石門揭煤消突鉆孔復雜情況處理

朱澤斌

（1.北京大地高科地質勘查有限公司，北京 100040； 2.中煤地質集團有限公司，北京 100040）

0 引言

石門揭煤時，煤巖與瓦斯的突出具有強度大、概率高的特點，造成的危害極大，嚴重影響煤礦生產和采掘接替［1-2］。石門揭煤消突通常采用井下鉆孔瓦斯預抽、地面大孔徑瓦斯排放孔抽排以及水力壓沖增透等方式［3］。近年來，北京大地高科地質勘查有限公司與中煤科工集團西安研究院有限公司研發了地面鉆井掏煤預抽輔助消突技術，通過地面鉆井掏煤的方式有效降低了煤體應力和瓦斯壓力，縮短了石門揭煤工期，起到了輔助消突作用［4］。但是地面鉆井掏煤消突鉆孔在施工時容易出現鉆井復雜情況，不僅揭煤效率低，而且安全威脅大［5］。本文通過對安徽淮南謝一礦望風崗礦井-960m水平軌道石門消突鉆孔事故的分析和研究，提出地面鉆井掏煤消突鉆孔復雜處理措施，為地面鉆井掏煤消突關鍵技術突破提供經驗。

1 地質條件

謝一礦位于淮河南岸，為山前坡地-平原隱蔽區，地層特征屬典型的華北地臺型［6］，據鉆探揭露，礦井地層由老至新依次有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系或新近系、第四系。含煤地層包括石炭系太原組，二疊系山西組、上石盒子組、下石盒子組。主要煤層為二疊系上石盒子組、下石盒子組（第三含煤段）。該段下部為淺灰色砂泥巖互層、灰白色細粒砂巖夾砂質泥巖、泥巖，常見菱鐵鮞粒及結核。中、上部以泥巖、砂質泥巖為主，夾薄層細粒砂巖。主采煤層為B10、B11a下、B11a上、B11a 和B11b。

謝一礦-960m 運輸石門揭B11 組煤層（B11b、B11a、B11a下），總厚度8～11m，瓦斯壓力6.5MPa，瓦斯含量13～18m3/t。地層走向為330°左右，煤層傾向為56°，傾角20°。

2 鉆孔設計及質量要求

謝一礦開采深度和突出強度大。為降低井下石門或巷道揭煤的煤與瓦斯突出的風險，緩解采掘接續的問題，在謝一礦-960m 水平運輸石門部署地面輔助消突鉆井［7］。4個鉆孔見煤點沿石門方向（中線）呈近菱形布置（圖1）。

圖1 井位部署及軌道設計平面Figure 1 Well location deployment and track design plane

按照消突技術要求，TMⅡ01 井設計靶點位于-960m 運輸石門中線上，見B11b 煤點到-960m 運輸巷底的垂向距離為3m（法向距離約3.19m）；TMⅡ02 井見B11b 煤點位于-960 運輸石門揭露煤層區域巷道中線南側。為了保證鉆井安全和不影響井下正常生產，TMⅡ01 和TMⅡ02 井均為定向繞障井，井眼軌跡距離礦井已有巷道直線距離不小于20m。本次施工鉆井均采用二開井身結構（圖2）。

圖2 井身結構示意Figure 2 Schematic diagram of well depth structure

3 施工技術難點

首先是地下含水層的存在會引起鉆井液漏失，進而引發井壁破壞；井內涌水量增大，造成井下巷道出水。本次消突鉆孔施工要做好鉆井液設計，避免井內液柱壓力過大，進而壓穿含水層，造成鉆井液漏失。另外，在鉆井過程中要盡量減小鉆柱的抽吸和振動，避免已形成的井壁遭到破壞，造成鉆井液順裂隙導入井下巷道。

其次是要精確控制鉆井井眼軌跡，確保見煤點位于指定消突范圍內，保證地面鉆井輔助消突的效果［8］。本次消突鉆孔要求直井段控制井斜＜3°，實鉆煤層與設計靶點相差＜2m。礦區地層傾角較大，且軟硬巖層互層，為本次鉆井井眼軌跡的控制造成了一定的難度［9-10］。

再次是為保障避障巷道內人員安全，要求井眼距離-817mC15 頂板巷道（-817m 軌順聯巷）和-900mC13 底板巷道不小于20m。因此本次消突鉆孔施工必須適時調整鉆井參數、隨時監測井斜及方位的變化，避免安全距離超標，威脅避障巷道內安全。

4 施工過程

依據井位部署本期施工4 口地面輔助消突鉆井。先期施工的TMⅡ01 井和TMⅡ02 井在鉆井過程中出現了不同的復雜情況，鉆井工期分別為177d和213d。

4.1 原井施工

4.1.1 鉆具組合

由于礦區地層傾角大，為防斜和快速鉆進，一開采用塔式鉆具組合（表1）；二開則采用隨鉆測量儀器（MWD）配合螺桿鉆具進行隨鉆監測和井眼軌跡連續控制［11］，確保實鉆見煤點與設計見煤點距離小于2m。

表1 鉆具組合Table 1 Bottom hole assembly

4.1.2 鉆進參數

一開采用三牙輪鉆頭或PDC 鉆頭，鉆進參數保持低鉆壓、高鉆速鉆進，保證井眼垂直。二開井段采用PDC 鉆頭，鉆進參數保持中鉆壓、中轉速穩定鉆進（表2），保證井眼軌跡平順、圓滑。

表2 鉆頭及鉆井參數Table 2 Bit and drilling parameters

4.1.3 鉆井液體系

使用低固相鉆井液為循環介質。松散層采用了優質膨潤土加適量堿配成低固相泥漿，孔壁形成了較厚泥皮，有效的防止了漏失，取得了較好的效果［12-13］。非煤系層段鉆井液密度控制在1.01～1.05 g/cm3；在煤系層段，鉆井液密度嚴格控制在1.02～1.04g/cm3。出現漏失則加入鋸末、高黏堵漏劑、防塌劑等材料，及時堵漏。

4.1.4 井眼軌跡控制

原TMⅡ01 井和原TMⅡ02 井從一開的115m 開始，下入隨鉆側斜儀（PMWD）和導向鉆具組合，開始定向鉆進施工。對直井段井眼軌跡進行全程隨鉆測量監測，每鉆進1～2 個單根測斜1 次，發現井斜有迅速增大趨勢及時定向糾斜。鉆至造斜點后開始定向施工，每鉆進1個單根測斜1次。

4.2 鉆井復雜情況處理

4.2.1 鉆井液漏失

原TMⅡ01 井鉆進至957.42m，地層巖性為灰色砂質泥巖，突發泥漿全泵量漏失，泥漿消耗量達到20m3/h，漏失量達到50m3，井下-817m 巷道滯后5h開始持續性出水，水量約30m3/h。通過井下電視，發現井壁整體光潔無泥皮，少量部分井段有垮塌現象，115～460m井段存在8處涌水層/點。

為了保證下一步的正常施工，提高鉆井液的黏度至38s，采用小排量進行循環封堵失敗。后注入中 砂27m3和 直 徑3～5mm 石 子5m3，下 鉆 探 底 于735.00m 遇阻。為了確保封堵導水裂隙和涌水層，自井深735.00m 處逐段封固，共注入1.65g/cm3的水泥漿36m3，封固至井口。

掃塞鉆進至867.70m 時發生漏失，鉆井液消耗量達到84m3/h，漏失點（層）和井內水位無法查明。使用密度為1.60g/cm3的早強水泥漿4m3進行堵漏。侯凝48h后掃除水泥塞，建立鉆井液循環，且無明顯消耗，堵漏成功。

為保證TMⅡ01井井眼與-900mC13底k板抽放巷保持安全距離，使用1.76°單彎螺桿和MWD 儀器定向鉆進至910m，成功繞過該巷道障礙，但此時井斜數據已明顯大于設計要求。由于1.76°單彎螺桿實際最大造斜率為8°/30m～9°/30m，無法達到快速降井斜和精確中靶的要求。經研究決定對TMⅡ01井實施封孔側鉆，使用密度為1.74g/cm3水泥漿7m3封孔至808.13m，60h 后掃塞至840.42m 提前劃槽側鉆。劃槽下放速度12m/h。側鉆時采用≤1m/h 的鉆速鉆進至862m，側鉆過程中密切觀察儀器工具面和泵壓變化。側鉆至859m 時根據巖性判斷已側鉆成功，采用正常鉆進速度鉆進至895m 起鉆，更換2°單彎螺桿，以13°/30m 的狗腿度施工至960m，然后起鉆更換小角度螺桿鉆進至完鉆深度。

4.2.2 鉆具刺漏

TMⅡ02 井施工過程中多次發生了鉆具刺漏事故。泵壓突然下降是判斷鉆具刺漏的重要依據，但泵壓的變化又與地面循環系統的密閉性、鉆井液的性能以及地層漏失等密切相關［14］。此時，應立即檢查地面循環泵組和管匯密閉性，測量鉆井液循環進出口密度值，觀察鉆井液液面變化。排除以上因素后，可初步判斷為井下鉆具刺漏。判斷鉆具刺漏的另一個依據是因鉆井液上部循環短路，鉆具上提時會有一定程度的掛卡現象［15］。

TMⅡ02 井初步判斷為刺漏現象后，向井內注入了示蹤劑，部分示蹤劑從鉆具刺漏部位先返出井口，剩余大量示蹤劑后續返出井口，并根據示蹤劑返出時間差推斷出了鉆具刺漏的大概位置。為防止鉆具刺漏免進一步擴大，甚至引起鉆具掉落，采取了起鉆檢查鉆具刺漏位置和更換鉆具的緊急處理措施，成功避免了井下鉆井事故的發生。經檢查，鉆具刺漏位置與初步判斷一致，推斷為井下磨損造成的鉆具刺漏。

5 施工效果

本次TMⅡ01 井和TMⅡ02 井采取了水泥漿堵漏、水泥封孔和側鉆施工等措施，成功處置了鉆井液漏失和地層涌水，避免了大量鉆井液和地層水涌入巷道，達到了鉆井設計要求。

TMⅡ01 井見煤點距離設計靶點2.81m，雖然大于設計要求的2m 靶半徑，但主要是煤層深度的變化造成的，且不影響下一步施工和消突效果，可視為精確中靶；TMⅡ02 井見煤電與設計靶點相差0.76m，滿足設計要求。

TMⅡ01 井距離-817mC15 頂板抽放巷最近距離24.61m，距離-900mC13 底板抽放巷最近距離20.96m；TMⅡ02 井距離-817mC15 頂板抽放巷最近距離23.10m，距離-900mC13 底板抽放巷最近距離24.94m，兩口井的井眼與巷道的安全距離均滿足要求。

6 結語

本次石門揭煤消突鉆孔施工過程中發生了鉆井液漏失和鉆具刺漏等復雜情況，通過水泥漿堵漏、水泥封孔和側鉆施工等措施，成功避免了大量鉆井液和地層水涌入巷道，根據示蹤劑的返出時間差判定了鉆具刺漏的大概位置，并采取了起鉆更換鉆具的處理措施，成功避免了井下鉆井事故的發生，為石門揭煤消突鉆孔的施工提供參考依據。