断层分进行注浆治理，在治理范围内布置2 个定向主孔，6 个分支孔，分上下两层对F104-1 断层进行探查治理，设计工程量5 267 m[4]。

2.1 层位选择

上分层钻孔D1 孔组治理层位：断层下盘为8煤层导水裂隙带上方9 煤顶板第二层砂岩底，终孔位置进入断层带。

下分层钻孔D2 孔组治理层位：断层下盘为太原组10 灰，钻孔轨迹穿过断层进入上盘太原组4灰附近（图1）。

图1 F104-1 断层探查治理剖面示意Fig.1 Exploration and control profile of No.F104-1 fault

2.2 钻孔布孔

主孔水平定向段及分支孔与F104-1 断层发育方向斜交布置，具体如下。

上分层钻孔D1 孔组主孔水平段轨迹距F104-1断层面30 m（下盘），终孔位置进入F104-1 断层带，分支孔自侧钻点近水平钻至F104-1 断层带；下分层钻孔D2 孔组主孔轨迹距F104-1 断层面50 m（下盘），终孔位置进入F104-1 断层上盘不少于30 m，分支孔自侧钻点近水平进入F104-1 断层上盘不少于30 m（图2）。

图2 工程布置示意Fig.2 Engineering layout

2.3 钻孔结构

（1）直孔段：孔径311 mm，下入不低于φ244.5mm×8.94 mmJ55 无缝钢管，下至稳定基岩，封闭第四系地层。

（2）造斜段：孔径216 mm，下入不低于φ177.8mm×8.05 mm J55 无缝钢管，封闭目的层以上地层。

（3）分支段：孔径152 mm，裸孔。

2.4 钻孔轨迹

（1）孔眼全角变化率应尽可能小，使孔眼平滑，避免狗腿度太大形成键槽。钻孔及分支水平孔全角变化率控制在8°/30 m 左右，不宜大于11°/30 m。

（2）钻孔实际轨迹与设计轨迹平面误差应小于5 m，关键点误差小于2 m[5]。

2.5 施工顺序

多分支水平定向孔施工时，钻孔顺序采取由远及近原则依次施工。

2.6 钻孔施工流程

（1）直井段。钻至预定层位后下入一开套管。采用P.O42.5 水泥固井，水泥浆返出孔口，水泥候凝48 h 进行打压试验，检查合格后进入下一步工序。

（2）造斜段段。采用钻头加螺杆钻具配合MWD 无线随钻测斜系统定向钻井，钻进至预定层位后，下入二开套管，采用P.O42.5 水泥固井。水泥浆返出孔口，水泥候凝72 h 进行打压试验，试验合格后进入下一步工序。

（3）主孔水平定向段及各分支孔。孔径均为152.4 mm，采用钻头加螺杆钻具配合MWD 无线随钻测斜系统定向钻井直至终孔位置。

（4）注浆前进行洗孔，目的是将孔壁上的泥皮通过循环泥浆脱落，达到冲洗孔内裂隙的目的。

（5）注浆前压水试验，主要目的是疏通注浆管路及孔内岩石裂隙，测定单位受注层透水率。

（6）注浆，根据压水试验结果，确定浆液的初始配比、密度等。在注浆过程中及时根据实际情况及时调整浆液配比。

2.7 注浆治理

注浆治理伴随着水平定向孔施工的全过程，上分层治理钻孔孔口注浆压力不低于6.5 MPa，下分层治理钻孔孔口注浆压力不低于12.5 MPa[6]，注浆材料为不低于32.5 号水泥浆液。钻探施工过程中一旦钻井液漏失量大于3 m3/h 立即进行注浆作业，若漏失量小于3 m3/h，只进行一次终孔注浆。终孔注浆前进行压水试验，根据压水试验数据确定注浆参数[7]。终止注浆标准以孔口压力达到设计压力，且稳定30 min 吸浆量小于30 L/min，达到断层治理的目的。

3 施工难点

（1）第四系地层结构松散，主要岩性为中粗砂、粉细砂为主，夹杂粘土、砂岩粘土，属河流相及河漫滩相沉积。D1 主孔自第四系第三隔水层400 m 开始造斜，需井斜85°左右进入9 煤顶板砂岩。因第四系地层松散，造斜曲率不易过大，故采用比重1.04～1.01 g/cm3钻井液保护孔壁，防止孔壁坍塌；采取低档、低泥浆泵排量、轻压、造斜曲率选取3°～6°/30 m[8]，采取多手段保障造斜段按设计井斜进入目的层。

（2）地层结构复杂易造成孔内事故。此次探查治理对象为可能“活化”的断层破碎带，各分支孔均需要揭露该断层，钻进过程中岩石破碎、钻井液异常漏失、高水压等因素将加大水平定向孔施工难度，极易造成卡钻、埋钻和定向仪器损坏等事故[9]。

（3）地层起伏较大，跟层钻进困难，需要现场地质员及时根据岩屑和随钻伽玛进行判层，定向人员根据鉴定结果及时利用MWD 无线随钻测斜仪和螺杆定向钻具进行钻孔轨迹调整，保证钻孔轨迹在目的层中钻进。

（4）断层空间位置的不可确定性，F104-1 断层空间位置出现摆动，D1、D2 主孔水平定向段预计断层位置未见该断层，初步分析为F104-1 断层向西北偏移[10]。

4 结 论

（1）多分支水平段钻孔在煤矿断层地面治理工程中取得了显著的效果，实现了1 个孔组分序次分段加固治理断层的目的。

（2）多分支水平段钻孔为煤矿工作面回采过断层带提供了一种有效的地面预治理技术手段。

（3）引用石油钻井技术解决了煤田地面钻探工程项目当中存在的难题，定向水平孔钻孔轨迹精度需要深入研究，提高轨迹精度是提高治理效果的一项重要研究课题。