东庞煤矿DB2-E5井侧钻水平钻进技术

李光宏

(河北省地矿局第九地质大队，河北 邢台 054000)

随钻测量技术和螺杆钻具受控定向钻探技术在地质钻探，石油、页岩气钻探等领域中应用较为广泛，然而在煤矿注浆防水治水钻探施工中应用不太普遍。在冀中能源股份有限公司东庞煤矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期工程钻探工程DB2-E5井施工中，针对煤田钻探多为复杂地层，孔壁稳定性差，对钻具组合、泥浆性能要求高的特点，我们采用无线随钻测量技术和螺杆钻具组合，按照设计轨迹定向侧钻、水平钻进达到了预期的要求。

1 工程概况

DB2-E5井是DB2井中第一个侧钻再水平钻进的分支井。该分支井设计目的是充分利用主孔，通过在9号煤下奥灰岩中施工分支井，尽可能的增大奥灰含水层里的注浆面积，达到更好的区域治理效果。

井田内绝大部分被第四系掩盖，仅在井田西部边缘有基岩出露。地层自上而下有第四系，三叠系中统二马营组、下统和尚沟组、刘家沟组，二叠系上统石千峰组、上石盒子组，二叠系下统下石盒子组、山西组，石炭系上统太原组，石炭系中统本溪组，奥陶系中统峰峰组、磁县组、马家沟组。

井田内断裂、褶皱、陷落柱均有，以断裂构造发育为主，且以张及张扭性断裂为主，整个井田显示了略具波状起伏的复杂断块构造特征。

DB2-E5井孔施工区域受北F7′、北F8′，北F9、F17、北F13等断层影响。

DB2-E5分支孔为裸孔段，裸孔孔径152.4 mm，施工层位为奥灰顶界面以下40 m，单孔设计工程量1132.98 m，顺地层倾向施工，全段造斜率为0～11.87°/30 m。为此制定了无线随钻测量定向钻进技术方案。

2 控制点坐标设计

E5孔侧钻点坐标为：X=4123535.2700，Y=38538474.9700，Z=-406.97。

E5孔着陆点坐标为：X=4123588.0000，Y=38538575.0000，Z=-471.58。

控制点E5-1坐标为：X=4123870.0632，Y=38538806.4931，Z=-495.92。

控制点E5-2坐标为：X=4124013.7598，Y=38539076.7470，Z=-525.40。

靶点E5-3坐标为：X=4124224.0227，Y=38539472.1940，Z=-569.85。

3 钻探施工技术方案

3.1 主要钻探设备

TSJ3000型钻机，F-1300型泥浆泵，5LZ120型螺杆钻具(2套)，SDYQ-48型无线随钻测斜仪器(2套)，ZGWS-2200/3P型振动筛(2台套)，ZCS250×2型除砂器，ZCN120×10型除泥器。

3.2 钻井工艺及主要钻具

E5分支井采用螺杆钻具复合定向钻进施工。钻具组合为Ø152.4 mm钻头+Ø121 mm单弯螺杆+MWD短节+Ø121 mm无磁钻铤+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆。

3.3 钻井结构设计

DB2主井设计一开采用Ø445 mm钻头开孔进入基岩层段10 m，下入Ø339.7 mm×9.65 mm石油套管，用水泥做永久性固管；二开采用Ø311 mm钻头开孔施工至2号煤采空区下20 m，下入Ø244.5 mm×8.89 mm石油套管，用水泥做永久性固管；三开进入造斜段，采用Ø215.9 mm钻头依据DB2孔造斜段轨迹控制点设计施工至奥灰岩顶界面以下2 m，下入Ø177.8 mm×8.05 mm石油套管，用水泥做永久性固管；四开采用Ø152.4 mm钻头，进入奥灰岩顶面下着陆点后依据E5分支井侧钻控制点裸孔钻进。

3.4 E5分支井设计轨迹(见图1、图2)

图1 DB2-E5分支孔水平剖面示意图

图2 DB2-E5分支孔垂直剖面示意图

4 无线随钻测量定向钻进施工工艺及技术保证措施

4.1 螺杆钻具规格及性能参数

螺杆钻具规格：5LZ120型螺杆钻具，弯壳体角度有1.25°和1.5°两种。

螺杆钻具性能参数：排量694～1388 L/min，转速140～278 r/min，工作压力降3.2 MPa，输出扭矩2160 N·m，最大压力降4.52 MPa，最大扭矩2869 N·m，工作压力49 kN，最大钻压100 kN，输出功率71 kW。

4.2 无线随钻测量

SDYQ-48型无线随钻测斜仪是一种正脉冲、下置坐键、小直径、可打捞的钻井定向仪器。仪器由地面设备和井下测量仪器两部分组成。

地面设备包括：压力传感器、司钻显示器、地面主机、信号分离器、便携式计算机及相关连接电缆。

井下测量仪器主要包括：定向探管、脉冲发生器、定向坐键短节、井下电池模块、扶正器。

其主要技术指标如下。

井斜角：测量范围0°～180°；测量精度±0.15°；传输分辨率0.088°。

方位角：测量范围0°～360°；测量精度±0.15°；传输分辨率0.088°。

磁性工具面(MTF)：测量范围0°～360°；测量精度±1.0°；传输分辨率2.8°。

高边工具面(HTF)：测量范围0°～360°；测量精度±1.0°；传输分辨率2.8°。

磁性工具面(MTF)/高边工具面(HTF)转换角度：5°。

工具面刷新时间：14 s。

适应的最大井眼曲率：(12°～28°)/30 m。

长测量：停泵→等待2 min→开泵→数据传输；数据传输时间为168 s。

脉冲方式：正脉冲。

电池寿命：150～200 h。

测点位置：距脉冲发生器上端5.70或3.50 m处。

4.3 施工工艺

E5分支井采用Ø152.4 mm钻头+Ø121 mm单弯螺杆+MWD短节+Ø121 mm无磁钻铤+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆组合以复合钻进为主，根据复合增斜情况及时反扣井斜，保证轨迹在靶盒内平稳运行。

钻井参数：钻压20～180 kN，排量12～14 L/s,泵压16～23 MPa。

冲洗液配比：0.1%～0.2%包被剂+0.5%～1%防塌减阻剂+1%～2%润滑剂+0.2%～0.4%增粘剂；冲洗液性能指标：漏斗粘度18～40 s，密度1.01～1.10 g/cm3，pH值7～9。

4.4 施工难点

(1)水平段段长达1264 m，摩阻大，提下钻具困难，岩粉携带困难，易造成卡钻、埋钻事故。

(2)由于注浆封水，需要反复扫孔，控制点位置要求苛刻，钻孔轨迹控制难度大。

(3)钻井液性能选择范围小，容易出现井塌。

(4)断层位置穿过施工难度大。

(5)本分支井地层构造复杂，存在多个断层，在钻进过程中频繁提下钻易扰动井壁，使井壁失稳坍塌。

4.5 侧钻施工技术保证措施

(1)水泥固井需采用高标号水泥，固井水泥浆密度最低为1.85 g/cm3，候凝时间在48 h以上。确保水泥封固井段侧钻点上50 m至侧钻点下70 m为有效封固。

(2)候凝时间充分后，下钻探水泥塞面。开泵扫除顶部混浆后，停泵，探塞面。做承压实验，水泥塞能够承受实际钻压80～100 kN(除去摩阻)无实际进尺时，说明水泥硬度达到侧钻需求。

(3)侧钻时，摆好工具面后，上下活动钻具拉槽1 h；第一米控时4 h，后面的每米控时3 h，直到侧钻出去后，方可加压正常钻进。

(4)接单根时，不能转动钻盘。单根放到底部后，方可开泵。防止提前开泵破坏上部侧壁的支撑水泥，加大侧钻施工难度，造成侧钻失败。

(5)实钻轨迹尽量圆滑，控制好“狗腿”度,保证井下安全,为后期工作打好基础。

(6)侧钻过程中要求操作人员必须是正司钻，要按要求按时、控时操作，送钻均匀，在侧钻中非正常情况下严禁上提钻具，或擅自转动转盘，以免造成台阶冲突，致使侧钻难度增大。如果急需上提钻具，要求做好标记后才能上提。

4.6 水平钻进施工技术保证措施

(1)配动力钻具和MWD仪器和伽马时，定向井工程师必须检查各工具上扣力矩，要求达到推荐力矩方可入井。

(2)每次起下钻,必须要仔细检查钻具，如有问题要立即更换，不能再次下井，钻进中如发生扭矩、悬重、泵压等钻井参数异常变化时，要立即起钻检查，确认正常后方可继续钻进。

(3)由于使用MWD仪器和伽马，泥浆泵的上水一定要平稳，排量要满足马达要求，空气包压力一定要达到循环压力的三分之一，确保仪器工作正常。

(4)固控设备正常运转，钻井液性能符合设计要求。泥浆处理达到四级净化。

(5)钻具入井前必须探伤检查，合格后方可入井。

(6)钻井液润滑净化要有保证，泥浆应该根据施工需要混油及时加入润滑剂，保证全井滑动钻井的需要。

(7)施工期间要求专人扶钻，本着少放、勤放的原则，保证工具面的连续稳定，确保造斜率的正常发挥。同时,保证井下作业安全。

(8)MWD测斜期间做好防卡工作，缩短钻具静止时间,二次测量时,要活动钻具，确保井下安全。具体按照仪器测量工程师安排操作。

(9)井队如需改变钻进参数，如排量、柴油机转速等必须得到定向井人员的确认。

(10)此井为小井眼深井，各项技术难度要求较高，所以施工期间要密切注意与井队及其它协作方的技术沟通和交流，创造良好的施工氛围。

5 施工情况及效果

5.1 施工过程

DB2-E5分支于2018年3月14日开始，采用Ø152.4 mm PDC钻头+1.5°×Ø121 mm螺杆钻具，自孔深545.85 m开始侧钻施工，钻进过程中采用MWD(伽玛)无线随钻测斜仪检测井斜、方位角变化情况，确保靶点符合设计要求。2018年3月26日钻进至1493.35 m漏失，顶漏钻进至1506.34 m，进行注浆，扫水泥结束后，于2018年4月8日继续采用1.5°螺杆钻具钻进，2018年4月8日钻进至1519.01 m漏失，顶漏钻进至1528.59 m，实施注浆，扫水泥结束后，于2018年4月18日改用1.25°螺杆钻进，于2018年4月18日钻进至1608.70 m发生漏失，顶漏钻进至1634.05 m，实施注浆，扫水泥结束后，于2018年4月27日钻进至1643.65 m发生漏失，顶漏钻进至1662.81 m，实施注浆，扫水泥结束后，于5月4日钻进至本分支孔E5-3控制点，孔深1810.60 m，终孔，完成定向钻进工作量1264.75 m。当日提钻抽水，至水清沙净后，注浆封孔，候凝72 h至5月10日，至此，DB2-E5分支竣工。

5.2 DB2-E5分支井设计与实钻关键控制点对比

由于该分支井地层构造复杂，存在多个断层，注浆治理奥灰含水层过程，需要反复注浆扫孔，分支井钻井轨迹控制点要求特别苛刻。

E5分支井实钻控制点与设计控制点对比见表1、图3。

表1 DB2-E5分支井设计与实钻关键控制点对比

图3 DB2-E5分支井设计与实钻关键控制点对比

6 结论和建议

(1)本分支井为注浆井，每次注浆结束后需要马上组织扫孔，但由于分支井设计水垂比过大，后期摩阻大、托压严重，加杆困难，清水扫塞卡钻埋钻风险增加，钻进、扫水泥过程中的井眼轨迹控制是需解决的主要问题。建议优化注浆设计、优化扫塞工艺、加大泥浆性能管控。

(2)由于该治理区域为首次治理，频繁变更施工要求，导致在施工过程中较合同和技术要求额外增加了不少工作量。

(3)E5分支井的成功施工有效地控制了成本，也为其他分支孔在施工中如何保证泥浆脉冲信号的稳定传输，如何解决钻井过程中钻具所受的摩阻大、扭矩大问题提供了经验，增强了防治效果，在煤矿注浆防水治水工作中具有重要意义。