摘要：鹤煤集团十矿1309工作面发生突水事故，造成淹井。结合前期的地面钻孔以及矿井水文资料综合分析，创新性的将石油行业当中的定向多分支水平井生产工艺引入到此次抢险救灾方案当中。拟通过施工定向多水平多分支钻孔进入O2灰岩含水层与L2灰岩含水层，对导水通道和L2灰岩含水层及奥灰含水层进行立体式注浆封堵，形成帷幕切断深部奥灰突水通道的技术路线。而螺杆钻具是实现定向井的器具，它的性能是否效，是否能够适应所在区域地层特点，对整个定向井施工影响巨大。
关键词：螺杆；定向多分支水平井；注浆；堵水
一、项目背景
2017年3月10日，鹤煤集团十矿1309工作面发生突水事故，造成淹井，突水后查明突水水源为奥陶系灰岩水，但突水点不明确，为恢复矿井正常生产，需对1309工作面突水区域进行探查，寻找突水通道，并进行局部注浆加固。通过综合分析，焦煤防治水中心采取多层位多分支水平井对该工作面深部O2含水层与L2含水层突水通道进行探查与注浆封堵，该井型即一个主孔，在不同层位分别进行多分支水平孔施工。为实现钻孔由竖直变为水平，并在主井眼上分层为施工多个分支，需用螺杆钻具进行造斜和侧钻施工。
螺杆是打定向孔的主要器具，采用螺杆钻具施工定向孔能提高钻孔质量，提供精确的地质资料，节约进尺，降低成本，解决许多无法施工的工程难题，因此，它是钻探工程的一种特种工具。焦煤公司防治水中心目前在鹤煤集团十矿1309工作面堵水工程中施工的多层位多分支水平井，属定向井中技术最为复杂的类型，必须在定向测控技术指导下才能施工。在整个定向打钻的过程中，螺杆钻具就起到了不可替代的作用。
在分层、分支施工时均需进行侧钻和造斜。以前侧钻、造斜时一直选用的钻具组合是1.5°/Φ120mm带垫块螺杆，存在如下问题：复合钻进时摩阻大；在之前赵固一矿15011工作面注浆加固工程中曾发生复合钻进时螺杆折断事故；在鹤煤十矿1309工作面注浆堵水工程新1孔主井造斜段施工时，为防止螺杆折断使用不带垫块的1.5°/Φ120mm螺杆，引起造斜率低、不能满足设计要求，后调整钻具组合，使用1.5°/Φ120mm带垫块螺杆施工，虽井斜达到了设计要求，但由于不能进行复合钻进，必须起钻换不带垫块的螺杆进行施工，造成频繁起下钻，耽误生产进度。
为解决带垫块的螺杆不能复合钻进的问题，对螺杆钻具构造进行了研究，根据螺杆构造原理并结合实际施工情况，通过试验合理调整螺杆垫块的位置与厚度，使螺杆既能在造斜率上满足侧钻与造斜段的施工要求，又能在侧钻成功后直接进行复合钻进。改良后的螺杆在实际钻井过程中运用效果良好，达到了预期目标，降低了施工成本，增加了经济效益，并可持续推广使用。
二、实施内容
根据实际施工情况，不带垫块的1.5°/Φ120mm螺杆复合钻进时摩阻较小，螺杆垫块的作用是提高螺杆造斜率，在钻孔内工作时由于垫块作用在井壁，在定向施工时钻头始终保持上翘切削地层，钻出的井眼比不带垫块的螺杆弯曲程度大，但同时由于垫块的原因增加了摩阻，通过调整垫块位置与厚度，在能够保证钻头上翘的同时，减小摩阻，就可实现螺杆安全、高效定向和复合钻进。改良螺杆目前在鹤煤十矿1309工作面注浆堵水工程中正常钻进以及侧钻方面应用效果良好。
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三、创新点
（一）通过试验调整垫块的位置与厚度，把固定造斜能力的单一螺杆变为可调造斜能力的多用途螺杆，满足不同地层造斜及侧钻的施工要求：依据不同的地层情况，定向人员通过试验在鹤煤集团十矿堵水工程中将垫块位置调整至弯点背部距离传动轴侧外壳体100mm，每根钻杆（约9m长）定向钻进4m全角变化率就能达到8°/30m，改良螺杆能根据不同地层进行调整，满足该地层钻进的设计要求。
（二）解决以前1.5°/Φ120mm带垫块螺杆复合钻进时容易折断的弊端，降低钻井风险：通过本项技术将垫块位置前移至传动轴外壳处，在钻进过程中摩阻明显减小，卡钻现象不明显，有效降低了钻井风险。
（三）减少定向钻进时间，增加复合钻进比例，提升钻进效率：在正常钻进过程中定向钻进相对于复合钻进速度要慢，使用改良螺杆后平均每个单根能节约半个小时，每班能多打两个单根，从而增加实际进尺、提升钻进效率。
（四）减少起下钻次数，减少了无效成本支出，提高了钻井效率：使用改良后的螺杆，侧钻结束之后能直接进行复合钻进，从而有效缩短施工工期，降低成本投入，提高钻井效率，并降低工人劳动强度。
四、应用情况
（一）鹤煤十矿多层位多分支水平井封堵O2灰岩强含水层突水通道概况
1、概况
鹤壁十矿矿井水文地质类型为中等，地质类型为极复杂，井田总体为一单斜构造形态。1309工作面北西与1307、1307（改）工作面（已回采结束）相邻，南与F1060断层保护煤柱相邻，东与1311工作面（已回采结束）相邻。地面标高在+155.8～+171.7m之间，无地表水体存在。该工作面煤层距离地面垂深645.8～661.7m，新近系、第四系冲积层厚度194.7～231.2m。工作面回采前，周围采空区老空水已疏放完毕，无顶板和地表水威胁。2016年5月20日和10月21日委托鹤煤公司工程技术研究中心对工作面下顺槽正前和工作面进行了两次物探，圈定四个富水异常区，利用抽放钻对富水异常区进行了验证，没有发现富水异常情况。工作面从2016年12月18日开始回采，截止2017年3月9日已推采100米，有8m3/h底板砂岩水。2017年3月10日，鹤煤集团十矿1309工作面发生突水事故，造成淹井。
结合前期的地面钻孔资料，拟通过施工定向多水平多分支钻孔进入O2灰岩含水层与L2灰岩含水层，并顺层钻进，以F1061大断层和1309工作面底抽巷条带治理为主兼顾1309工作面停采位置采动压力造成的底板破碎带，以堵源为主，查堵结合，查找导水通道及隐伏构造带，对导水通道和L2灰岩含水层及奥灰含水层进行立体式注浆封堵，形成帷幕切断深部奥灰突水通道的技术路线。通过上述方案实施，最终1309工作面残余水量不超过100m3/h，为实施复矿排水和矿井生产创造条件。
2、钻孔设计方案
1309工作面堵水工程设计2个主钻孔（新1孔，新2孔），主孔直孔段分别为632m、540m，造斜段805m、810m，水平孔水平段202-237m。
新1孔、新2孔需分别施工两个层位，水平段分支孔各10个，水平间距20m，在分层时需进行侧钻与造斜施工，水平段每个分支孔均需进行侧钻施工，以确保各分支按设计要求完成，达到探查和封堵突水通道的目的。
五、效果评价
目前，该项技术在鹤煤集团十矿1309工作面堵水工程中各分支孔进行了成功应用，顺利完成了整个钻井进程，得到了井场领导和现场施工人员的普遍认可。通过计算，鹤煤十矿1309工作面注浆堵水工程成本投入20万元，提升有效进尺600m，共计产生经济效益128万元。
本项目实施后，焦煤公司在定向水平井施工期间，能够显著简化施工工序，减少起下钻次数，降低工人劳动强度，提高钻进速度和钻井效率，缩短施工工期，产生巨大的经济效益。目前，该技术正持续在焦煤公司相关井场推广使用，具有巨大的实用性和推广前景。
论文作者:刘鑫,王双哲
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
标签：螺杆论文; 工作面论文; 垫块论文; 含水层论文; 分支论文; 水平论文; 钻孔论文; 《基层建设》2018年第27期论文;