孫昊達，唐勝利，劉徐三

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國煤炭表現(xiàn)為總體資源豐富但地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著煤礦井下鉆探尤其是定向鉆進技術(shù)[1-4]的推廣應(yīng)用，使得定向鉆進技術(shù)和工藝趨近系統(tǒng)和完備。但是在煤礦井下探放水、瓦斯抽采、底板注漿加固、水力壓裂等各種定向長鉆孔的施工過程中，在鉆口孔口段（0～150 m 范圍）遇到各種斷層、破碎帶、褶皺等地質(zhì)異常體的情況不在少數(shù)，同時存在多層煤線等復(fù)雜地層。為了長距離定向鉆孔軌跡能夠在預(yù)定巖層中延伸及施工安全，定向鉆孔孔口段必須設(shè)計套管，以往套管設(shè)計深度也就30～50 m 范圍之間，一般的回轉(zhuǎn)擴孔工藝就能夠滿足施工要求，但是對于超深套管（≥100 m）的安設(shè)，簡單的回轉(zhuǎn)擴孔工藝已經(jīng)不能滿足施工精度，因此，按設(shè)計完成超深套管安設(shè)就成為井下定向鉆進施工前極其重要的一項技術(shù)[5-10]。超深套管安設(shè)一旦出現(xiàn)問題，輕者造成原材料浪費，嚴(yán)重的會造成鉆孔報廢，導(dǎo)致工程施工周期延長。

因此，針對陽泉礦區(qū)新景煤礦井下施工底板梳狀定向鉆孔時，在孔口段安設(shè)套管過程中，遇到鉆孔軌跡偏斜、套管脫扣等等孔內(nèi)事故，研究煤礦井下定向鉆孔孔口段成孔技術(shù)[11-13]就成為實現(xiàn)定向長鉆孔施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 孔口段事故分析和預(yù)防

1.1 鉆孔軌跡偏斜

1）軌跡偏斜分析。由于施工條件制約，鉆孔有時候會布置在地質(zhì)構(gòu)造異常帶和較破碎的巖層段，受構(gòu)造應(yīng)力作用或破碎巖層的影響，孔口段必須安設(shè)套管。一般孔較淺時，簡單的采用先導(dǎo)孔+多級擴孔回轉(zhuǎn)工藝成孔就能滿足下套管[14]，但對于鉆孔較深孔徑較大時，因鉆具組合及鉆進工藝不適配等原因，易造成鉆孔軌跡偏斜，影響鉆孔保直度，導(dǎo)致套管下不到預(yù)計深度。影響鉆孔軌跡偏斜的鉆具因素有：①孔內(nèi)鉆具與孔壁之間環(huán)狀空間的大??；②鉆進時孔內(nèi)鉆具偏斜產(chǎn)生的力矩和造斜力的大小；③孔底鉆具組合與鉆孔延伸存在的傾斜夾角大小。地層因素有：①軟硬互層；②頻繁換層；③鉆孔大角度穿層。

2）軌跡偏斜預(yù)防。預(yù)防鉆孔軌跡偏斜應(yīng)從設(shè)計入手，因為在基巖部分鉆孔軌跡一旦發(fā)生偏斜，設(shè)計軸線與施工軸線的距離偏差誤差過大后，就無法在基巖孔段實施糾斜工作。因此，鉆孔在設(shè)計時應(yīng)以防斜為主，糾偏為輔；在施工先導(dǎo)孔階段，孔內(nèi)鉆具和孔壁環(huán)狀間隙應(yīng)盡可能采取與鉆頭直徑臨近的鉆具，鉆具穩(wěn)定性得到保證，同時盡量使用與鉆頭尺寸接近的穩(wěn)定器，使鉆具在孔內(nèi)達到“滿眼”保直效果。在擴孔階段，擴孔鉆頭其前端的導(dǎo)向鉆頭應(yīng)具有一定的長度，位于擴孔鉆頭前端，盡可能延伸到先導(dǎo)孔內(nèi)，起到扶正導(dǎo)向作用，從而使擴孔軌跡沿著先導(dǎo)孔軌跡延伸。遇到軟硬互層地層，采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝，鉆孔易出現(xiàn)“順層跑”現(xiàn)象，造成鉆孔頂角、方位角錯位，再加上換層多出現(xiàn)軌跡偏斜疊加效應(yīng)，使得鉆孔孔斜更趨嚴(yán)重。因此，預(yù)防此類孔斜問題主要采取改進底部鉆具，同時控制鉆進工藝參數(shù)（鉆壓、鉆速）來解決。多級組合擴孔鉆頭鉆具示意圖如圖1。

圖1 多級組合擴孔鉆頭鉆具示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling tool of multistage combined reaming bit

1.2 套管脫扣

套管脫扣的原因主要在于套管螺紋接頭質(zhì)量和上扣操作2 方面。

螺紋接頭一要考慮管體及接箍材質(zhì)是否符合規(guī)定，以及套管螺紋偏差是否滿足公差要求；二要考慮套管脫扣時的承載載荷與套管柱強度的關(guān)系；三是考慮套管接頭抗粘扣性能是否符合規(guī)定。

下套管過程中，孔內(nèi)下入的套管應(yīng)與鉆孔軸線一致。實際上孔口端套管軸線會與孔內(nèi)底部的套管（尤其上仰孔）形成一定夾角，從而形成偏斜對扣和上扣。上扣過程中，會增加扭矩，或在脫扣前套管已受外力變形，都會導(dǎo)致套管連接強度降低，使套管柱在較低軸向載荷作用下滑脫。或者在孔內(nèi)遇到阻力下套管過程中，因局部套管反轉(zhuǎn)發(fā)生卸扣現(xiàn)象，造成套管脫扣推送失敗。

為防止套管脫扣發(fā)生一般采?。孩佼a(chǎn)品無合格證、有粘扣現(xiàn)象的禁止使用；②避免偏斜對扣上扣現(xiàn)象；③按下套管規(guī)程操作；④上扣前除給絲扣抹黃油外，還應(yīng)纏少量麻繩，提高絲扣粘合力。

1.3 固結(jié)質(zhì)量欠佳

套管下至設(shè)計深度即可固結(jié)注漿。侯凝時間到后掃孔，進行耐壓試驗。若管口周圍出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象或穩(wěn)壓時間過短，都視為固管質(zhì)量不合格。

漏水原因主要有：①套管固結(jié)質(zhì)量不合格，套管與孔壁之間水泥漿充填不密實;②套管質(zhì)量差，壁厚不均勻，容易形成受力薄弱點，導(dǎo)致套管連接點開裂等。預(yù)防措施一是從孔口管外鉆小孔，進行小導(dǎo)管補漿；二是從套管內(nèi)下注漿管進行二次補漿。

2 孔口段成孔技術(shù)應(yīng)用

1）工程概況。陽泉礦區(qū)屬于我國典型的高瓦斯、低透氣性、碎軟煤層發(fā)育的礦區(qū)，區(qū)內(nèi)礦井瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重、治理難度較大。新景煤礦所屬的3#煤層，屬于典型的碎軟、低滲、高瓦斯突出煤層。該礦所處井田位于陽泉礦區(qū)大單斜構(gòu)造的西部，次一級的褶皺構(gòu)造比較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等，即含煤地層斷層較發(fā)育，所處斷層屬層間斷層，大多數(shù)屬落差小于5.0 m。孔口段施工區(qū)域陷落柱比較發(fā)育，在已開采區(qū)的陷落柱密集區(qū)高達13 個/km2。本工程設(shè)計1 個主孔，5 個分支孔，主孔開孔傾角14°，方位角286°，深度600 m，分支孔間距60 m ，總進尺1 050 m。

2）鉆孔結(jié)構(gòu)和施工工藝。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計為2 級：一開孔徑φ215 mm，孔深100 m，下φ146 mm 套管；二開孔徑φ120 mm 至終孔?？卓诙问┕すに嚵鞒倘鐖D2。

圖2 孔口段工藝流程Fig.2 Orifice section process flow diagram

3）先導(dǎo)孔保直鉆進階段。首先施工先導(dǎo)孔，先導(dǎo)孔軌跡控制是整個孔口段能否保直的關(guān)鍵。先導(dǎo)孔保直組合鉆具：“φ120 mmPDC 鉆頭+φ89 mm 螺旋鉆桿+φ118 mm 穩(wěn)定器+φ89 mm 螺旋鉆桿+φ118mm穩(wěn)定器+φ89 mm 螺旋鉆桿+φ118 mm 穩(wěn)定器+φ89 mm 螺旋鉆桿+…”，其中穩(wěn)定器可采用3～4 個等間距布置，回轉(zhuǎn)鉆進開孔，鉆頭輕抵巖面、開泵送水、輕壓慢轉(zhuǎn)，鉆進過程中為防止卡鉆、掉鉆，穩(wěn)定器四翼上焊接硬質(zhì)合金，勻速鉆至設(shè)計孔深。

4）保直擴孔鉆進階段。先導(dǎo)孔施工完進行1 次測斜，保直合乎要求后進行擴孔。根據(jù)施工地層，擴孔可選擇的鉆頭有φ120/φ153 mm、φ153/φ193 mm、φ193/φ215 mm、多級組合擴孔鉆頭4 種類型。具體為：①第1 種方案：常常采取逐級擴孔，擴到直徑215 mm 共需擴孔4 次，擴孔鉆具為“φ120/φ153 mmPDC 擴孔鉆頭＋φ89 mm 螺旋鉆桿＋φ150 mm 穩(wěn)定器＋φ89 mm 螺旋鉆桿＋φ150 mm 穩(wěn)定器＋φ89 mm螺旋鉆桿＋φ150 mm 穩(wěn)定器＋φ89 mm 螺旋鉆桿＋…”，組合而成的保直擴孔組合鉆具，鉆進至設(shè)計孔深提鉆，依次更換大一級擴孔鉆頭和對應(yīng)的穩(wěn)定器，循環(huán)擴至孔徑215 mm，達到設(shè)計深度后洗孔提鉆；②第2 種方案：新研制的多級組合鉆頭擴孔，采用多級組合鉆頭φ120/φ153/φ193 mm 鉆具一次擴到直徑193 mm，再采用φ193/φ215 mm 擴孔鉆頭補擴一次即可。

5）套管安設(shè)階段。鉆進至滿足套管下設(shè)要求孔深、孔徑后，將孔內(nèi)巖粉沖洗干凈方可下套管。將挑選出的合格套管，每根套管絲扣及接頭上，均勻涂抹黃油，纏適量麻繩，第1 根套管前端安裝管靴，依次連接好套管并用鉆機將套管送入孔內(nèi)，管長以進入穩(wěn)定巖層1～2 m 為宜。

6）注漿固結(jié)階段。套管注漿多采用正循環(huán)注漿工藝，采用水灰比為1∶2～1∶1 的單液水泥漿，由稀到稠依次注入，必要時可加入速凝劑，縮短水泥漿凝固時間，注漿結(jié)束侯凝固48 h 以上方可入下一道工序。

7）壓水試驗階段。為了驗證孔口段施工質(zhì)量，在該工序施工完成后，須進行壓水試驗，確定孔口段施工質(zhì)量是否達標(biāo)。采用φ120 mm 鉆頭掃孔，超過套管底部2.0 m 提鉆，用清水進行耐壓試驗，壓力≥10 MPa，穩(wěn)壓時間≥30 min，固結(jié)質(zhì)量合格。

8）定向鉆進。孔口段套管安設(shè)成功后，連接閘閥、防噴裝置以及聯(lián)抽系統(tǒng)，進行定向鉆進至終孔。

3 應(yīng)用效果

1）施工工藝優(yōu)化。在實際施工中，孔口段的施工在先導(dǎo)孔施工完畢后，采取逐級擴孔工藝，擴孔用時3 d，下管時因為發(fā)生了脫扣事故，經(jīng)過打撈未果造成鉆孔報廢。更換場地后重新開孔采取第2 種方案，新鉆具新工藝，擴孔用時1.5 d，不但減少了擴孔次數(shù)（由4 次減少到2 次），而且節(jié)省了工期。不同鉆具不同工藝，優(yōu)化即可達到省時省力的目的。

2）擴孔鉆頭導(dǎo)向改進。擴孔中發(fā)現(xiàn)擴孔鉆頭前端的導(dǎo)向段的直徑及長度直接影響擴孔軌跡的保直效果。直徑過小或者長度過長、過短都會影響擴孔效果，容易因為鉆具組合不協(xié)調(diào)出現(xiàn)鉆孔偏斜現(xiàn)象，在保直擴孔鉆具組合設(shè)計與應(yīng)用時，應(yīng)對導(dǎo)向段進行改進。擴孔鉆頭導(dǎo)向段直徑選擇與先導(dǎo)孔孔徑一致，長度15～35 cm 為宜，側(cè)面鑲焊硬質(zhì)合金，保徑和增強耐磨性，前端面鑲焊硬質(zhì)合金，避免擴孔時出現(xiàn)坍塌掉塊，造成掉鉆或埋鉆事故。

3）固結(jié)質(zhì)量達標(biāo)。套管注漿固結(jié)后的耐壓試驗尤為重要，是后續(xù)定向鉆進及分段水力壓裂能否正常進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果不達標(biāo)，必須采取補救措施，重新檢測。本次施工成功安設(shè)100 m 超深套管，施工過程中，瓦斯噴孔得到很好的預(yù)防，鉆場瓦斯?jié)舛仁冀K未超限，保證了施工安全和工程進度。

4 結(jié) 語

1）針對煤層底板復(fù)雜地質(zhì)條件，采用φ120 mm先導(dǎo)孔保直鉆進+“φ120/φ153 mm+φ150 穩(wěn)定器”鉆具組合+多級組合鉆頭φ153/φ193/φ215 mm 成孔工藝下套管技術(shù)，解決了煤礦井下孔口段套管（φ146 mm）下入深度大于100 m 的技術(shù)難題。

2）通過對孔口段成孔技術(shù)的分析和研究，采用先導(dǎo)孔保直鉆進+多級保直擴孔技術(shù)，孔深在100 m左右時，鉆孔傾角和方位角的偏差能有效控制在0.5%以內(nèi)，不但能夠滿足煤礦井下套管安設(shè)對鉆孔軌跡保直度要求，而且鉆具簡單適用性強。

3）實踐證明，對孔口段成孔技術(shù)進行優(yōu)化，不僅能有效控制孔口段孔內(nèi)事故的發(fā)生，而且縮短了工時50%以上，提高了施工效率。建議研發(fā)煤礦井下雙動力頭履帶式全液壓定向鉆機以期實現(xiàn)跟管與定向鉆進2 種功能。