矿井工程施工技术中的帷幕注浆应用难点与对策分析

耿 正

（陕西天地地质有限责任公司，陕西 西安 710054）

在帷幕注浆工程中，水平井施工目的是以富含水层为靶区，以设计的位移点和垂深点为靶点，揭露所钻进地层中富含水层的顶底板，确定富含水层边界，并在富含水层内打通一条注浆通道，以实现对富含水层的封堵，解决“水害”对矿井开采的威胁。本文研究某矿区域内富含水层顶板垂深约400m，富含水层厚度为50m～60m；因要满足注浆封堵构建成帷幕墙，设计的孔与孔水平间距较小，同一孔内设计多条分支孔，在水平段形成平行轨迹。

1 工程基本情况与工艺流程

1.1 工程设计概况

某矿井帷幕注浆工程按照设计要求，形成的帷幕墙走向为东西方向，设计两排主孔，南侧主孔构建成内墙，北侧主孔构建成外墙；南北主孔间距为20m，东西主孔间距为200m。南北主孔为一个孔组，孔组内每个主孔设计4个分支孔，其中3条分支孔东西走向、平行上下分布，分别位于“富含水层”上部、中部和下部，在富含水层中呈扇骨状，分别落在对方主孔的靶区（如图1）。

图1 主孔布置示意图

每个主孔自孔深30m开始造斜，孔深230m稳斜，并逐步施工分支孔，孔深约450m进入水平段（垂深为380m左右、水平位移为190m左右），水平段长约260m；每条支孔间垂深为10m左右。

主孔与支孔设计原则是保证在注浆中能够形成坚实无缝隙的连续墙，以实现对含水层的封堵，避免水害影响矿井开采活动。

1.2 工艺流程

一开：孔径Φ215.9mm，0～约230m，下入Φ177.8×6.91mm孔口管，水泥固井至孔口返浆，做止水效果检查。

二开：孔径Φ152mm，至“富含水层”顶界面下5m～10m，下入Φ139.7×6.2mm套管，隔离“富含水层”风氧化带，与一开套管重叠段为30m，水泥固井，做止水效果检查。二开起始孔深为支孔开窗点。

三开：裸孔段，孔径Φ110mm，每钻进100m起钻注浆，再次扫孔钻进，分段延伸至“富含水层”底界面下15m。

2 水平井技术应用难点

2.1 目标层层厚变化，垂深不同，轨迹控制困难，中靶难度提高

本工程的设计靶区目标层平均有效厚度在5m～10m以下，个别情况厚度小于1m，甚至存在靶区歼灭情况，靶区地层不均匀发育状况较为常见，整体施工难度相对较大。在施工过程中，水平井井眼轨迹控制要求严格，中靶难度逐步提高，必须对井斜、方位及全角变化率的综合控制才能满足施工效果。

2.2 靶区垂深小，水平位移有限制，实施钻进的空间小

为满足工程整体要求，设计的钻孔垂深约400m，水平位移约450m。在构建近似长宽相等、厚为20m的墙体范围内，钻孔接露的地层需要满足注浆全覆盖要求。受到钻孔设计和区域空间约束，本工程水平井施工技术上存在较大难度，原因是本工程靶区为“富含水层”，垂深较小，水平位移受到限定，不同于常规水平井施工要求，依靠常规钻进技术无法满足施工要求。

通过对井身轨迹设计及实际钻进测得（如表1），在增斜位置，全角变化率为48.25°/100m，已超过石油天然气行业标准《钻井井身质量控制规范》中要求的小于15°/100m，安全风险系数大幅增高，上下钻在孔内一侧易形成键槽卡钻、钻具受到极限弯曲力矩易形成疲劳折断、泥浆形成压差易诱发泥饼粘附卡钻、钻柱与孔壁严重摩擦易磨损钻具，孔内部分孔段全角变化率超过规范要求，还会诱发其他意外孔内事故。

表1 某矿井内孔孔身数据

2.3 测量仪器和井底存在盲区

目前较为常用的测量仪器设备主要以MWD为主，因为井底钻头与钻井系统存在着一定的距离盲区，因此在进行操作过程中，技术人员需要依靠自身操作经验进行设备操作，存在着盲区距离估测的状况，会对井眼轨迹控制产生直接干扰。在进入靶区之中，需要准确入靶才能保证最终注浆效果，实际操作相对较为困难。

3 施工难点应对策略

3.1 优化设计井眼轨道剖面

为有效处理上述各项问题，确保水平井施工能够达到预期标准要求，各施工难点能够得到切实攻克，需要做好系统井眼轨道剖面优化处理，以便达到对井眼轨迹的精准管控。技术人员需要按照现有随钻测量仪器以及造斜工具造斜率等情况，对井眼轨道剖面形式展开选择。

按照设计规划，为避免出现增斜过程中造斜率无法满足设计要求的状况，需要设置第一个稳斜段，以便通过对稳斜井段的运用，做好增斜定向操作。

3.2 强化井眼轨迹控制技术

3.2.1 优化钻进参数和钻具组合，强化轨迹控制能力

展开井眼轨迹控制前，需要搜集设计数据，利用控制软件优化钻进参数，选择合适的井斜和方位及钻具组合，对钻压和转速及扭工具面进行精确计算。要针对前期地层资料，对钻遇不同地层的钻进参数进行精准修正，适时调整钻具组合。

需要按照钻进轨迹的造斜率选择造斜工具，以便达到切实强化轨迹控制能力的目标。技术人员可按照实际造斜率，对轨迹控制方案展开调整，保证方案与施工实际情况的契合程度，确保井眼轨迹能够更加符合设计轨迹要求。

3.2.2 构建地质模型，建立可视化轨迹

在进行水平段井眼轨迹控制过程中，通过对前期收集各项资料的运用，展开地质模型建设，为钻进工作提供准确的数据依据。完成地质模型建设之后，结合录井数据以及相关测量数据，对地质模型展开精修，保证模型与实际情况的相符程度，以便为相关操作开展提供可视化依据，确保轨迹能够始终沿设计轨迹钻进，确保钻遇率可以得到切实提高。

3.3 优化泥浆性能，选择合适泥浆工艺

水平井施工泥浆性能尤为重要，要保证良好的携砂能力和流变性能、合适的泥浆密度和滤失性能等。本工程中钻进地层有第四系、新近系松散层覆盖，侏罗系砂岩、砾岩，松散层与基岩不整合接触，侏罗系地层岩溶发育、富水性好，上部极易因泥浆性能而形成包浆、下部因泥浆比重过大发生漏失、或因粘度和固相含量导致携砂困难，因此泥浆性能要时刻观测并适时调整。泥浆密度选择原则是上部用高密度、中固相、高粘度、低滤失性能，下部为低密度、无固相、中粘度、低滤失、低含砂性能泥浆，并且在泥浆的触变性、静切力、PH和胶体率等方面适时控制。

4 结语

本文对类似薄差目标层的水平井施工相关内容介绍，使我们对该种环境下的水平井施工难点以及对应措施有了更加清晰的认识。为妥善解决轨迹控制难度大以及中靶困难等方面的状况，技术人员需要依靠实际勘察，做好各项数据收集，并要通过对具体问题展开分析与研究，明确问题产生主要原因，以便制定出针对性处理困难的优化方案，确保可以通过构建地质模型以及其他手段，达到优化轨迹剖面以及提升轨迹控制质量的目标。