浅层高水垂比多分支水平孔钻井工艺

向中林

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

1 概述

邢台煤矿区经过几十年的开采，目前浅部易开采资源基本已枯竭，现阶段陆续开采受水害威胁的下组煤层。鉴于下组煤层开采受奥陶系灰岩水害威胁现状及保水开采需要，提出了奥灰岩溶水上带压开采水害治理的区域超前治理理念[1-2]。目前采用多分支水平孔进行探查是矿井煤层底板水害区域治理最为有效的方法之一[3]，具体为地面选择合适的位置开孔，通过对主孔（直孔段、造斜段）的施工，使钻孔在着陆点沿目的层顺层钻进；再在主孔合适的位置侧钻施工分支孔以实现对治理区域全覆盖。但浅层高水垂比多分支水平孔较为少见。在此背景下，下组煤层9#煤底板水害区域治理成为葛泉煤矿防治水工作的重中之重。由于井田水文地质条件复杂，井田褶皱和断层构造都十分发育[4]，煤层埋深浅；同时单分支孔水平长度较大，致使钻孔水垂比较大，施工难度高。笔者通过对浅层高水垂比多分支水平孔的应用研究，结合实际施工，为解决葛泉矿煤层底板水害区域治理的施工难题提供良好支撑。

2 治理区域地质概况

治理区域内地层从新至老分别为第四系、石炭系、奥陶系。其中第四系表土层中含有两层砾石层，总厚约30m；石炭系为煤系地层，岩性为砂岩、泥岩互层，从上至下包含了7#煤、8#煤、9#煤；奥陶系岩性为灰岩。地层简化柱状图如图1所示。

图1 地层简化柱状图

9#煤平均厚度为5.6m，煤层倾角为5o～10o，煤层埋深为172.9～374.3m，9#煤试采直接充水水源为9#煤层底板下伏本溪灰岩含水层和顶板大青灰岩含水层。9#煤底板下38～55m 为奥陶系灰岩含水层顶面，为下组煤开采的间接充水水源。葛泉矿为新生界地层全覆盖型井田，地层基本形态受NE向的葛泉复向斜控制。井田内以断层为界的块段改变了含水层水平方向的水力联系，自然条件下，因各含水层之间均分布有厚度不等的隔水层。在完整块段，各含水层之间水力联系较弱；在导水构造和采动条件下可能使含水层之间水力联系增强。

3 多分支水平孔钻井方案

本方案综合考虑工作面及地层展布情况、构造特征、钻探施工效能等因素，结合地面塌陷塘、构筑物等，在地面合适位置布孔。通过钻探对治理区段9#煤层底板灰岩含水层溶隙、裂隙等储水空间和导水通道进行交叉拉网式探查，达到区域勘查目的。钻孔间距45～55m（大部分钻孔按55m设计，边角地区局部“羽”状布置，间距控制在40～50m，断层区按40～45m，适当微调），如图2所示。

图2 钻孔平面布置图

3.1 钻孔结构

由于施工区域第四系表土层上部及下部均有松散的砾石层，考虑到主孔施工的安全性，结合以往施工经验，钻孔采取四级式钻井结构，下入三层套管。如图3所示，具体结构如下：

图3 四级钻孔结构设计示意图

（1）一开：采用气锤冲击开孔至24m，孔径∅500mm，下入∅377mm×10mm 套管，采用单液水泥浆固井，水泥浆返至地面，隔离表土层上部砾石层；

（2）二开：孔径∅311.1mm，钻进至基岩下10m 左右，下入∅244.5mm×8.94mm套管，采用单液水泥浆固井，水泥浆返高35m，隔离表土层下部砾石层；便于后期割套管作业；

（3）三开：孔径∅215.9mm，钻进至目的层奥灰下10m 以内，下入∅177.8mm×8.05mm 套管，采用单液水泥浆固井，水泥浆返高9#煤上50m，隔离煤系地层；

（4）四开：孔径∅152.4mm，裸孔段，沿目的层奥灰顶面下10～20m顺层钻进。

3.2 钻孔轨迹

由于孔口位置第四系表土层厚约93.5m，地面孔口所在区域的目的层埋深浅，仅225m 左右，需要在表土层适当位置提前造斜；三开着陆点位置埋深232m 左右，需在有限的靶前距离和垂距内导斜呈近水平进入目标层。

以注2 孔为例，其施工两个主孔，共计10 个分支孔；设计从表土层50m处开始造斜，造斜段最大狗腿度（全角变化率）达到13.26o/(30m)，通过230m 的造斜到达着陆点，完成主孔的施工，各水平分支孔从主孔沿不同方位延伸出去。其钻孔设计参数如表1所示，钻孔剖面如图4所示。

图4 钻孔剖面示意图

4 现场施工

4.1 钻井施工中遇到的难点及对应的技术措施

鉴于治理区域表土层较薄且含有两层砾石，地面孔口所在区域的目的层埋深浅、治理区域面广等原因；致使多分支水平孔在施工中面临诸多难点；以注2孔为例，各个难点及对应的技术解决措施如下所述。

4.1.1 造斜点选择范围小

对于浅层水平孔来说，造斜点浅，一般选为50～150m[5]。目的层埋深较浅，仅225m 左右；使得靶前位移和垂距受限，导致造斜点选取范围较小。方案设计从50m 处开始造斜，但考虑到表土层为砂质粘土和砾石层，按照方案设计施工可能达不到造斜要求。通过COMPASS 软件不断优化井眼轨迹，造斜点选在24m处为最优选择，提前进行造斜（即一开后便开始造斜作业）；在实际施工过程中，造斜段最大狗腿度由13.26o/(30m)降至12.42o/(30m)，有利于后期的施工。此措施突破了浅层水平孔造斜点选取范围。

4.1.2 大狗腿度（全角变化率）钻孔套管下入

在实际施工中，造斜段最大狗腿度达12.42o/(30m)，套管下入的难度大，在以往的施工中实属罕见。为确保套管可以顺利下入，采取了以下措施：①冲扫孔时，进一步提高钻井液的岩粉携带性能和润滑性能，减少孔内岩粉的沉积和减小套管下入期间的摩擦阻力；②对狗腿度大的孔段进行多次冲扫孔。套管下入结束后，开泵进行钻井液循环，以防循环不畅，影响固井。

4.1.3 高水垂比产生托压现象

由表1可知，各分支水垂比均突破煤炭系统水垂比不大于2的惯例，且水垂比最大达到2.59。对于这种高水垂比多分支水平孔，在水平段钻进过程中，钻杆柱紧贴孔壁下部，与井壁的接触面积增大，使得在水平段的后期施工中，摩擦阻力及扭矩增大，造成钻头加压困难，产生托压现象，导致水平段延伸变得困难[6]。本文从以下几个方面进行改善：

表1 钻孔设计参数

（1）优化套管下入。设计三开下入∅177.8mm×8.05mm套管，在实际施工过程中，三开套管下至295m（着陆点），采用下部下入∅177.8mm×8.05mm 套管46.70m，∅177.8mm 变∅193.7mm 的变径0.8m，上部下入∅193.7mm×8.33mm 套管247.50m；井斜角为60o时对应的井深为247.50m；此措施便于后期使用钻铤或加重钻杆进行加压以减缓托压现象。

（2）优化钻具组合。四开水平段需在距奥灰顶面下10～20m 顺层钻进，由于地层倾角的缘故，井斜角在65.24o～88.55o之间变化。为了给钻头加压，采用∅152.4mmPDC 钻头+∅120mm 单弯螺杆+∅120mm定向短接+∅120mm无磁钻铤（内含MWD+Gamma）+∅89mm 钻杆+∅127mm 加重钻杆+∅127mm 钻铤+∅89mm钻杆的倒装钻具组合。为确保有效加压，将钻铤和加重钻杆放在井斜角为45o～60o的井段中。每钻进不超过200m进行一次短起下钻作业，每次短起下钻的长度为200～500m。以物理方式清除井壁上的岩粉，减小摩擦阻力。

（3）优化钻井液性能。区域治理钻井与石油钻井有所不同，四开水平段正常钻进，必须采用无固相钻井液，以防止浆液堵塞裂隙通道。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很好的岩粉携带性能和润滑性能，又要防止阻塞裂隙影响后续注浆效果；配方如下：

0.3%～0.6%抗盐共聚物（GTQ）+0.1%～0.2%包被剂+1%～2%无荧光润滑剂（GULB）。其中抗盐共聚物（GTQ）具有增粘、降滤失、抗污染等功能；包被剂通过物理作用包被泥页岩，防止泥页岩分散影响钻井液性能；荧光润滑剂（GULB）在水平段钻进100m 以后加入。

在实际施工中采用的配方比例为：0.4%抗盐共聚物（GTQ）+0.2%包被剂+1.5%无荧光润滑剂（GULB）。

如遇到断层，钻遇铝土质泥岩、砂质泥岩等水敏性较强的地层，为保证孔内安全，则需要将无固相钻井液转化为低固相钻井液。

4.2 施工结果

葛泉矿区域治理钻探过程中，利用上述技术措施，保证了钻孔的顺利施工，实现了在空间上实钻轨迹与设计轨迹偏差控制在5m以内，如图5所示，钻孔不仅揭露了断层的存在，同时结合其他钻孔资料，还明确了XDF2断层的产状，为后续的区域治理奠定了基础。

图5 实钻轨迹剖面

5 结论及认识

葛泉矿区域治理探查钻孔存在诸多施工难点，包括因目的层埋深浅，造斜点选择范围小，导致造斜段狗腿度大；因水平段长，导致水垂比大，进而产生托压现象。本文采用了四开井身结构，隔离表土砾石层；优化井眼轨迹，采用倒装钻具组合，优化套管的下入，优化钻井液性能等一系列技术措施，能够有效地传递钻压，降低摩擦阻力，保证了钻孔施工顺利进行。

葛泉矿区域治理浅层高水垂比多分支水平孔的顺利施工，可以为其他煤矿浅层煤层的区域治理探查钻孔施工提供借鉴和参考。