地面水平分支井注浆加固技术施工方法及应对措施_贾华峰.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-20修回日期 2020-04-21 第一作者简介 贾华峰 （1987-） ， 男 （满族） ， 吉林辽源人， 工程师， 现从事水文地质方面的研究工作。 地面水平分支井注浆加固技术施工方法及应对措施 贾华峰*， 程洲 （安徽省煤田地质局第三勘探队， 安徽 宿州 234000） 摘要 煤矿地面超前治理是应用定向水平井技术施工的长距水平分支孔， 近年来地面水平多分支 井注浆加固技术在煤矿区域治理中得到了广泛的应用， 对防治煤矿顶、 底板水患， 保障矿井安全正常 生产起到了很好的效果。 关键词 地面水平分支钻孔； 定向技术； 顶、 底板突水； 注浆 中图分类号 P634 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202101-0062-04 1水平多分支注浆加固技术概述 地面水平多分支注浆加固技术是一种改善顶、 底 板隔水性， 提高顶、 底板完整性和抗水压能力的重要的 防治水技术措施， 对防治煤矿顶、 底板水患， 保障矿井 安全正常生产起到了很好的效果。顶、 底板含水层注 浆加固改造技术是目前防止顶板淋水、 底板突水的重 要举措， 根据岩水应力关系学说， 煤层顶板含水层的良 好补给条件是顶板淋水的物质基础、 煤层底板下伏承 压水是底板突水的物质基础， 水压、 矿压是煤层顶、 底 板突水的力源， 导水裂隙是水力通道。大量的生产实 践证明， 削弱顶板底板淋水突水物质基础最直接的方 法是注浆充填、 阻隔顶板和底板直接充水薄层含水层 的裂隙、 断层和岩溶等导水通道和储水空间， 使其变为 隔水层或相对隔水层。 2水平井注浆加固技术优势 21世纪随着全球性的新能源煤层气、 页岩气的开 发和各采矿国家对矿山救援工作的重视， 定向钻井、 水 平井技术广泛应用于煤层气、 页岩气领域， 同时定向井 技术在煤矿地面区域治理中得到广泛应用。 与传统的底板注浆技术相对比， 水平分支井注浆 技术具有以下优势 （1） 采用水平井钻井工艺最大程度在灰岩含水层 中穿行钻进， 比井下注浆安全可靠。 （2） 水平井以水平方式穿越灰岩地层， 能有效地探 查煤层顶底板灰岩地层构造变化 （相对于直井只能控 制局部一点的地质构造变化， 水平井的轨迹控制精 确、 效果明显。 （3） 施工中多个水平井共用一个直井段， 节约了场 地占用面积， 减少工农关系的矛盾， 降低成本。 （4） 地面注浆比井下注浆压力大， 能有效克服灰岩 含水层水头压力， 这样可以使得水泥浆的扩散半径增 大， 地层突水能力减小， 保证矿井安全生产。 3水平井定向钻进注意事项 水平井定向钻进技术 （HDD） 是指利用钻孔自然弯 曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求 延伸至预定目标的一种钻探方法， 即有目的地将钻孔 轴线由弯变直或由直变弯。目前最常采用的是螺杆钻 具定向钻进工艺。 水平井定向作业过程中应注意以下几点 （1） 仪器经调试正常方可入井， 校正仪器角差、 钻 具角差并记录下各项参数， 仪器电池应保持电量充足， 并记录电池使用时长。 （2） 螺杆在入井之前需仔细检查， 保证接头牢固， 丝扣无伤， 旁通阀、 万向接头等正常， 并接上立轴试转 速、 泵压。在钻进过程中也要记录螺杆使用时长， 到达 使用寿命前提前更换。 （3） 定向作业过程中， 随钻仪配备伽马短接， 伽马 值可实时反映钻孔地层变化， 一般的， 地层API值大小 顺序为 泥岩＞砂岩＞煤＞灰岩。由于物探的多解性， API值并不能准确反映地层， 必须配合岩屑录井。岩 屑上返需要一定时间， 即迟到时间， 故岩屑录井是滞后 的。 现场简单计算 岩屑迟到时间循环周时间－钻井 液下行时间 62 2021年第1期西部探矿工程 循环周时间指从开泵到标志物大量返出的时间。 钻井液下行时间井下钻具内容积/排量 理论计算 twV/Qπ （D2-d2） /4QH 式中 tw钻井液迟到时间， min； V井内环形空间容积， m3； Q泥浆泵排量， m3/min； D井眼直径， m； d钻杆外径， m； H井深， m （H钻具总长方入） 。 （4） 在侧钻过程中， 钻具与井壁接触面积相对加大， 在压差作用下容易出现钻具提升受阻， 水平井的造斜 段、 扭方位等狗腿度较大时， 井壁一侧容易出现凹槽， 钻 进参数和水力参数都受到限制， 环室压耗高， 钻时效率 低， 尤其在裸眼段大于200m或井深较深时， 这一问题更 加突出。分支设计时要把握好全角变化率， 保证轨迹合 理性， 同时， 在复杂地段减少定向次数及定向量， 确保钻 井轨迹简单、 平滑， 减小钻具与井壁的摩擦阻力。 （5） 由于水平段一直在目的层中穿行， 尤其遇到较 薄目的层时， 会造成频繁定向、 时刻修正钻孔轨迹， 导 致钻进效率低下。根据地层规律合理调整轨迹， 优化 各项参数， 依据造斜工具的特点， 合理确定定向的参 数， 尽量减少定向次数， 使井身结构简单， 不但可以改 善井眼清洗效果、 减少摩阻和扭矩， 还能提高生产效 率， 缩短施工周期。 （6） 直井段施工中适合使用常规泥浆， 待二开技术 套管下入后， 采用流变参数低的无固相泥浆， 该泥浆配 制简单， 又有很好的携粉、 护壁能力， 但由于钻孔结构 及钻探目的， 会造成大的流失及渗漏， 一定要配备充足 的备用钻井液， 施工多分支水平， 配备大功率泥浆泵， 稳定地层可以分段清水钻进， 减少投入成本。 （7） 井下仪器对泥浆流量、 粘度、 含砂量要求极高， 钻进过程中泥浆杂质及固相含量、 细微岩屑对仪器冲 刷较为严重， 钻具回转过程中与井壁摩擦， 导致泥浆中 铁屑对仪器脉冲信号影响， 灵敏度衰减， 磁场干扰严 重， 泥浆师要时刻掌握泥浆性能， 减少钻井液中铁屑含 量， 从而改善仪器工作环境， 提高各项数据精准率。 4工程复杂情况预防及处理 4.1破碎地层 （1） 增加破碎地层破碎岩块之间的胶结力。首先 泥浆采用聚合物体系， 在泥浆中加入优质的膨润土材 料及具有粘接作用的泥浆处理剂， 提高泥浆的粘度， 在 孔内液柱压力作用下进入到地层之中的泥浆中所含有 的膨润土和粘接剂堆积在破碎岩块之间， 提高破碎岩 块之间的胶结力。 （2） 合理调配泥浆， 控制泥浆失水， 在井壁形成有 效泥饼保护孔壁。 （3） 封堵裂缝， 是破碎地层孔壁稳定的核心。 掉 块、 坍塌的破碎地层， 其地层坍塌压力较大， 需提高泥 浆密度平衡地层的坍塌压力来维持孔壁的稳定。如果 不能有效封堵裂缝， 泥浆就不能有效平衡地层的坍塌 压力， 反而提高压力会使地层裂缝进一步扩大、 大量泥 浆进入地层， 甚至造成恶性循环而越塌越凶。 （4） 对于具有掉块、 坍塌现象的严重破碎地层需适 度提高泥浆的密度或粘度。提高泥浆密度是为了提高 泥浆的液柱压力， 平衡地层的坍塌压力。而提高泥浆 的粘度， 一方面是提高泥浆的悬浮能力， 当地层发生掉 块或坍塌时不至于迅速下沉， 另一方面是为了减小泥 浆对孔壁的冲刷。 （5） 谨慎施工， 小心操作， 避免由于操作失误引起 孔壁的不稳定。如起钻灌浆， 避免裸眼孔段因为失去 泥浆的支撑而垮塌； 起下钻速度平稳、 适度， 避免抽垮 地层或压裂地层； 合理控制钻进速度， 既要防止由于钻 进速度太快造成岩屑颗粒大或岩屑过多引发孔内事 故， 又要避免钻时过慢， 泥浆长时间冲刷孔壁造成地层 坍塌越来越严重。 （6） 钻进至疑似破碎带时， 司钻应密切观察钻井参 数变化， 预防井下风险的发生。技术人员应根据断层 或陷落柱位置提前提醒司钻注意观察钻井参数变化， 司钻在钻进过程中密切观察泵压、 扭矩变化， 泥浆工及 时向司钻汇报返砂返浆变化， 一旦出现泵压、 扭矩大幅 异常波动， 同时振动筛返砂增多且伴有掉块， 司钻应做 好随时停泵甩单根准备， 一旦出现憋压憋顶驱现象应 及时停泵停顶驱甩钻具起至安全位置， 排量由小到大 开泵循环观察， 待确认井下安全后， 可通过调整泥浆及 钻井参数等方式试钻进或等下步措施， 不可贸然钻进 造成卡钻等恶性事故。 4.2强漏失含水层 对于漏失层， 要 “以防为主， 以堵为辅， 防堵结合” ， 需要针对不同的漏失特点， 采取相应的堵漏材料和堵 漏方法， 降低井漏对钻井施工的影响。 4.2.1钻井过程中预防措施 （1） 应适当控制钻速， 或者每打完一个单根， 划眼 12次， 延长钻井液携带岩屑时间。 （2） 采用低粘、 低切、 强抑制钻井液性能， 适当控制 63 2021年第1期西部探矿工程 钻井液的滤失量， 采用合理的排量， 如215.9mm井眼， 合理的排量应该为3032L/s， 落实好短起下措施。 （3） 搞好钻井液固控工作， 使用好离心机， 及时清除 劣质固相， 降低钻井液密度， 防止钻井液密度自然增长。 （4） 需要提高密度时应首先把基浆处理好， 先在井 浆中加入足量的磺化沥青、 超细碳酸钙和单封等， 以提 高地层承压能力， 循环两周后， 才能逐渐加重。严格执 行加重程序， 每周只提高0.02g/cm3， 使易漏层井壁对 钻井液液柱压力有一个逐渐适应的过程。 （5） 钻穿易漏失地层前， 在钻井液中加入堵漏剂， 加量为8～14kg/m3， 封堵细小裂缝和孔洞。易漏井段 须注意更换适当的振动筛筛布。 （6） 使用高密度钻井液在小井眼中钻进时，在保 证能够悬浮加重剂的前提下应尽可能降低钻井液的动 切力和静切力， 以减少环空流动阻力。 4.2.2工程技术措施 （1） 在钻井液粘切较高、 静止时间较长的情况下， 控制钻具下放速度， 下钻时应分段循环， 每次开泵都要 先小排量后大排量， 先低泵压后高泵压， 同时转动钻具 破坏钻井液结构力， 防止憋漏地层。 （2） 如下部有高压层， 上部有低压层， 又不可能用 套管封隔时， 在钻开高压层之前， 应对裸眼井段进行承 压试验， 不漏再钻开高压层。 （3） 堵漏结束后， 下钻时分段循环出井眼内的堵漏钻 井液。避免钻具下放过多， 穿过漏层后开泵憋漏地层。 （4） 堵漏成功恢复钻进后， 可采用小排量钻进， 在 钻头远离井漏井段后， 再恢复正常排量。 （5） 下钻时严禁在已知漏层位置开泵循环， 避免冲 开封堵层再次发生井漏。 （6） 下套管前， 必须下双扶正器通井， 大排量洗井， 对钻进过程中已发现渗层要憋压堵漏， 做地层承压试 验合格后方可下套管。 5工程关键环节控制措施 主孔施工过程中需穿过煤层， 通过地质对比、 标志 层判断及钻进参数判断， 提前提高钻井液粘度， 增加钻 井液携砂能力； 到达较厚二煤层时， 加快钻时， 快速通 过； 同时如果测斜位置正处在煤层段， 可推迟测斜， 以 减少对煤层的扰动。 如果遇到坍塌和掉块， 总的原则是能起则起， 抓紧 起出钻具， 分段循环来探明垮塌井段， 起到安全井段， 分析井下情况后再做决策。 （1） 如返出岩屑不正常， 其他参数无显示， 则可先 充分循环后起出23根， 再观察井下情况， 是否可能钻遇 破碎带等； （2） 如泵压不正常， 其他参数无显示， 则可先上提 循环观察， 检查判断地面循环系统及钻柱内有无异样， 导致泵压不正常； 如泵压和注气压力均有增大显示， 其 他参数无显示， 则可认定为井眼循环不畅， 采取充分循 环活动钻具， 净化井眼； （3） 如旋转钻进时， 钻时变慢， 扭矩增大， 其他参数 无显示， 先缓慢上提几米， 在分析井下马达及钻头均正 常后， 若此时扭矩等显示恢复正常， 则考虑地层可能变 硬 （夹矸或非煤层） ； 如同时伴随有其他显示， 认定为垮 塌掉块， 采取相应措施充分循环活动钻具， 净化井眼， 起钻； （4） 如滑动钻进时， 有上述显示， 先停止钻进， 能上 提就提， 如不能则缓慢开顶驱倒划， 起至安全井段； （5） 起钻困难如负荷大于正常值5t不可硬提， 须 先保证能开泵循环， 适当下放活动钻具， 或缓慢开动顶 驱旋转钻具， 待工程相关参数正常或好转后尝试起钻； （6） 坚持循环原则， 能循环最好， 若憋漏地层不返泥 浆， 复杂处理过程中也要单凡尔开泵， 保持水眼畅通。 6钻进中拖压现象处理 近水平井段施工过程中钻具为平躺在井眼中， 受 重力作用， 钻具表面下部紧贴孔壁， 摩擦阻力与扭矩 大， 钻具重力不易传递到钻头， 托底现象尤为严重， 针 对此现象， 制定以下措施 井眼轨迹差造成的托压， 解决措施主要是加强井 眼轨迹的控制， 控制好狗腿度， 水平段原则不超过10， 严禁长距离定向 （单次超过10m） 。另外针对井眼轨迹 不好的情况产生的托压现象， 最有效地解决措施是简 化钻具结构， 减少钻挺的数量， 增加加重钻杆的数量， 从而降低钻具的刚性， 减少钻具与泥饼的接触面积防 止托压和粘卡。 加强短起下作业破坏井壁岩屑床 在施工中原则 上每钻进200m进行一次短起下作业， 用物理的方式清 楚井壁上的岩屑， 破坏井壁上形成的岩屑床。在水平 段岩屑易沉在下井壁形成岩屑床， 注意的是每次短起 下的长度尽量拉到上次短起下井深以上200～300m。 合理调配泥浆 水平段钻进时控制好泥浆比重及 粘度， 粘度控制在30～35s左右为宜， 避免泥浆过稠， 在 井壁形成虚泥饼导致托压， 水平段钻进时泥浆中适当 加入润滑剂减少托压影响。 加强固控设备的使用 泥浆中有害固相、 劣质沉土 等含量过高易造成泥饼较厚， 在水平钻进中易造成粘 卡。所以使用好离心机、 震动筛加强有害固相的清除 64 2021年第1期西部探矿工程 是加强泥浆净化的关键， 泥浆本身的携带岩屑的效果 再好， 如果地面设备利用效果差， 被携带上的有害固相 同样又进入井下对井眼的净化造成破坏。 刹把操作 定向托压时， 司钻操作刹把采取点送送 钻方式应勤送短送， 并时常上下活动钻具， 防止托压时 间过长突然释放后钻头接触井底造成螺杆制动憋压诱 发井下复杂。托压时工具面摆放困难， 司钻摆工具面 前应上下长距离大幅度活动钻具使钻具扭矩全部释放 处于伸展状态并调整好钻压和反扭角之间的关系， 防 止反复在同一位置来回摆工具面冲出大肚子井眼。托 压严重时， 司钻可与定向井工程师沟通是否可以上提 划眼或先复合钻进再行定向钻进。 合理使用造斜工具， 准确计算螺杆造斜率， 根据倾 角变化合理预测地层走向， 优化井眼轨迹设计， 控制狗 腿度， 尽量保证井眼轨迹平滑。 7分支侧钻技术措施 （1） 侧钻位置确定和水泥塞的质量决定了侧钻是 否顺利， 甚至一次成功的关键。选择侧钻的位置时， 要 考虑报废进尺少、 可钻性好、 无大肚子的井段。如果是 直井， 要在井斜要求范围内的井段， 实施反扣便于形成 较厚的夹壁墙。 （2） 填井时要求较高的水泥浆密度， 以保证高质量 的水泥塞， 水泥塞长度不小于30m。水泥塞候凝不小 于48h。扫水泥塞时， 必须把混浆段全部扫除， 探出高 质量的水泥面。 （3） 侧钻开始时， 必须控制钻进速度， 采用轻压慢 打方法， 特别是侧钻井段较深， 可钻性较差的地层。待 返出的岩屑基本不含有水泥， 可适当提高速度。 （4） 如果是直井而井斜又很小侧钻完成后， 建议使 用稳斜钻具组合稳斜一段， 以增加夹壁墙的厚度。 （5） 下钻到侧钻井段前要控制速度， 防止把夹壁墙 冲塌。如果在侧钻井段遇阻可轻转转盘下放， 或开泵 下放， 如必须划眼时要警惕划出新井眼。 8水平分支孔全角变化率偏大处理措施 （1） 将井斜控制合理范围内。井斜是指钻孔轴线 上任一点的方向线与通过该点的重力线之间的夹角， 故钻场选址要结合采区工作面设计尽可能选在区域煤 层标高相对高处对应的地面位置， 避免出现水平段井 斜过大的情况。 （2） 井身全角变化率控制在合理范围内。井身全角 变化率俗称 “狗腿度” ， 是指单位孔段内钻孔钻进的方向 在三维空间内的变化， 即包含了井斜角的变化和方位角 的变化， 数值可在定向软件中自动生成。在满足设计要 求的前提下， 将狗腿度控制在8～9/30m左右， 一般不 超过10/30m， 能有效提高进尺， 缩短钻孔周期。 （上接第61页） 技术及小口径多根膨胀管对接技术， 能在有效封隔漏 失、 缩径、 坍塌等复杂情况地层的同时不损失井眼直 径。与常规的套管不同， 膨胀管从上层套管中下入、 膨 胀后， 坍塌、 掉块的复杂地层被膨胀管隔离， 随后可用 与膨胀管下入前的同样直径的钻头继续钻进。使用膨 胀套管技术， 钻遇页岩气不稳定地层时， 在钻穿该层位 后， 下入膨胀套管， 既稳定了孔壁， 又简化了钻孔结构， 套管层次可大大减少。 4结论与认识 通过对页岩气钻井中坍塌、 掉块等难点问题， 分析 推荐了钻井液护壁技术、 套管固井护壁技术和膨胀套 管护壁技术， 合理利用护壁技术， 可提高页岩气井钻探 的效率。①钻井液护壁技术， 针对页岩气钻井工艺和 地层特点， 选择合理的钻井液体系和性能参数， 做好现 场钻井液管理和维护调整工作， 确保井壁稳定和工程 质量。②套管护壁是钻探施工最有效和最可靠的钻井 护壁方案之一， 固井质量也是保证套管护壁效果的关 键技术。科学合理地设计水泥浆配比和套管结构， 采 取有效的工艺技术措施， 提高固井质量。③膨胀套管 护壁技术具有可以解决多种类型钻井的孔内井壁不稳 定事故的能力， 可为我国页岩气等非常规能源的钻探 开发提供了更加可靠的护壁技术。 参考文献 [1]宋新杰.兰渝铁路隧道深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践 [J].大陆桥视野， 2012， 278 162-163. 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