分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的研發與應用

聶新明

(中化地質礦山總局河北地質勘查院，河北 石家莊 050031)

1 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的研發背景

隨著無線隨鉆測量(MWD)技術的發展，隨鉆定向鉆進技術[1-2]逐漸成熟，地面定向多分支鉆孔注漿工藝在煤田奧灰水害地面區域治理方面[3-4]開始廣泛應用，地面定向水平分支注漿鉆孔即先在地面施工一個垂直鉆孔(主孔)達到一定的設計深度，然后應用無線隨鉆測量(MWD)技術進行造斜進入奧灰頂部設計的目的層后，根據具體帶壓開采條件及含水層富水性選擇奧灰頂部(一般奧灰頂面下不大于50 m)或大清灰巖含水層，變為多個水平或似水平分支孔鉆進，沿鉆孔軌跡最大限度揭露奧陶系灰巖裂隙及區內構造帶，通過高壓注漿對鉆孔揭露的裂隙、斷層、陷落柱等導水構造進行封堵，切斷突水通道，保證深部開采工作面的安全。

2017年7月我院與兄弟單位合作共同承攬了“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區奧灰含水層區域注漿改造一期鉆探工程”施工任務，根據《冀中能源集團有限責任公司水害地面區域治理管理規定》，地面定向多分支注漿鉆孔在鉆進過程中，長距離出現孔內泥漿不消耗時或泥漿消耗量<5 m3/h時，每隔50～80 m應進行孔口高壓壓水試驗，根據試驗結果，確定注漿參數[5-6]。由小泵量開始壓水，若無壓力，需要保證壓水量大于孔內容積2倍才能停止壓水，由30 m3/h泵量開始注漿；若壓水過程中有壓力，壓力上升快，最小泵量壓水時壓力仍大于受注含水層最大靜水壓力的2倍，說明該孔段吸漿量很小，則不需要注漿，可以繼續鉆進，進行下一孔段施工。

正在施工的注漿孔，做孔口壓水試驗[7-10]，使用傳統的孔口裝置，需要把孔內鉆具全部提出孔外，地面定向水平多分支注漿鉆孔一般情況下設計孔深大，大多在1500～2000 m，提、下鉆需要耗費大量時間，為了減少提、下鉆次數，縮短施工工期，減輕工人的勞動強度，我們研發出一套分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，使用此裝置做孔口壓水試驗，根據試驗的結果作出判斷，有壓力繼續鉆進，無壓力提鉆注漿。大幅度加快了施工進度。

2 工程施工對鉆孔壓水試驗孔口裝置的要求

2.1 工程施工對鉆孔壓水試驗孔口裝置的基本要求

(1)能夠密封鉆孔，使整個鉆孔形成一個密閉的容腔。

(2)必須有向孔內壓水或注漿的通道。

(3)能夠采集到反映出鉆孔內漏失情況的壓水試驗數據。

2.2 工程施工對不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的要求

(1)能夠滿足工程施工對鉆孔壓水試驗孔口裝置的3項基本要求。

(2)要求能夠實現內外雙重連接與密封。外能夠與孔內套管相連并密封；內能夠與孔內鉆具相連接并密封。

(3)具有足夠的強度，承載起孔內所有鉆具的重力。

(4)連接、拆裝方便，性能可靠。

3 傳統鉆孔壓水試驗孔口裝置的結構及工作原理

該裝置主體是用與孔內型號相同的套管加工而成，下端加工成套管公扣與孔內套管相連接，上端焊接盲板，實現對鉆孔的密封；盲板上開孔裝壓力表，采集壓水試驗孔內數據；主體旁邊開側孔焊接壓水(注漿)管接頭，用以連接壓水或注漿泵。結構如圖1所示。

圖1 傳統鉆孔壓水試驗孔口裝置結構

4 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的結構[11-12]

分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，設計為上下兩部分，用法蘭連接成一個整體，如圖2所示。

圖2 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置結構圖

分體的目的一是為了拆裝方便，二是為克服孔內套管與孔內鉆具不同心時的絲扣連接問題。

此裝置可分解為上接頭和下接頭兩部分。上接頭上有鉆桿母接頭可與主動鉆桿相連，下有鉆桿公接頭可與孔內鉆桿相連；下接頭下有套管公扣與孔內套管相連，下接頭側面裝有壓力表和注水管接頭，壓力表用以采集壓水試驗數據，注水管接頭實際應用時安裝有注水閥門,連接壓水或注漿設備；上下接頭用法蘭連接，法蘭要選用加重法蘭，螺絲用高強度螺絲，要求能夠承受16 MPa以上的抗拉強度，上下法蘭加工有子母口，母口內置O形密封圈，用來壓水密封。

5 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置的現場安裝及使用方法

壓水試驗前，將鉆具提離孔底，卸開主動鉆桿，把裝置下接頭和O形密封膠圈一同套過孔內鉆桿，與孔內套管連接，連接時絲扣處纏繞生料帶以確保密封；裝置上接頭下端與孔內鉆桿連接，上端與主動鉆桿連接緊密后，轉動鉆具與下接頭法蘭對接，用螺絲緊固，完成安裝作業。

鉆桿外壓水作業時，壓水管與注水管閥門連接，主動鉆桿上的高壓膠管管匯閥門關閉，保證孔內密封，實施壓水試驗，通過壓力表獲取孔內資料數據。

此裝置也可進行鉆桿內壓水試驗，管路連接方式相同，關閉注水管閥門，保證孔內密封，打開與主動鉆桿連接的高壓膠管管匯閥門，用生產泵實施壓水作業，通過壓力表獲取孔內資料數據。

6 兩種鉆孔壓水試驗孔口裝置在工程中的應用

6.1 工程實例概況

“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區奧灰含水層區域注漿改造一期鉆探工程”項目是一項通過多分支水平井注漿方式，降低井下采掘期間水害威脅風險的工程[13-14]。本工程共設計DB1、DB2兩個地面主孔，31個水平或似水平分支孔。其中，DB1孔由1個直井段，1個造斜段，16個分支孔(W1、W2…W16)構成；DB2孔由1個直井段，1個造斜段，15個分支孔(E1、E2…E15)構成。設計鉆探工作量2.3萬m。工程施工設計井身軌跡平面投影示意圖如圖3所示。

圖3工程施工設計井身軌跡平面投影

Fig.3Planeprojectionofdesignboreholetrajectory

6.2 鉆孔結構

本工程2個主孔鉆孔結構相同，均為四級結構：設計一開采用?444.5 mm鉆頭開孔進入基巖層段10 m，下入?339.7 mm×9.65 mm石油地質套管，用水泥做永久性固管；二開采用?311.1 mm鉆頭開孔施工至2號煤采空區底板下20 m，下入?244.5 mm×8.89 mm石油地質套管，用水泥做永久性固管；三開進入造斜段，采用?215.9 mm鉆頭施工至奧灰頂界面以下2 m，下入?177.8 mm×9.19 mm石油地質套管，用水泥做永久性固管；四開采用?152.4 mm鉆頭裸孔鉆進，進入奧陶系灰巖頂界面下25 m，進行水平或似水平分支孔鉆進(見圖4)。鉆進過程中若遇到斷層、陷落柱等地質構造導致井眼漏失時，起鉆注漿封堵漏失層段[15]。

圖4 DB1(DB2)孔鉆孔結構

待注漿完成后下鉆掃水泥，繼續鉆進直至終孔。每級入井套管均為“通天”套管。

6.3 主要施工設備及器具

根據設計情況，選擇適合的施工設備，主要有:TSJ3000/445型鉆機、A31-135型井架、3NB500型泥漿泵、2PNL30-80型振動篩臺、多種功率的電動機、發電機組、PMWD-C1型無線隨鉆測斜儀以及其他輔助設備器具。

6.4 兩種孔口壓水試驗裝置應用效果對比

目前該項目正在施工中，兩地面主孔和DB2-E3、DB2-E5、DB2-E4三個水平定向分支孔已經施工結束。DB2-E3和DB2-E5兩分支孔每鉆進80 m段，通過提鉆，下潛水泵抽水洗井，使用傳統孔口裝置進行孔口壓水試驗(見圖5)，完成鉆孔施工；DB2-E4分支孔每鉆進80 m段，在不提鉆情況下，通過施工用的泥漿泵進行注水洗井，使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置進行孔口壓水試驗(見圖6)，完成鉆孔施工?，F在對孔徑、孔斜、孔深、穿過的地層最相似，地理位置最接近,最有可比性的DB2-E5和DB2-E4兩分個支孔(見圖7)進行對比。為了便于比較，DB2-E5和DB2-E4兩個分支孔都從同一孔深(DB2-E4側鉆點，孔深820 m處)進行統計，試驗結果見表1，表2。

對表1、表2進行分析：DB2-E5統計孔段長為990.6 m，DB2-E4統計孔段長為970.25 m。根據鉆孔鉆進過程中，長距離出現孔內泥漿不消耗(正常消耗)或泥漿消耗量<5m3/h時，每隔50～80 m應進行孔口高壓壓水試驗的要求，DB2-E5采用傳統鉆孔壓水試驗孔口裝置進行壓水，共計進行壓水試驗12次，平均每次耗時14.39 h；DB2-E4使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置進行壓水，

圖5 傳統鉆孔壓水試驗孔口裝置工作現場

圖6 分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置工作現場

孔深/m沖洗液消耗/(m3·h-1)提鉆用時/h裝孔口裝置用時/h壓水用時/h拆孔口裝置用時/h下鉆用時/h壓水結論下步工作安排900.00正常4.01113.0不需注漿繼續鉆進980.36正常4.21113.2不需注漿繼續鉆進1059.36正常4.51113.5不需注漿繼續鉆進1137.96正常5.01113.8不需注漿繼續鉆進1217.96正常5.21114.0不需注漿繼續鉆進1297.16正常5.51114.5不需注漿繼續鉆進1376.06正常6.01115.0不需注漿繼續鉆進1456.09正常6.21115.5不需注漿繼續鉆進1493.35正常6.31116.0不需注漿提鉆注漿1528.5935.96.56.5需要注漿提鉆注漿1608.70正常6.81117.0不需注漿繼續鉆進1634.0546.16.88.0需要注漿提鉆注漿1662.8128.57.08.2需要注漿提鉆注漿1742.35正常7.21118.5不需注漿繼續鉆進1810.60正常7.5111不需注漿終孔 每次壓水試驗平均耗時/h 14.39

表2 DB2-E4分支孔不提鉆壓水試驗統計

共計進行壓水試驗10次，平均每次耗時3 h。試驗結果表明，使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置比使用傳統鉆孔壓水試驗孔口裝置進行孔口壓水試驗平均一次可節省提、下鉆時間11.39 h，DB2-E4分支孔共計節省提、下鉆時間113.9 h。

分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置在“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區奧灰含水層區域注漿改造一期鉆探工程”項目后續28個水平分支孔的應用，平均每孔使用10次，大約可節省提、下鉆時間3190 h，可以大幅度縮短施工工期，獲得巨大的經濟效益。

7 結論

(1)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置具有結構簡單、裝卸方便等特點，目前正在申請專利。

(2)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置研發成功后，在“冀中能源股份有限公司東龐礦北井9400采區奧灰含水層區域注漿改造一期鉆探工程”項目中首次應用，使用效果十分理想，受到建設方高度評價。

(3)分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，適用于有套管固井的各種口徑鉆孔孔口壓水試驗。

(4)使用分體式不提鉆鉆孔壓水試驗孔口裝置，在不提鉆的情況下完成孔口壓水試驗作業，可大幅度縮短施工工期，減輕了工人的勞動強度，可減少安全事故的發生，對鉆探工程施工具有重大經濟價值和現實意義。