多分支水平定向孔在斷層探查治理中的應(yīng)用

邱萬蕊

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

水平定向技術(shù)最早應(yīng)用在石油開發(fā)鉆井中，隨著地質(zhì)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)、無線隨鉆測量技術(shù)的不斷發(fā)展，在煤礦頂?shù)装遄{治理得到快速應(yīng)用與發(fā)展。水平定向鉆井一般是先在地面施工垂直段到設(shè)計深度，然后造斜進(jìn)入設(shè)計目的層位，為保障順層鉆進(jìn)，著陸點(diǎn)井斜與地層傾角基本保持一致。通過多分支孔水平定向孔對斷層進(jìn)行探查治理。根據(jù)鉆探施工過程中γ 錄井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液消耗量情況等技術(shù)手段，準(zhǔn)確判定斷層的位置，采用壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)等技術(shù)手段，進(jìn)一步查明斷層帶水文地質(zhì)條件，從而判斷斷層的發(fā)育規(guī)律、規(guī)模及含導(dǎo)水性特征，并通過高壓注漿技術(shù)對斷層帶及兩側(cè)圍巖進(jìn)行注漿加固，使治理區(qū)內(nèi)斷層帶與煤系各含水層的導(dǎo)水通道得到封堵治理。該技術(shù)的應(yīng)用和推廣，拓寬了水平定向井施工技術(shù)的發(fā)展，完善了煤礦防治水技術(shù)手段[1]。

板集煤礦F104-1 正斷層位于首采面110801和接續(xù)面110504 之間，傾角55°～75°，落差0～120 m，延展長度3 800 m，斷層帶寬度0～10.3 m，向下切割至底板奧灰，向上發(fā)育至松散層第四含水層底界，該礦區(qū)第四含水層底界基本無隔水層。而8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采可能存在該斷層受采動影響導(dǎo)通第四含水層和底板灰?guī)r向工作面充水的風(fēng)險[2]。利用多分支水平定向技術(shù)超前對該斷層進(jìn)行探查治理，保障工作面安全生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

板集井田東自F12 斷層，南、西、北均至1 煤層隱伏露頭。該礦井為單一水平（-735 m 水平）上下山開拓，且以F104 斷層為界劃分為東部塊段和西部塊段。其中東部塊段又以-735 m 主石門為界，-735 m 主石門以北為東一開采塊段、以南為東二開采塊段。每個塊段分中上組煤和下組煤2 個采區(qū)開采，全井田共劃分6 個采區(qū)。首采區(qū)首采工作面為東一采區(qū)110801 工作面，根據(jù)現(xiàn)有資料，該區(qū)暫未發(fā)現(xiàn)陷落柱，無封閉不良鉆孔，F(xiàn)104-1斷層及斷層破碎帶受采動影響導(dǎo)通第四含水層和底板灰?guī)r含水層向工作面充水的風(fēng)險較大，需要超前進(jìn)行治理。

2 水平定向孔施工技術(shù)及注漿治理

水平定向孔施工技術(shù)是利用定向螺桿、無線隨鉆測斜儀（MWD）等技術(shù)按照設(shè)計軌跡或者地層傾角進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工，并能鉆進(jìn)一定水平長度孔段的定向鉆井技術(shù)?，F(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)伽瑪錄井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液消耗等技術(shù)手段，準(zhǔn)確及時判斷地層變化，定向技術(shù)人員根據(jù)判層結(jié)果及時調(diào)整鉆孔軌跡，控制鉆孔軌跡在目的層中鉆進(jìn)，最大程度提高對目的層的探查治理效果[3]。

為了解決受8 煤110801 和110804 工作面及后期5 煤回采影響，造成F104-1 斷層導(dǎo)通第四含水層和底板灰?guī)r含水層形成導(dǎo)水通道問題，利用多分支水平定向技術(shù)對F104-1 斷層分進(jìn)行注漿治理，在治理范圍內(nèi)布置2 個定向主孔，6 個分支孔，分上下兩層對F104-1 斷層進(jìn)行探查治理，設(shè)計工程量5 267 m[4]。

2.1 層位選擇

上分層鉆孔D1 孔組治理層位：斷層下盤為8煤層導(dǎo)水裂隙帶上方9 煤頂板第二層砂巖底，終孔位置進(jìn)入斷層帶。

下分層鉆孔D2 孔組治理層位：斷層下盤為太原組10 灰，鉆孔軌跡穿過斷層進(jìn)入上盤太原組4灰附近（圖1）。

圖1 F104-1 斷層探查治理剖面示意Fig.1 Exploration and control profile of No.F104-1 fault

2.2 鉆孔布孔

主孔水平定向段及分支孔與F104-1 斷層發(fā)育方向斜交布置，具體如下。

上分層鉆孔D1 孔組主孔水平段軌跡距F104-1斷層面30 m（下盤），終孔位置進(jìn)入F104-1 斷層帶，分支孔自側(cè)鉆點(diǎn)近水平鉆至F104-1 斷層帶；下分層鉆孔D2 孔組主孔軌跡距F104-1 斷層面50 m（下盤），終孔位置進(jìn)入F104-1 斷層上盤不少于30 m，分支孔自側(cè)鉆點(diǎn)近水平進(jìn)入F104-1 斷層上盤不少于30 m（圖2）。

圖2 工程布置示意Fig.2 Engineering layout

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

（1）直孔段：孔徑311 mm，下入不低于φ244.5mm×8.94 mmJ55 無縫鋼管，下至穩(wěn)定基巖，封閉第四系地層。

（2）造斜段：孔徑216 mm，下入不低于φ177.8mm×8.05 mm J55 無縫鋼管，封閉目的層以上地層。

（3）分支段：孔徑152 mm，裸孔。

2.4 鉆孔軌跡

（1）孔眼全角變化率應(yīng)盡可能小，使孔眼平滑，避免狗腿度太大形成鍵槽。鉆孔及分支水平孔全角變化率控制在8°/30 m 左右，不宜大于11°/30 m。

（2）鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計軌跡平面誤差應(yīng)小于5 m，關(guān)鍵點(diǎn)誤差小于2 m[5]。

2.5 施工順序

多分支水平定向孔施工時，鉆孔順序采取由遠(yuǎn)及近原則依次施工。

2.6 鉆孔施工流程

（1）直井段。鉆至預(yù)定層位后下入一開套管。采用P.O42.5 水泥固井，水泥漿返出孔口，水泥候凝48 h 進(jìn)行打壓試驗(yàn)，檢查合格后進(jìn)入下一步工序。

（2）造斜段段。采用鉆頭加螺桿鉆具配合MWD 無線隨鉆測斜系統(tǒng)定向鉆井，鉆進(jìn)至預(yù)定層位后，下入二開套管，采用P.O42.5 水泥固井。水泥漿返出孔口，水泥候凝72 h 進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后進(jìn)入下一步工序。

（3）主孔水平定向段及各分支孔?？讖骄鶠?52.4 mm，采用鉆頭加螺桿鉆具配合MWD 無線隨鉆測斜系統(tǒng)定向鉆井直至終孔位置。

（4）注漿前進(jìn)行洗孔，目的是將孔壁上的泥皮通過循環(huán)泥漿脫落，達(dá)到?jīng)_洗孔內(nèi)裂隙的目的。

（5）注漿前壓水試驗(yàn)，主要目的是疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙，測定單位受注層透水率。

（6）注漿，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定漿液的初始配比、密度等。在注漿過程中及時根據(jù)實(shí)際情況及時調(diào)整漿液配比。

2.7 注漿治理

注漿治理伴隨著水平定向孔施工的全過程，上分層治理鉆孔孔口注漿壓力不低于6.5 MPa，下分層治理鉆孔孔口注漿壓力不低于12.5 MPa[6]，注漿材料為不低于32.5 號水泥漿液。鉆探施工過程中一旦鉆井液漏失量大于3 m3/h 立即進(jìn)行注漿作業(yè)，若漏失量小于3 m3/h，只進(jìn)行一次終孔注漿。終孔注漿前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定注漿參數(shù)[7]。終止注漿標(biāo)準(zhǔn)以孔口壓力達(dá)到設(shè)計壓力，且穩(wěn)定30 min 吸漿量小于30 L/min，達(dá)到斷層治理的目的。

3 施工難點(diǎn)

（1）第四系地層結(jié)構(gòu)松散，主要巖性為中粗砂、粉細(xì)砂為主，夾雜粘土、砂巖粘土，屬河流相及河漫灘相沉積。D1 主孔自第四系第三隔水層400 m 開始造斜，需井斜85°左右進(jìn)入9 煤頂板砂巖。因第四系地層松散，造斜曲率不易過大，故采用比重1.04～1.01 g/cm3鉆井液保護(hù)孔壁，防止孔壁坍塌；采取低檔、低泥漿泵排量、輕壓、造斜曲率選取3°～6°/30 m[8]，采取多手段保障造斜段按設(shè)計井斜進(jìn)入目的層。

（2）地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜易造成孔內(nèi)事故。此次探查治理對象為可能“活化”的斷層破碎帶，各分支孔均需要揭露該斷層，鉆進(jìn)過程中巖石破碎、鉆井液異常漏失、高水壓等因素將加大水平定向孔施工難度，極易造成卡鉆、埋鉆和定向儀器損壞等事故[9]。

（3）地層起伏較大，跟層鉆進(jìn)困難，需要現(xiàn)場地質(zhì)員及時根據(jù)巖屑和隨鉆伽瑪進(jìn)行判層，定向人員根據(jù)鑒定結(jié)果及時利用MWD 無線隨鉆測斜儀和螺桿定向鉆具進(jìn)行鉆孔軌跡調(diào)整，保證鉆孔軌跡在目的層中鉆進(jìn)。

（4）斷層空間位置的不可確定性，F(xiàn)104-1 斷層空間位置出現(xiàn)擺動，D1、D2 主孔水平定向段預(yù)計斷層位置未見該斷層，初步分析為F104-1 斷層向西北偏移[10]。

4 結(jié) 論

（1）多分支水平段鉆孔在煤礦斷層地面治理工程中取得了顯著的效果，實(shí)現(xiàn)了1 個孔組分序次分段加固治理斷層的目的。

（2）多分支水平段鉆孔為煤礦工作面回采過斷層帶提供了一種有效的地面預(yù)治理技術(shù)手段。

（3）引用石油鉆井技術(shù)解決了煤田地面鉆探工程項目當(dāng)中存在的難題，定向水平孔鉆孔軌跡精度需要深入研究，提高軌跡精度是提高治理效果的一項重要研究課題。