-
0 引言
-
中国煤炭资源丰富，产量位居世界前列，由于煤田水文地质情况复杂，主要煤炭开发面临水害风险。随着煤炭资源的持续开采，开采深度不断增大，基本都达到了 800～1000 m，进入深部开采时期。矿井水文地质条件越来越复杂，水害问题越来越严重，除了浅部和上组煤采空区积水及闭坑矿山老空水的突水威胁，另一个严重的突水威胁来自煤层底板高承压奥灰岩溶水，故煤矿水害问题已成为制约煤矿安全生产的重大隐患（孙文洁等，2015；张耀辉和张海波， 2016）。张集煤矿（东经116°27'05″~116°35'38″，北纬 32°43'47″~32°49'26″）位于安徽省淮南市凤台县城西北约 20 km 处，是淮南矿业集团主力矿井之一，截至 2015年底，矿井剩余储量17.5亿 t，可采储量8.3亿 t。
-
近年来，随着国家对采矿安全的愈发重视，各大企业在煤矿水害区域治理方面，取得了显著效果，采用地面施工钻孔的方式对地下采矿区含水层实施注浆改造成为采矿区水患超前治理的重要方式（刘再斌，2018；王永全，2018；翟丽娟，2018；陈顶峰，2020； 董书宁等，2020）。淮南矿业集团高度重视煤矿安全开采，为确保张集矿A组煤安全、连续开采，实施张集矿东-1 煤上采区西翼地面区域治理工程，探查并治理垂向导水构造，消除水患威胁。结合淮南张集矿东-1 煤上采区西翼地质条件、注浆井施工工艺等特点，研究注浆井钻井施工技术，总结适用于多分支水平注浆井用钻井装备、关键技术及工艺、复杂工况处理技术措施等，对煤矿水害防治工作具有重要意义。
-
1 区域地质概况
-
本采区工作面含水层系统主要由新生界松散层含水层、二叠系砂岩裂缝含水层、石炭及奥陶系灰岩岩溶裂缝含水层系统4部分所构成。采区内为开采1 煤时以底板灰岩溶裂隙进水为主的充水矿床，水文地质条件复杂。东-1煤层的上采区西侧基岩石上大面积遍布着“红层”，该层富水性极弱，“红层”和上段中隔水层一起形成的综合隔水地层结构，能有效地阻滞新生界上覆含水层结构和煤系岩石地层结构之间的水力联系，正常情况下不会对矿山开发造成充水危险。因此，本采区主要充水因素为二叠系砂岩裂隙水、石灰岩岩溶裂隙水等。
-
2 工程概况
-
该工程Ⅰ期共设计3个孔组，分别为E1孔组、E2 孔组、E3孔组，设计3个主孔、30个近水平分支孔，设计的钻探工程量 23031.49 m，预计注浆量 80000~100000 m³，水泥用量 40000~50000 t。依据施工顺序依次施工E1孔组、E2孔组、E3孔组。
-
3 钻井技术实施
-
3.1 井身结构优化设计
-
3.1.1 井身结构设计原则
-
井身结构设计原则为（樊好福等，2019；刘伟等， 2019；万夫磊，2019）：首先符合行业规范与标准；其次有利于减少井下复杂事故，保证钻井施工安全，满足多分支钻井施工及后期注浆作业的要求；最后需要降低成本，提高效益。
-
3.1.2 套管层次
-
套管必封点的选择必须分析总结地层复杂情况，如地层复杂能够通过优化钻井液、堵漏、精细控压等工艺在可接受的周期、费用下解决，则可不下套管封隔，反之则需要下套管进行封隔。
-
（1）表层套管。本井表层套管下深 400 m，主要封隔第四系松散沉积物，由土黄色、灰白色砂层、砂质黏土和砂砾组成。
-
（2）技术套管。注浆井工区技术套管主要用于封隔上部易漏、易塌地层，为目的层多分支、长水平段安全钻井创造条件。
-
3.1.3 井身结构设计
-
为保证安全钻进，同时满足钻井和注浆工艺要求，主孔优化设计为三开井身结构（刘文武等，2019a； 刘修刚等，2021b），如图1所示：
-
（1）一开直井段：0~400 m，Ø311.2 mm 钻头穿过稳定基岩层不小于 10 m，下入 Ø244.5 mm×8.94 mm 套管，固井。
-
（2）二开造斜段：400~1039.52 m，Ø215.9 mm 钻头，采取定向钻井，钻至 C3 9 灰，下入 Ø177.8 mm×8.05 mm套管，固井。
-
（3）三开近水平段：1039.52 m~终孔，Ø152.4 mm 钻头，裸眼，在目的层或距 1煤底板约 90 m水平钻进至目标靶点终孔。
-
图1 井身结构示意图
-
3.2 钻探设备选择
-
综合考虑矿区煤层埋深、钻井工艺、注浆要求等因素，地面多分支水平注浆井完钻深度大多2000m左右（杨哲，2020），同时考虑钻遇复杂情况的处理能力，本工区用于多分支水平注浆井施工的钻机采用具有 4000 m 钻进能力的 ZJ40DBZ 永磁直驱电动钻机及其配套设备，主要设备详见表1。
-
3.3 钻具组合优选及钻进参数
-
一开：Ø311.2 mm 牙轮钻头+Ø203 mm 钻铤+Ø 177.8 mm钻铤+Ø127 mm钻杆；
-
二开：Ø215.9 mmPDC（或牙轮）钻头+Ø172 mm 螺杆+定向短节+Ø172 mm 无磁钻铤+Ø127 mm 钻杆；
-
三开：Ø152.4 mmPDC（或牙轮）钻头+Ø120 mm 螺杆+Ø120 mm无磁钻铤+Ø89 mm钻杆。
-
直井段施工主要要求保证钻孔垂直，因此，应适当降低钻压；造斜段及顺层钻进段施工主要要求控制钻头轨迹，因此，钻压施压大小应配合定向需要（刘文武等，2018，2019b；裴森龙等，2022）。钻进参数见下表2。
-
3.4 钻井液体系配制
-
根据开采区地层信息，钻井液体系配置如下 （董海燕等，2019；汪洪民等，2020；刘文武等，2021； 李子钰和于培志，2022）：
-
（1）直井段钻进钻井液配制以防塌、防漏为目的，泥浆护壁，根据实际情况进行调整，必要时加入适量的降失水剂和稀释剂，以保证正常钻进，提高钻效。
-
配浆材料：膨润土+碱粉+纤维素+腐植酸钾。
-
钻井液性能：密度 1.07~1.09 g/cm3，漏斗黏度 33~36 s，pH值8~9，含砂量0.30%~0.35%。
-
（2）造斜段地层主要为黏土岩、粉砂岩、煤层等煤系地层，水敏性较强，需要注意防塌，使用双聚防塌钻井液体系。
-
配浆材料：碱粉+膨润土+抗盐降失水剂+液体润滑剂+包被剂。
-
钻井液性能：密度 1.05～1.10 g/cm3，漏斗黏度 32～40 s，失水量≤10 ml/30 min，泥皮厚≤0.5 mm，pH 值8～9。
-
（3）水平段目的层为灰岩地层，较为稳定，但是由于水平段较长，岩粉携带困难，钻进时扭矩较大，所以要求钻井液具有良好的携粉性能和润滑性能，又要防止阻塞裂隙影响后续注浆效果。因此采用无固相钻井液体系。同时三开水平段轨迹控制关键是稳斜，三开施工中，由于钻进和注浆相互交错进行，钻井液钙化严重，因此三开钻井液中增加 NaOH，置换水泥中Ca2+，减少钙侵的影响，同时起到调节钻井液pH值的作用，确保安全钻进。
-
配浆材料：液体或固体润滑剂+包被剂+抗盐降失水剂+羟甲基纤维素+片状氢氧化钠。
-
钻井液性能：密度 1.01～1.10 g/cm3，漏斗黏度 35～50 s，失水量＜10 ml/30 min，泥皮厚＜0.5 mm，含砂量＜0.4％，pH值8～13。
-
孔内破碎导致钻进困难时，可适当调整泥浆性能参数，确保钻进安全（刘海声等，2021）。
-
4 现场施工情况
-
4.1 施工概况
-
E1主孔自 2021年 5月 3日开钻，至 2021年 7月 5日 E1主孔钻进至 2022.39 m完钻，完钻层位上距 1煤底板约为 90 m，三开水平井段 1039.52~2022.39 m，E1 主孔钻进耗时 26 d，平均每天进尺 77.8 m，E1 主孔累计注浆2110.3 m3，使用水泥949.64 t。图2所示为E1主孔实钻剖面图。
-
图2 E1主孔实钻剖面图
-
4.2 实钻轨迹控制情况
-
多分支水平注浆井井眼轨迹控制技术以螺杆钻具为井下动力，通过无线随钻测量系统（MWD）实时监测钻井轨迹参数，利用定向软件将实测数据与设计轨迹进行对比分析，通过调整螺杆弯头方向，达到控制钻井轨迹的目的，实现实钻轨迹沿设计轨迹延伸（靳光均，2019；刘修刚等，2021a；刘文武等， 2022）。
-
在实钻过程中配合岩屑录井、井下仪器伽马监测、钻时录井、水文观测等，对地层情况进行实时跟踪分析，随时调整井眼轨迹，保证跟层率达到 90% 以上。钻井施工过程中，实钻轨迹严格按照设计轨迹进行控制，水平段实钻轨迹较设计轨迹着陆点偏差为0.30 m，关键落点偏差最大为1.90 m，位于终孔靶点处，符合关键落点平面偏差不大于2 m的要求。分支井水平段采用岩屑录井、伽马数据联合判层，采用无线随钻测量系统监测钻井轨迹，控制钻井沿 C3 9 灰或上距1煤底板90 m深左右钻进，以钻井上距 1 煤底板的距离是否超过 90 m，来判断钻井是否符合跟层（深）要求。该井实钻轨迹上距1煤底板均超过 90 m，跟层（深）率达到了 100%。钻井轨迹如图3、图4和图5所示。
-
图3 钻井实钻轨迹垂直投影图
-
4.3 复杂工况处理
-
4.3.1 二开漏失情况及堵漏处理
-
E1主孔二开钻进期间出现两次较大漏失，两次漏失层位岩性均为石英砂岩，对钻进造成了较大影响。
-
（1）漏失情况
-
图4 钻井实钻轨迹水平投影图
-
图5 钻井实钻轨迹三维立体图
-
2021年5月23日，二开钻进至井深430 m时，井内钻井液全漏，漏失量＞80 m3 /h，顶漏钻进9.6 m，共耗浆约 130 m³。随后多次起钻至套管内，调浆顶漏钻进，穿过漏失层后进行堵漏作业。综合附近地质资料及岩屑录井资料，确定漏失层位为 16 煤下，13 煤上的大段石英砂岩，层厚约 15 m。2021年 5月 31 日，二开钻进至井深 626.4 m 时，井内钻井液全漏，漏失量＞80 m3 /h。调浆顶漏钻进持续耗浆，耗浆量约 40 m³/h，顶漏钻进至 9-2煤顶板（井深 665 m），起钻进行堵漏作业。综合附近地质资料及岩屑录井资料，确定本次漏失层位为9-2煤顶板石英砂岩，层厚分别为9 m和5 m。
-
（2）漏失原因分析
-
在煤系地层钻探施工中，遇到的地层主要是沉积岩，综合井场附近地质资料及岩屑录井资料判断两次漏失地层岩性均为石英砂岩。石英砂岩孔隙类型为残余粒间孔+次生溶蚀孔的孔隙组合，具有孔隙结构变化大和裂缝比较发育等特点，其孔隙充填有液体，因而造成不同的地层压力具有不同的渗透性，如果钻孔内冲洗液的压力大于或小于地层压力，就会出现漏失或涌水、坍塌现象。岩层中的孔隙、裂隙和溶隙、互相串通的裂隙等都会产生不同程度的冲洗液漏失，甚至全部漏失，造成严重的后果（周亮，2009；迟焕鹏等，2021）。
-
（3）堵漏处理
-
钻遇漏失后共采取三种方式进行堵漏处理，分别是稠泥浆顶漏钻进穿过漏失段地层；稠泥浆里加锯末封堵裂隙，此种方式可封堵井内的小裂隙；黏土水泥浆封堵裂隙，在使用过程中黏土颗粒因高聚物的存在而变得更粗，对进入钻井液体系的岩粉起絮凝作用，同时对井壁不稳定砂和煤层起抑制保护作用。通过综合三种堵漏方式处理后，井内泥浆开始正常上返，堵漏效果良好。
-
4.3.2 阻卡处理
-
在施工注浆井水平井段过程中，多次出现起下钻遇阻卡超过正常摩阻情况，坚持“起钻时少拔多放，下钻时多提少放，多次活动”原则（李进等， 2020；曹伟，2021）。钻进施工中，在保证井眼轨迹符合要求的情况下，尽量避免减斜钻进；做好短起下工作，保持每 50~100 m 短起下一次，轻易不改变下井钻头尺寸；下钻时，在阻卡井段反复划眼以破坏可能形成的键槽，起钻时至阻卡处低速慢起或倒划眼。同时维护钻井液性能，使其具有良好的润滑性，控制钻井液中的固相含量处于最低值。
-
4.4 综合质量评价
-
（1）钻井整体沿C3 9 灰或上距1煤底板90 m深左右地层钻进，符合设计目标层位要求。钻井终孔垂深 988.74 m，水平位移 1195.82 m，位垂比 1.21∶1；一开直井段井斜 0~0.54°，平均 0.02°，井眼曲率基本在 0.4°/30 m 左右；二开造斜段最大井斜 85.9°，最小井斜 0.46°，最大井眼曲率 10.95°/30 m；三开水平段最大井斜 89.1°，最小井斜 84.5º，最大井眼曲率 6.94°/ 30 m。钻井水平段实际轨迹与设计轨迹偏差均未超过2 m，符合钻井轨迹控制要求。
-
（2）钻井施工过程中，实钻平面轨迹严格按照设计轨迹进行控制，水平段实钻轨迹较设计轨道终孔靶点偏差为 1.78 m，最大偏差为 3.34 m。符合关键落点平面偏差不大于2 m的要求。各关键点实钻与设计平面坐标对比见表3。
-
（3）分支井水平段采用岩屑录井、伽马数据联合判层，采用无线随钻测量系统监测钻井轨迹，控制钻井沿C3 9 灰或上距1煤底板90 m深左右钻进，以钻井上距 1 煤底板的距离是否超过 90 m，来判断钻井是否符合跟深要求。该井实钻轨迹上距1煤底板均超过 90 m，跟层（深）率达到了 100%，符合设计要求。
-
5 结论
-
（1）淮南张集矿东-1煤上采区多分支水平注浆井E1主孔钻至2022.39 m完钻，终孔垂深988.74 m，水平位移1195.82 m，通过无线随钻测量系统实时监测控制钻井轨迹，最终钻井水平段实际轨迹与设计轨迹偏差均未超过 2 m，水平段实钻轨迹较设计轨道终孔靶点偏差为 1.78 m，均符合钻井轨迹控制要求。
-
（2）根据煤矿地面注浆井施工特点，从多分支水平注浆井三开井身结构优化、钻探设备及钻具组合优选、多类型钻井液配制等钻井技术实施方面，进行了系统梳理研究；对钻井过程遇到漏失、卡阻等复杂情况，细化分析了堵漏、解卡技术措施。本文总结形成的适用于注浆多分支水平井钻井施工工艺和技术方法，实现了安全高效钻进，对后续矿区其他孔组注浆井工程的实施提供了一定的借鉴意义。
-
总之，在开采受底板灰岩承压水威胁的煤层时，必须坚持奥灰水与太灰水防治并重、区域超前探查治理，探查并治理垂向导水构造，消除水患威胁，确保张集矿安全、连续开采。
-
参考文献
-
曹伟. 2021. 煤矿底板注浆多分支水平井卡钻事故处理[J]. 中国煤炭地质， 33(3)： 32-34.
-
陈顶峰. 2020. 地面水平井注浆工艺技术在煤矿水害区域治理中的应用[J]. 河南科技， （7）： 59-61.
-
迟焕鹏， 胡志方， 王胜建， 李大勇， 苑坤， 郭军. 2021. 黔西地区表层易漏地层钻井工程技术[J]. 钻探工程， 48(4)： 66-72.
-
董海燕， 高永进， 白忠凯， 张远银， 姜鹍鹏， 吕修祥. 2019. 塔里木盆地柯坪地区新苏地1井冲洗液护壁堵漏工艺[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)， 46(8)： 47-55.
-
董书宁， 郭小铭， 刘其声， 王皓， 南生辉， 郑士田， 王宇航. 2020. 华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则[J]. 煤田地质与勘探， 48(4)： 1-10.
-
樊好福， 臧艳彬， 张金成， 张海平. 2019. 深层页岩气钻井技术难点与对策[J]. 钻采工艺， 42(3)： 20-23， 7.
-
靳光均. 2019. 试论煤层气多分支水平井钻井关键技术[J]. 西部探矿工程， 31(4)： 78-80.
-
李进， 张晓诚， 王昆剑， 刘鹏飞， 窦蓬. 2020. 分支水平井防砂管柱阻卡原因分析及对策[J]. 石油机械， 48(9)： 25-30.
-
李子钰， 于培志. 2022. 低黏切高密度油基钻井液体系[J]. 矿产勘查， 13(5)： 654-661.
-
刘海声， 窦斌， 穆元红， 金生财， 高元宏， 刘鹏. 2021. 地质岩芯钻探中绿色勘查技术的应用及成本分析[J]. 矿产勘查， 12(2)： 331-337.
-
刘伟， 何龙， 胡大梁， 李文生， 焦少卿. 2019. 川南海相深层页岩气钻井关键技术[J]. 石油钻探技术， 47(6)： 9-14.
-
刘文武， 郭坤， 冯美贵. 2021. 页岩气钻探施工钻进护壁技术[J]. 西部探矿工程， 33(1)： 60-61， 65.
-
刘文武， 刘家荣， 郭坤， 赵志涛， 单文军. 2019a. 雄安新区D14地热井钻探施工技术研究[J]. 西部探矿工程， 31(8)： 102-106.
-
刘文武， 欧阳志勇， 赵志涛， 郭坤. 2019b. 青海花土沟地区砂岩型铀矿钻探施工技术研究[J]. 矿产勘查， 10(5)： 1228-1232.
-
刘文武， 赵志涛， 翁炜， 朱迪斯， 单文军， 贺云超. 2018. 页岩气基础地质调查皖南地1井钻探施工技术[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)， 45(10)： 66-70.
-
刘文武， 朱文鉴， 赵洪波， 孟凡洋， 冯美贵， 郭坤， 李超， 蒋睿. 2022. 鄂西地区页岩气地质调查鄂建地4井钻井技术[J]. 钻探工程， 49(5)： 39-47.
-
刘修刚， 李俊峰， 张强， 张晶. 2021a. 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[J]. 煤矿安全， 52(11)： 100-103.
-
刘修刚， 王毅， 李鹏， 宋昱播. 2021b. 赵固一矿区域煤层底板灰岩层多分支水平注浆井优快钻井技术[J]. 煤矿安全， 52(10)： 106-110.
-
刘再斌. 2018. 基于孔型组合的煤矿水害区域治理模式研究[J]. 煤炭科学技术， 46(7)： 184-189.
-
裴森龙， 张建国， 李高， 侯朝勇， 蔡厚安， 李博， 刘杰. 2022. 水文地质钻探关键工艺探讨——以太原市小店区SZK1钻孔为例[J]. 矿产勘查， 13(2/3)： 297-301.
-
孙文洁， 王亚伟， 李学奎， 杨文凯， 何云超， 吴峰海. 2015. 华北型煤田矿井水文地质类型与水害事故分析[J]. 煤炭工程， 47(6)： 103-105.
-
万夫磊. 2019. 长宁页岩气表层防漏治漏技术研究[J]. 钻采工艺， 42(4)： 28-31， 7-8.
-
汪洪民， 刘海声， 庞怀玮， 高元宏， 刘鹏. 2020. 青海祁漫塔格那西郭勒泥质岩地层水敏性及其钻井液配方研究[J]. 矿产勘查， 11(4)： 811-817.
-
王永全. 2018. 羽状分支水平孔在煤矿水害地面区域探查与治理中的应用探讨[J]. 中国煤炭地质， 30(S1)： 84-89.
-
杨哲. 2020. 煤矿区地面注浆多分支水平井装备及技术[J]. 煤矿安全， 51(4)： 125-128.
-
翟丽娟. 2018. 煤矿水害勘查与治理技术新进展及发展趋势[J]. 中国煤炭地质， 30(7)： 44-47， 67.
-
张耀辉， 张海波. 2016. 矿井防治水技术研究现状及展望[J]. 煤矿安全， 47(4)： 195-198.
-
周亮. 2009. 煤系地层护壁堵漏钻井液配制技术探讨[J]. 中国煤炭地质， 21(S2)： 120-122.
-
摘要
为了解决淮南张集矿东-1煤层底板水害的问题，实现工作面的安全回采，本文研究了多分支水平注浆井钻井技术，针对工程实施特点，介绍了套管层次选择、钻井井身结构优化设计、钻具组合优选和钻进参数设计、多类型钻井液配制，以确保工程顺利实施；针对轨迹设计要求，计算了主孔钻入煤层底板治理灰岩层的着陆点，分析了实钻轨迹控制情况；针对钻遇的漏失、卡阻等复杂情况，试验并细化堵漏、解卡技术措施，最终该工程水平段实际轨迹与设计轨迹偏差均未超过2 m，水平段实钻轨迹较设计轨道终孔靶点偏差为1.78 m，均符合钻井轨迹控制要求。结果表明：该施工工艺和技术方法适用于煤矿多分支水平注浆井工程，达到了煤矿注浆井的安全高效钻进，为该地区后续注浆井施工提供有益经验。
Abstract
In order to solve the problem of water damage in the east-1 coal seam floor of Zhangji Mine in Huainan and realize the safe mining of the working face, the drilling technology of multi-branch horizontal grouting well was studied. According to the characteristics of engineering implementation, the selection of casing layer, the optimization design of drilling casing structure, the optimization of drilling assembly and the design of drilling parameters, and the preparation of multi-type drilling fluid are introduced to ensure the smooth implementation of the project. According to the trajectory design requirements, the landing point of the main hole drilling into the coal seam floor to control the limestone layer is calculated, and the actual drilling trajectory control is analyzed. In view of the complex situations such as leakage and jamming encountered in drilling, the technical measures of plugging and unblocking were tested and refined. Finally, the deviation between the actual trajectory and the designed trajectory of the horizontal section of the project did not exceed 2 m, and the deviation between the actual drilling trajectory of the horizontal section and the target of the designed track was 1.78 m, which met the requirements of drilling trajectory control. The results show that the construction technology and technical method are suitable for the multi-branch horizontal grouting well project in coal mine, which achieves the safe and efficient drilling of grouting well in coal mine, and provides useful experience for the subsequent grouting well construction in this area.
