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Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 我国煤炭资源丰富， 产量居世界首位， 但我国华 北型煤田水文地质条件复杂，大多煤矿开采受水害 威胁。随着煤炭产业的快速发展，煤矿水害问题已 成为制约煤矿安全生产的重大隐患[1-3]。煤矿区地面 和井下注浆技术是水害防治的重要途径和手段， 其 中地面注浆技术具有设备能力大、注浆速度快、 综 合效率高等优点，近几年被广泛应用于煤矿水害治 理，而钻井技术是地面注浆技术实现的前提和保 障， 目前地面注浆井主要有直井、 定向井、 多分支水 平井等类型，其中多分支水平井具有占地面积小、 钻 孔覆盖面广、 注浆量大、 综合成本低等优势[4-9]。为此 重点进行煤矿区地面注浆多分支水平井装备选型及 关键技术研究， 为煤矿水害防治工作提供重要支撑。 1地面注浆多分支水平井钻井装备选型 1.1钻机选型 综合考虑我国煤层埋深、 钻井工艺、 注浆要求等 因素，地面注浆多分支水平井完井的深度大多小于 2 000 m， 位垂比约 1.8～2.5， 因此用于注浆多分支水 平井施工的钻机需具备 2 000 m 钻进能力。 目前， 市 场上 2 000 m 钻机主要有小型石油钻机、水源钻机 和全液压车载钻机， 其中小型石油钻机主要有 ZJ20 煤矿区地面注浆多分支水平井装备及技术 杨哲 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 地面注浆技术是煤矿水害防治的有效方法， 注浆多分支水平井是地面注浆技术实施的 基础。结合矿区地质条件、 钻井工艺、 注浆工艺等特点， 优选注浆井施工用车载钻机、 稀土永磁直 驱泥浆泵、 电磁波无线随钻测量系统、 固控系统等装备， 并对注浆井钻孔结构、 轨迹控制、 套管施 工等关键技术进行研究。形成一套适用于注浆多分支水平井用钻井装备及关键技术， 对煤矿水 害防治工作具有重要意义。 关键词 水害防治； 地面注浆技术； 多分支水平井； 钻井装备； 钻井工艺 中图分类号 TD41文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 04-0125-04 Research on Equipment and Technology of Ground Grouting Multi-branch Horizontal Well in Coal Mining Area YANG Zhe （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract Ground grouting technology is effective to prevent and control coal mine water hazard, and grouting multi- branch horizontal well is the foundation of ground grouting technology. Combined the characteristics of geological conditions, drilling techniques and grouting techniques, the truck-mounted drilling rig, rare-earth permanent magnet direct drive mud pump, EMWD and solid control system were selected, which were suitable for grouting well. The key technologies such as drilling structure, trajectory control, casing construction were studied. A set of drilling equipment and key technologies for grouting multi- branches horizontal well was ed, it had great significance to prevent and control water hazard in coal mines. Key words water hazard prevention and control; ground grouting technology; multi-branch horizontal well; drilling equipment; drilling process DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.027 杨哲．煤矿区地面注浆多分支水平井装备及技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 125-128. YANG Zhe. Research on Equipment and Technology of Ground Grouting Multi-branch Horizontal Well in Coal Mining Area ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 125-128. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0808200） 125 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 型和 ZJ30 型；水源钻机主要有 TSJ-2600 型和 TSJ- 3000 型；全液压车载钻机主要有德国 RB-T100 型、 美国 T200XD 型、瑞典 PREDATOR 型及意大利 HH102 型等进口钻机， 中煤科工集团西安研究院有 限公司 ZMK5530TZJ100 型、 石家庄煤矿机械有限公 司 TZJ25/1000Y 型及北京天和众邦勘探技术有限公 司 100 型等国产钻机[10]。从钻机能力上看， 3 类 钻机均能满足使用要求，但因小型石油钻机和水源 钻机无配套顶驱，施工大位移水平井难度较大， 同 时， 这 2 类钻机井间搬迁及安装周期长。相对而言， 全液压车载钻机具有以下优势①具备加压给进能 力，特别适用于大位移水平井及特殊工艺井施工； ②机动性强， 井间搬迁、 安装迅速， 施工效率高， 特 别是在注浆过程中， 1 台钻机可同时满足 2 口注浆 井施工； ③智能化程度高， 配套工艺全， 事故处理能 力强， 钻机系统稳定， 安全性高。因此从安全、 成本、 效率等方便综合考虑，全液压车载钻机较适合于地 面注浆多分支水平井施工。 1.2泥浆泵组选型 泥浆泵组是在高压条件下向井内输送钻井液， 具有冷却钻头、 循环泥浆、 保护井壁、 破碎岩石、 携 带岩屑等作用，是钻机配套主要设备之一。泥浆泵 组主要有柴油机驱动和电驱动式 2 种，由于注浆多 分支水平井钻井和注浆周期长，且施工地点大多位 于矿区和村庄周边，柴油机驱动式泥浆泵存在耗油 量大、 成本高、 噪音扰民及环保性差等缺点， 因此选 用电驱动式泥浆泵组。2 000 m 以浅注浆井选用 F- 800DBZ 型稀土永磁直驱泥浆泵， 该泵组具有以下优 点 ①节能， 成本低； ②安全性高 采用专用变频驱 动电机， 拥有过压、 过流、 过载、 欠载、 输出接地及输 出短路等多项保护功能；③稳定性好电动机的转 子采用稀土永磁材料， 无需励磁， 运行稳定可靠； ④ 噪音小， 环保性好， 无柴油机及皮带或链条传动， 泥 浆泵震动及噪音大幅降低，环境污染小；⑤运输安 装方便 泵组结构紧凑、 质量轻、 搬运方便， 到现场 接电即可使用。 1.3无线随钻测量系统选型 无线随钻测量系统是通过井下仪器向地面传输 钻井数据，利用计算机对数据进行处理分析，获得 具有实时性的地层及钻井参数，为井眼轨迹控制提 供依据， 是注浆井实现精准定向的关键设备。目前， 常用的无线随钻测量系统主要有泥浆脉冲式和电磁 波式 2 种，其中泥浆脉冲式无线随钻测量系统是以 泥浆为传输介质， 该系统配置简单、 操作方便、 成本 较低， 但受泥浆性能、 泥浆泵工况、 循环介质等影响 较大， 传输效率低[10-11]。电磁波式无线随钻测量系统 是以低频电磁波信号为传输介质，该系统具有以下 优点 ①信号传输不受循环介质及泥浆泵影响， 适用 范围广，特别适合于漏失严重及复杂地层的定向钻 进； ②信息传输速度快， 效率高， 在接单根过程中井 下仪器测量数据，并立即将数据传至地面处理系 统， 实现零延迟及连续作业， 减少钻井辅助时间； ③ 传输数据信息量大， 测量参数多， 能测量高低边伽马 和环空压力， 可实现精确控制钻孔轨迹， 钻遇率高， 同时根据参数变化能提前预防井下复杂情况。为实 现安全、 高效、 精准钻进， 优选电磁波式无线随钻测 量系统。 1.4固控系统 固控系统是通过专业设备对钻井液进行净化处 理， 并实现循环利用。目前， 国内煤矿区地面钻井均 采用石油简易固控系统和泥浆池相结合的方式循环 钻井液， 实现对钻井液的净化处理， 由于石油固控系 统配套齐全， 煤矿区钻井泥浆循环量和处理量小， 固 控设备利用率低，同时煤矿区钻机平台高度低于石 油固控系统振动筛， 需挖制泥浆循环槽， 易造成环境 污染，环保性能差。在借鉴石油固控系统优点的基 础上， 结合煤矿区注浆井钻井参数及施工工艺， 设计 适用于地面注浆多分支水平井用固控系统。 设计的地面注浆多分支水平井用固控系统采用 三级净化装置， 同时采用井口密封装置、 防渗漏土工 膜泥浆池、 固化处理等措施， 防止造成环境污染。新 设计的固控系统工艺流程为 钻井液从井口返出后， 首先通过井口密封装置， 将钻井液直接泵入振动筛， 筛离出大于 74 μm 的固相颗粒，完成一级净化； 然 后钻井液进入泥浆清洁器， 分离出 8～74 μm 的岩屑 颗粒， 完成二级、 三级净化。 设计的固控系统孔口密封装置可实现井口泥浆 不落地， 井口泥浆直接进入固控系统， 同时起到低压 防喷、导流作用。固控系统第一级净化设备选用平 动椭圆双联振动筛， 振动筛处理能力≥200 m3/h； 第 二级、 第三级净化设备选用功能齐全、 结构紧凑、 占 用空间面积小的泥浆清洁器， 处理能力 180～220 m3/ h。 泥浆罐设计为 2 个罐， 单罐外形尺寸为 9 012 mm2 300 mm2 150 mm。 为了防止造成环境污染， 固控系统配套泥浆池采用防渗漏土工膜，防止钻井 液渗漏污染环境，完井后利用无机固化剂对废钻井 液进行固化处理，有效解决废钻井液水蚀运移扩散 问题， 避免环境污染， 提高经济效益。 126 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 2地面注浆多分支水平井钻井关键技术 2.1钻孔结构 地面多分支水平井施工中， 为保证安全钻进， 同 时满足钻井和注浆工艺要求，钻孔结构设计为三 级，其中一开采用 φ311.15 mm 钻头钻入稳定基岩 10 m，下入 J55 钢级 φ244.5 mm 表层套管；二开采 用 φ215.9 mm 钻头定向钻进至目标层上部，下入 J55 钢级 φ177.8 mm 技术套管；三开采用 φ152.4 mm 钻头沿目标层水平定向钻进， 裸眼完井。 2.2轨迹控制 1） 螺杆钻具优选。螺杆钻具是钻孔轨迹控制的 主要机具，通过与无线随钻测量系统的配合，实时 调整控制钻孔轨迹。注浆井二开井段主要以增斜为 主，对钻具造斜率要求较高，选用 5LZ φ165 mm 1.5螺杆马达。三开井段进入目标层后，以稳斜为 主， 选用 5LZ φ120 mm1.25螺杆马达,螺杆钻具技 术参数表见表 1。 2） 轨迹控制主要措施。注浆水平井施工中， 井 眼轨迹控制即要满足钻井工艺要求，同时要满足后 期注浆相关技术要求， 优选 “直-增-增-稳” 4 段制井 身剖面，一是保证钻孔轨迹精确中靶，并沿目标层 延伸， 二是确保钻孔轨迹平滑， 便于后期注浆。具体 为①注浆井二开井段位于稳定基岩，穿过多层岩 层，在目标层顶部着陆，该孔段主要是利用无线随 钻测量技术，根据实钻数据调整井斜和方位，确保 钻孔轨迹满足设计要求，作业中，为确保孔内安全 及高效钻进，需根据地层变化随时调整钻井液性 能，特别是钻遇泥岩段时，泥岩水化膨胀容易引起 缩径， 易造成井下事故， 常采用 K晶格固定和离子 交换作用来抑制泥页岩吸水水化膨胀，保证井壁稳 定性；②三开水平段轨迹控制关键是稳斜，调整钻 孔井斜与目标层倾角相近，实现钻孔沿目标层沿 伸， 确保钻遇率达到设计要求， 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， 置换水泥中的 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。 2.3套管施工 地面注浆井施工中钻场征地及工农关系协调是 一大难题， 为减少钻场数量， 简化工农关系， 设计将 二开套管下至目标层顶部，封堵上部地层，采用局 部固管技术， 三开施工 2～3 个分支， 注浆完成后， 再 利用割管技术将二开套管从底部割断，起出二开套 管，再在二开上部井眼段利用测钻技术开分支， 重 新下二开套管， 施工三开分支孔， 实现 1 个主孔， 多 个分支孔， 进一步扩大钻孔覆盖面， 增加注浆量， 确 保注浆效果。 1） 固井技术。套管下入井内后， 考虑到后期二 开套管顺利切割及起拔，二开套管不能全孔固管， 仅需对二开底部套管进行封固， 为保证封固效果， 采 用以下相关技术 ①固井水泥采用 42.5及以上高标 号； ②套管底部安装水泥头、 浮箍及引鞋， 准确计算 注入水泥浆量及水泥返高； ③套管封固后， 为防止井 口杂物落入套管环空， 用环形钢板封堵。 2） 套管割管技术。根据套管尺寸， 选用 NG-S178 型水力内割刀。固井结束后，计算水泥理论上返高 度， 再用钻机拉伸套管， 利用卡点经验公式计算实际 水泥固结点， 最后根据理论水泥返高、 实际套管卡点 位置及设计造斜点，确定套管切割位置。切割套管 时， 首先拉伸套管， 在井口套管接箍处放置吊卡， 确 保套管处于拉伸状态，以便于割断套管；再将刀具 下至设计位置， 慢速转动， 开启泥浆泵， 在注入压力 下刀具逐渐张开与套管接触，刀具随钻具转动切割 套管， 一般 5～8 min 完成切割作业； 切断套管后， 停 泵刀具回收， 起拔套管。 3现场应用 近2 年利用优选的美国雪姆 T200XD 型全液压 车载钻机、 F-800DBZ 型稀土永磁直驱泥浆泵、 电磁 波式 （E-MWD） 无线随钻测量系统、 新设计的注浆多 分支水平井用固控系统等装备，及轨迹控制和套管 施工等关键技术， 先后在淮北朱仙庄煤矿、 河南焦煤 古汉山矿和赵固一矿区域水害治理项目中，累计完 成 6 个主孔， 41 个分支孔施工， 钻探总进尺约 36 000 m， 为矿区水害治理提供强有利的技术保障。 4结语 1） 结合注浆多分支水平井钻孔参数、 施工工艺、 注浆要求等因素， 优选全液压车载钻机、 稀土永磁直 驱泥浆泵、电磁波式无线随钻测量系统及注浆井用 井段规格型号 弯曲角 度/ （ ） 扶正器 类型 扶正器 外径/mm 整体长 度/m 二开5LZ1657.01.5螺旋式204～2088.80 三开5LZ1207.01.25非对称式146～1486.60 表 1螺杆钻具技术参数表 Table 1Technical parameter of screw drill tool 127 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 2018， 49 （2） 115－117． ［7］ 张锐， 姚克， 方鹏， 等．煤矿井下自动化钻机研发关键 技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2019， 47 （5） 59－63. ［8］ 张锐， 孙保山．新型全液压履带定向钻机的研制 ［J］ ．煤 矿安全， 2015， 46 （10） 108－110． ［9］ 魏欢欢， 殷新胜．胶筒式液压卡盘存在问题及改进 ［J］ ． 煤田地质与勘探， 2017， 45 （5） 186－190． ［10］ 冯德强．钻机设计 ［M］ ．武汉 中国地质大学出版社， 1993 168－180． ［11］ 姚克．煤矿定向钻机用摩擦盘式制动装置仿真分析 ［J］ ．煤矿机械， 2012， 33 （4） 63－65． ［12］ 邵俊杰． 全液压坑道钻机定向装置设计与实验研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2014， 42 （7） 77－80． 作者简介 张锐 （1981） ， 湖北襄阳人， 副研究员， 硕 士，2010 年毕业于中国地质大学， 从事钻探设备的研究与 开发工作。 （收稿日期 2019-07-19； 责任编辑 李力欣） （上接第 124 页） 固控系统等装备，形成一套适用于注浆多分支水平 井用钻井装备，该套装备具有智能化程度高、钻进 效率高、 安装搬迁迅速、 性价比高等优势。 2 ） 根据地面注浆井的施工特点， 对注浆井钻孔 结构、轨迹控制、套管作业等关键技术进行了系统 研究，形成了适用于注浆多分支水平井钻进施工工 艺， 扩大了钻孔覆盖面， 提高了施工效率、 减少了钻 探工程量、 降低了钻井成本， 实现了安全高效钻进。 参考文献 ［1］ 孙文洁， 王亚伟， 李学奎， 等．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， 2015， 47 （6） 103－105． ［2］ 张耀辉， 张海波．矿井防治水技术研究现状及展望 ［J］ ． 煤矿安全， 2016， 47 （4） 195－198． ［3］ 刘存玉． 我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析 ［J］ ． 煤炭科学技术， 2016， 44 （1） 39－45． ［4］ 石志远．地面顺层钻进在煤层底板高压岩溶水害区域 超前治理中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2015， 46 （S1） 67. ［5］ 燕南飞． 定向长钻孔在煤矿奥灰水害防治中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （4） 165－167． ［6］ 李冲， 王君现．深部煤层开采高承压奥灰水害防治关 键技术 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （2） 71－72． ［7］ 袁正勇．煤矿综放工作面地面注浆堵水工程实践 ［J］ ． 煤矿机械， 2017， 38 （9） 130－131． ［8］ 李冲．深部矿井奥灰水害防治技术 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （5） 101－103． ［9］ 张西锋．定向长钻孔技术在煤矿井下防治水钻孔施工 中的应用 ［J］ ．煤矿机械， 2019， 40 （2） 130－132． ［10］ 郝世俊， 张晶．我国煤层气钻井技术及装备现状与展 望 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （4） 16－21． ［11］ 远方， 巩宪锋．随钻泥浆脉冲器信号处理技术研究 ［J］ ．煤矿机械， 2011， 32 （10） 72－74． 作者简介 杨哲 （1985） ， 陕西宝鸡人， 助理研究员， 硕士， 2011 年毕业于西安建筑科技大学，从事煤矿地面钻 井技术和装备的研究及推广工作。 （收稿日期 2019－07－19； 责任编辑 李力欣） 128 ChaoXing