金 鑫，郭 輝，彭 冬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

近年來，國內(nèi)大型礦井采用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工井下水平定向長鉆孔進(jìn)行煤礦區(qū)域瓦斯預(yù)抽、水患探查治理、異常區(qū)域超前探測等已經(jīng)逐步成熟[1]。石智軍等[2-3]研究表明，大功率隨鉆測量定向鉆進(jìn)裝備可以滿足煤礦井下2 570m和3 353m順煤層超深瓦斯抽采定向鉆孔施工要求。方俊、金鑫等[4-8]研究表明，井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)及配套裝備可以精準(zhǔn)探測老空水、底板奧灰水等各種隱伏構(gòu)造，這種探測手段具有精確可控、探測覆蓋范圍較廣等優(yōu)勢，但是此種技術(shù)在煤礦井下遠(yuǎn)端精準(zhǔn)對接應(yīng)用領(lǐng)域尚未做進(jìn)一步研究。石智軍等[9]提出了一種基于旋轉(zhuǎn)磁場地位技術(shù)的地面煤層氣井精準(zhǔn)對接鉆井及完井工藝，并應(yīng)用于晉城礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)，取得了良好效果，但該技術(shù)在煤礦井下對接鉆進(jìn)中應(yīng)用效果有待進(jìn)一步檢驗。

本文結(jié)合神華神東保德煤礦8號煤層的地質(zhì)條件，采用井下隨鉆測量定向鉆探技術(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場定位技術(shù)相結(jié)合的方式，降低井下定向長鉆孔軌跡控制誤差、提高中靶率，遠(yuǎn)端對接連通井下定向長鉆孔與地面U型井組直井，擬達(dá)到改變地面U型井組抽采方式，降低了煤礦區(qū)域瓦斯排采成本的目的。

1 井下遠(yuǎn)端水平對接鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)特點

煤礦井下遠(yuǎn)端水平對接鉆孔是指煤礦井下水平定向長鉆孔與直井井口水平間距大于500 m的其他地面井組在目標(biāo)煤層中進(jìn)行精準(zhǔn)對接連通。此類鉆孔鉆進(jìn)工藝集成了無線隨鉆測量定向長鉆孔鉆進(jìn)、復(fù)合定向鉆進(jìn)、旋轉(zhuǎn)磁測距、本煤層定向長鉆孔側(cè)鉆開分支孔等多項先進(jìn)技術(shù)。該工藝具有施工難度大、對鉆探裝備和工藝技術(shù)要求較高等特點。其中，旋轉(zhuǎn)磁測距技術(shù)可以降低傳統(tǒng)定向長鉆孔軌跡測量累積誤差、消除靶點標(biāo)定誤差，進(jìn)而實現(xiàn)定向鉆孔與地面U型井組直井洞穴精準(zhǔn)對接連通。

2 井下遠(yuǎn)端水平對接鉆進(jìn)技術(shù)研究

2.1 井下對接鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

井下對接鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計需要遵循以下原則：①定向鉆孔孔徑與測量儀器機具相匹配；②套管段長度應(yīng)有利于封固孔口不穩(wěn)定地層；③鉆進(jìn)過程中確保安全、高效、精準(zhǔn)且低成本完鉆；④對接孔段施工所用的旋轉(zhuǎn)強磁短節(jié)應(yīng)綜合考慮鉆孔孔徑、套管尺寸、鉆具規(guī)格等因素進(jìn)行選?。虎輰鱼@孔鉆進(jìn)至RMRS儀器的信號探測范圍(≤120 m)時，應(yīng)更換帶有旋轉(zhuǎn)強磁短節(jié)的鉆具組合。

2.2 鉆孔軌跡控制

井下遠(yuǎn)端水平對接鉆孔的軌跡控制主要利用目前煤礦井下先進(jìn)的泥漿脈沖無線隨鉆測量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)來實現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理是采用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)監(jiān)測鉆孔軌跡參數(shù)，螺桿馬達(dá)提供孔底動力，無線隨鉆測量系統(tǒng)主要通過采集鉆孔孔深、鉆孔傾角、鉆孔方位角等數(shù)據(jù)來生成鉆孔實際軌跡。通過對比分析實鉆鉆孔軌跡與設(shè)計鉆孔軌跡的偏差來調(diào)整鉆孔軌跡。當(dāng)需要糾斜時，通過調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角實施滑動定向鉆進(jìn)；當(dāng)需要穩(wěn)斜時，可以實施復(fù)合鉆進(jìn)，這種鉆進(jìn)方式不僅可以提高鉆頭碎巖效率，還有輔助巖屑上返、降低鉆具摩擦阻力的作用，進(jìn)而實現(xiàn)精確、高效、安全定向鉆進(jìn)[10-11]。

2.3 對接工藝技術(shù)

井下遠(yuǎn)端水平對接工藝主要采用旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)向測距法來實現(xiàn)，其配套設(shè)備主要井下測量設(shè)備(包括測量探管、加重桿、旋轉(zhuǎn)強磁短節(jié)等)和地面附屬設(shè)備(包括無線調(diào)節(jié)器、電源等)兩部分組成，具體裝備配置情況見表1。具體對接工藝技術(shù)為：①施工井組直井目標(biāo)煤層段洞穴，確保直井洞穴高度≥目標(biāo)煤層厚度，直井洞穴直徑≥500 mm；②測量井組直井目標(biāo)煤層段洞穴位置；③在直井洞穴對接靶點上方1.0～1.5 m處，下入RMRS測量探管；④當(dāng)井下水平對接鉆孔鉆進(jìn)至距離直井洞穴段靶點約80 m時，RMRS測量探管可以逐漸接收到旋轉(zhuǎn)強磁短節(jié)發(fā)送的穩(wěn)定磁信號；⑤根據(jù)地面無線調(diào)制解調(diào)設(shè)備接收到的強磁接頭測點數(shù)據(jù)可以計算出對接點鉆頭與直井洞穴的距離、方位角和傾角偏差，進(jìn)一步可以確定水平對接鉆孔與直井洞穴的相對位置關(guān)系；⑥通過調(diào)整井下水平對接鉆孔中螺桿馬達(dá)的工具面向角，采用井下滑動定向鉆進(jìn)造斜調(diào)整鉆孔軌跡，完成與直井洞穴貫通。

表1 RMRS裝備配置

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2019年7月，利用煤礦井下遠(yuǎn)端水平定向長鉆孔對接鉆進(jìn)技術(shù)在保德煤礦施工完成一個主孔孔深為1 544 m水平對接鉆孔，該鉆孔成功與地面U型井組直井洞穴順利連通，首次實現(xiàn)煤礦井下水平定向長鉆孔與地面直井遠(yuǎn)端對接連通，將地面井組連通到煤礦井下抽采系統(tǒng)中，降低了原地面U型井組的排采成本。

3.1 地質(zhì)概況

保德煤礦8號煤層為礦區(qū)主采煤層，該煤層總體上近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為3 °～7 °，平均4 °左右。煤層厚度基本趨于穩(wěn)定，開口處煤層厚度6.88 m，進(jìn)入古河流沖刷帶之后煤厚7.2 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸4～5層，巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，單層夾矸最大厚度1.4 m。

遠(yuǎn)端水平對接鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)研究區(qū)域巷道直接頂為灰黑色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理，見植物化石，厚度為12.6 m左右；老頂為粉砂巖，含植物根跡化石，水平層理發(fā)育，厚度為3.48 m左右；底板為深灰色細(xì)粒砂巖，主要成份石英、次為炭屑，分選中等，次棱角狀顆粒；8號煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層相對均勻且連續(xù)性好，普氏硬度系數(shù)f>0.72，此類地質(zhì)條件適合施工遠(yuǎn)端水平對接鉆孔。

3.2 實鉆鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)施工地點的具體地質(zhì)條件，遠(yuǎn)端水平對接鉆孔(1號鉆孔)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表2， 水平對接鉆孔與地面U型井組直井洞穴對接示意圖如圖1所示。

表2 水平對接鉆孔實鉆參數(shù)

圖1 對接鉆孔與地面U型井組直井對接示意Figure 1 Schematic diagram of docking borehole and surfaceU typed well group straight well interpenetration

3.3 實鉆效果

保德煤礦井下對接鉆孔連通過程共進(jìn)行兩次連通施工，當(dāng)對接鉆孔施工至1 383 m時起鉆，孔內(nèi)鉆具更換為Ф120 mm三翼拋物線型PDC定向鉆頭+旋轉(zhuǎn)強磁短節(jié)+Ф89 mm單彎螺桿馬達(dá)(1.25°)+轉(zhuǎn)換接頭+Ф91 mm下無磁鉆桿+隨鉆測量探管+Ф91 mm上無磁鉆桿+Ф89 mm鉆桿的對接孔段鉆具組合，將強磁接頭安裝在螺桿馬達(dá)尾部，使其與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)并發(fā)射磁性信號。鉆進(jìn)至1512 m時，將RMRS測量探管安裝在神華平-01V井，用神華平-01V井內(nèi)的RMRS測量探管接收井下對接鉆孔中鉆頭附近旋轉(zhuǎn)強磁短節(jié)發(fā)出的強磁信號。鉆進(jìn)至1 533 m時，經(jīng)計算垂深相差15 m，水平偏差27.44 m，已鎖定靶點位置，但無調(diào)整空間。退鉆至1 089 m處開分支，1號水平對接鉆孔使用泥漿脈沖無線隨鉆測量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆孔軌跡控制，在定向鉆進(jìn)至1 452 m時，獲取了穩(wěn)定的強磁信號，及時糾正方向，使其靠近靶點目標(biāo)；當(dāng)鉆進(jìn)至1 485 m時，計算出強磁短節(jié)的標(biāo)高為543.77 m，靶點標(biāo)高為543.72 m，垂深已達(dá)到連通要求，左右偏差2.29 m，方位角偏差13.9°，開始穩(wěn)傾角、增方位；通過對地面計算機接收到的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析計算，可以確定鉆頭處對接磁發(fā)生裝置與地面神華平-01V井中接收探管的相對位置關(guān)系。當(dāng)定向鉆進(jìn)至測深1 544 m時，井下孔口返水突然變大，神華平-01V井出氣量變大，判定對接鉆孔與神華平-01V井直井連通成功。對接鉆孔平面軌跡如圖2所示。

圖2 對接鉆孔平面Figure 2 Docking borehole planar graph

井下鉆孔開孔點與神華平-01V井直井水平間距1 528m，該鉆孔完鉆總進(jìn)尺為1 988 m，水平對接鉆孔主孔鉆至1 544 m處與地面U型井組神華平-01V井成功對接連通。該鉆孔的成功貫通不僅提高地面煤層氣井組抽采效率，而且解決排采井成本高、征地費用高等問題。井下遠(yuǎn)端水平對接鉆孔與地面U型井組直井的成功對接連通，實現(xiàn)了由單一地面井組抽采瓦斯改為井下、地面立體式聯(lián)合抽采。1號對接鉆孔自2019年7月2日開始排采，截至2019年11月7日累計抽采瓦斯純量超過400 000 m3，平均日產(chǎn)氣量超過3 000 m3，最高日產(chǎn)氣量已超過5 000 m3。

4 結(jié)論

1)煤礦井下遠(yuǎn)端水平對接技術(shù)綜合應(yīng)用了泥漿脈沖無線隨鉆測量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)和主動磁測距技術(shù)來實現(xiàn)軌跡控制、精準(zhǔn)對接貫通。

2)煤礦井下遠(yuǎn)端水平對接鉆孔與地面U型井組直井成功貫通為煤礦區(qū)井下和地面井組抽采系統(tǒng)構(gòu)建了連通通道，降低了煤礦區(qū)域瓦斯排采成本，為井下、地面立體式聯(lián)合抽采模式的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。