大口徑瓦斯抽放井的工程實(shí)踐

李志有

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長(zhǎng)治 046011）

大口徑瓦斯抽放井的工程實(shí)踐

李志有*

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長(zhǎng)治 046011）

瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)是造成煤礦生產(chǎn)過程中事故頻發(fā)的重要因素，直接威脅煤礦的安全生產(chǎn)，是煤礦災(zāi)害防治的重點(diǎn)對(duì)象。近年來，高瓦斯礦井開始大規(guī)模施工地面瓦斯抽放孔，通過地面抽放的方式降低瓦斯?jié)舛龋瑥亩佑行У乇Ｕ狭嗣旱V的安全生產(chǎn)。通過潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)最大口徑1.6m的1號(hào)大口徑瓦斯抽放井施工為例，詳細(xì)陳述了大口徑瓦斯抽放孔的施工工藝、工序和經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，有利于為今后同類工程施工提供借鑒。

瓦斯抽放井；施工工藝；大口徑

余吾煤礦是潞安集團(tuán)投資建設(shè)的一座大型現(xiàn)代化礦井，井田面積160.24km2，可采儲(chǔ)量6.79×108t，主采3#煤平均厚度6m，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為800×104t。該礦為高瓦斯礦井，為了充分治理和利用井下瓦斯，該礦近年來通過施工大口徑瓦斯抽放（管道井）的形式將井下瓦斯集中抽至地面瓦斯抽放泵站進(jìn)行發(fā)電，以更好降低井下瓦斯、保障礦井安全生產(chǎn)。

1 工程概況

該井設(shè)計(jì)深度550m，鉆遇地層包括：第四系50m、二疊系上石盒子組396m、二疊系下石盒子組54m、二疊系山西組30m，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：0～85m井徑為?1600mm，85～550m井徑為?1200mm，一開下入規(guī)格為?1300mm×20mm的螺旋管，二開選用規(guī)格為?920mm×18mm的直縫焊接的無縫鋼管。施工過程中首先采用?215.9mm牙輪鉆頭無芯鉆進(jìn)施工先導(dǎo)井眼，再用?400mm、?700mm、?1000mm、?1200mm階梯擴(kuò)孔鉆頭分四級(jí)擴(kuò)孔至終孔，完成下管、固井后，井口預(yù)留法蘭待接入礦方瓦斯抽放系統(tǒng)投入使用。

2 鉆進(jìn)及擴(kuò)眼

2.1 鉆井液調(diào)制

化學(xué)處理劑采用鈉羧甲基纖維素、腐植酸鉀、燒堿和膨潤(rùn)土等材料，全井配置低固相鉆井液，密度1.05～1.15g/cm3，粘度22～28s，失水量8～13，pH值8～9。在鉆井過程中，要根據(jù)井內(nèi)情況及時(shí)調(diào)整鉆井液性能。

2.2 導(dǎo)向井施工

由于大口徑瓦斯抽放井要求井底偏斜非常小，因此為確保井斜最小化、滿足設(shè)計(jì)要求，本次施工分2個(gè)階段進(jìn)行，首先充分發(fā)揮了車載鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便、成井速度快、垂直鉆井能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，利用單位自有的美國(guó)雪姆T130XD型液壓頂驅(qū)式車載鉆機(jī)施工導(dǎo)向孔，采用?215.9mm牙輪鉆頭+滿眼鉆具和鐘擺鉆具無芯鉆進(jìn)施工先導(dǎo)井眼，同時(shí)在“吊打”的基礎(chǔ)上使用隨鉆測(cè)斜儀進(jìn)行連續(xù)測(cè)斜，確保了導(dǎo)向孔孔斜達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，最終導(dǎo)向井施工深度達(dá)566m。

2.3 護(hù)壁鉆進(jìn)

考慮到該井黃土層較厚（50m左右），井徑較大，容易發(fā)生黃土層垮塌，造成埋鉆、孔塌等現(xiàn)象，鉆進(jìn)進(jìn)入基巖2.0m后下入?1300mm×15mm螺旋鋼管，并使用水泥漿進(jìn)行固井封閉。

2.4 擴(kuò)眼

目前大口徑瓦斯抽放井的擴(kuò)眼一般有2種形式，一種是先導(dǎo)孔與巷道貫通，采用自下而上干井反掘擴(kuò)孔；另一種是先導(dǎo)孔到壁龕內(nèi)一定位置（壁龕未挖掘），采用自上而下泥漿護(hù)壁擴(kuò)孔。為了固井方便，我們采用了自上而下泥漿護(hù)壁擴(kuò)孔形式，采用?400mm、?700mm、?1000mm、?1200mm組合鉆頭+塔式鉆具組合進(jìn)行分級(jí)擴(kuò)眼，同時(shí)前一級(jí)擴(kuò)孔可作為后一級(jí)擴(kuò)孔的導(dǎo)向井。擴(kuò)孔過程中，鉆具組合采用“擴(kuò)孔組合牙輪鉆頭+ ?203mm鉆鋌（2根）+?600mm扶正器+?178mm鉆鋌（6根）+?159mm鉆鋌10根（90m）+?127mm鉆桿+主動(dòng)鉆桿”的組合方式，鉆進(jìn)參數(shù)選用大水（F500泵）、大壓（盡可能大，在機(jī)器允許范圍內(nèi)），同時(shí)因孔徑偏大、外沿速率大，盡量采用中低鉆速進(jìn)行鉆進(jìn)。擴(kuò)孔施工以ZJ-3200型水源鉆機(jī)為依托，第一級(jí)采用?400mm鉆頭擴(kuò)孔至566m，第二級(jí)采用?700mm鉆頭擴(kuò)孔至566m，第三級(jí)采用?1000mm鉆頭擴(kuò)孔至566m，第四級(jí)采用?1200mm鉆頭擴(kuò)孔至566m。通過四級(jí)擴(kuò)孔方式有效降低了施工過程中的工作難度，合理節(jié)約了材料的支出費(fèi)用，但一定程度上增加了施工周期。

3 下管

3.1 下管前的準(zhǔn)備工作

下管是大口徑瓦斯抽放井成井過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，尤其余吾煤業(yè)1號(hào)大口徑瓦斯抽放井套管規(guī)格?920mm×18mm、重量288t，對(duì)鉆機(jī)提升能力、設(shè)備完好性和下管操作技術(shù)措施提出了非常高的要求。為確保下管工作順利完成，專門成立了以鉆探、焊接、采購、協(xié)調(diào)等人員為主的下管專業(yè)工作組，切實(shí)將方案設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)施、總體協(xié)調(diào)、后勤配合等責(zé)任全面落實(shí)到了人頭，實(shí)現(xiàn)了職責(zé)明確、統(tǒng)一指揮、協(xié)作配合的工作格局。

3.1.1 圓井

受GZ-3200型鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤及井架尺寸的限制，擴(kuò)孔尺寸最終為?1200mm，盡管?920mm井管與井壁間隙較大，但鑒于孔深較大，必須保證孔的垂直度，因此為保證下管順利，先用鉆頭大于原鉆進(jìn)鉆頭的鉆具進(jìn)行通孔，再利用自制的圓孔器進(jìn)行圓孔。圓孔器結(jié)構(gòu)為：長(zhǎng)度為11m的?920mm×18mm無縫鋼管，將管體低端200～300mm直徑收小20～40mm，并在管體距底端500mm處均布加焊3組保徑肋骨合金（肋骨條厚100mm、長(zhǎng)300mm，每組6個(gè)，每個(gè)肋骨條預(yù)先均布打眼焊接六方保徑合金），探孔器直徑小于鉆頭尺寸30～60mm，螺絲頭焊接牢固，螺絲頭上連接鉆桿長(zhǎng)度大于1.5m。通井時(shí)，在遇阻段即狗腿度較大處應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，加長(zhǎng)磨合時(shí)間，確保上下暢通無阻，才可繼續(xù)往下進(jìn)行，最后用同樣程序加長(zhǎng)探井器至18m長(zhǎng)進(jìn)行二次通井，保證下套管工作順利進(jìn)行。

3.1.2 套管驗(yàn)收和設(shè)備檢修

通過大口徑下管專業(yè)工作組、工程甲方和套管供應(yīng)方共同組成的套管驗(yàn)收組對(duì)全部套管的直度、圓度和焊接質(zhì)量進(jìn)行了驗(yàn)收，將不合格的套管予以及時(shí)更換，驗(yàn)收通過后對(duì)套管逐根丈量、編號(hào)登記，同時(shí)配備定位桿和卡規(guī)定位夾具，將工作管預(yù)先按要求割好穿杠孔。為了確保下管工作的安全進(jìn)行，鉆機(jī)人員詳細(xì)檢查了鉆機(jī)離合器、升降機(jī)制動(dòng)帶、鉆塔等部位，同時(shí)對(duì)天輪、游動(dòng)大鉤、鋼絲繩、繩卡、繃?yán)K和拉力表保險(xiǎn)繩等使用情況逐一進(jìn)行了安全檢查。

3.1.3 輔助加工

水泥浮塞制作：選1根?920mm套管（長(zhǎng)度根據(jù)水泥浮塞在孔內(nèi)的最大深度的抗壓、抗剪強(qiáng)度外加安全系數(shù)來確定），用鋼絲刷把套管內(nèi)壁清理干凈后，沿套管內(nèi)壁焊接?8mm排條，增加水泥塞與套管壁的摩擦力，然后把水灰比為1∶8的水泥漿注入套管后凝72h，最后水泥塞上部做成漏斗狀,以便于注漿鉆具通過。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：一是下管回灌泥漿后，采用略小于套管內(nèi)徑的鉆頭鉆穿水泥浮塞，不需打撈，安全隱患??；二是可以根據(jù)水泥浮塞的入井深度，制作時(shí)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)人為增減水泥浮塞的厚度，保證水泥浮塞有足夠的摩擦力，以滿足下管的需要。

井口帽制作：在鉆桿、鋼板（厚度大于30mm）、套管三體之間加焊三角鋼板焊接加固，鋼板上部外端配有壓力表（大于10MPa），觀察固井過程中水泥的上返和水泥凝固情況，井口帽上部鉆桿預(yù)留大于1.5m、下部大于0.5m，中間鉆桿為?127mm。

3.2 下管作業(yè)

準(zhǔn)備工作結(jié)束后正式進(jìn)行下管作業(yè)，由于套管重量高達(dá)288t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出ZJ-3200型水源鉆機(jī)150t的提升能力，為確保下管安全，本次下管依托500t吊車，采用割孔穿杠、下入浮塞、吊車提吊、鋼絲繩牽引、對(duì)焊連接的綜合下管法進(jìn)行下管。具體根據(jù)負(fù)壓平臺(tái)高度，在不低于管口700mm處對(duì)稱切割?180mm圓孔，穿入穿杠，用鋼絲繩牽引、吊車起吊的方式起吊下管，第一根套管下部收口與順孔管要求相同，分別在0.5m、1.0m和1.5m處對(duì)稱預(yù)留4個(gè)?80mm的孔，為固井水泥預(yù)留通道，同時(shí)在套管外圍6m段每隔0.5m處焊?6mm排條，為后期井內(nèi)連接通風(fēng)管使用用。然后將井管依次下入孔內(nèi)，每根鋼管在端口焊接3～5組扶正片，并通過測(cè)繪儀器和重錘法檢驗(yàn)對(duì)接套管的垂直度，保證管口合縫、同心，然后再用J507焊條進(jìn)行焊縫連接。同時(shí)通過系列計(jì)算決定在孔深280m處下入水泥浮塞，以抵消套管自重，確保下管安全。最終通過各方面的緊密配合，僅用4d就將重達(dá)288t重的?920mm套管下入了孔底。

4 固井

采用“上封口、下敞口”的辦法，用雙泵車固井。即：工作管到位后，下入?127mm鉆桿帶鉆頭鉆穿水泥塞，并將?127mm鉆桿下放至套管底部15m處，用圓形井口版封孔后，循環(huán)鉆井液并洗孔。CTJC40-17Ⅱ電腦控制自動(dòng)泥漿固井設(shè)備和下灰車到位后，依據(jù)井場(chǎng)條件合理布置安放位置，檢查排漿設(shè)備、清水供給、下灰車輛滿足固井要求和確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，使用以上專業(yè)固井設(shè)備通過鉆桿先注入3～5m3低密度前置液試循環(huán)，再連續(xù)注入比重1.70～1.80g/cm3的水泥漿280m3（與理論用量最終一致），根據(jù)井內(nèi)泥漿返出量、泵壓表變化掌握水泥返高情況，待水泥返出井口后，及時(shí)注入替漿液，固井程序結(jié)束后關(guān)閉閥門、憋壓候凝24h，壓力表指示歸零后確定候凝48h后割開井口板，起出鉆具，并用相應(yīng)的鉆頭掃除水泥塞，觀察套管內(nèi)水位變化并確定止水充分后排水，固井成功。

5 結(jié)論與建議

（1）大口徑瓦斯抽放井施工作為近幾年興起并大規(guī)模實(shí)施的工程項(xiàng)目，市場(chǎng)前景十分可觀，但施工過程中難度大、風(fēng)險(xiǎn)大，鉆井、下管、固井緊密相連，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要高度重視，需要在施工過程中組建項(xiàng)目指揮部，實(shí)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、責(zé)任到人、服從大局、協(xié)同配合，確保施工各項(xiàng)工作順利推進(jìn)。

（2）施工過程中我們發(fā)現(xiàn)正循環(huán)擴(kuò)孔泥漿上返速度慢、攜帶巖粉能力差，建議在今后大口徑施工過程中采用氣舉反循環(huán)工藝，保證孔底干凈、鉆進(jìn)效率高。同時(shí)要盡可能合理減少分級(jí)擴(kuò)孔，以縮短工期，提升經(jīng)濟(jì)收益。

（3）采用浮力塞下管時(shí)，當(dāng)孔徑和孔深較大時(shí)，設(shè)計(jì)選用的套管要取樣進(jìn)行套管的側(cè)向擠壓試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)水泥浮塞上部空管段的長(zhǎng)度提供依據(jù)，以防止套管受壓變形。同時(shí)確定水泥浮塞最大入井深度和上部空管段時(shí)，必須保證水泥浮塞的上部套管外壁受泥漿最大側(cè)向壓力小于套管試驗(yàn)的最大側(cè)向壓力，水泥浮塞上部空管段浮力的設(shè)計(jì)，必須保證留有20%的安全提升能力，以防出現(xiàn)特殊情況時(shí)可在現(xiàn)有設(shè)備范圍內(nèi)進(jìn)行處理。

[1]王永全，崔秀忠，鞏建雨.大口徑瓦斯抽放井施工工藝[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21（1）：65-70.

[2]楊文清，宋寬強(qiáng)，姚正民.大口徑瓦斯抽放井施工技術(shù)[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2008，20（8）：77-78.

[3]袁志堅(jiān).提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應(yīng)用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（1）：27-29.

[4]山西省煤炭地質(zhì)114勘查院.余吾煤業(yè)1號(hào)瓦斯抽放孔完井報(bào)告[R].山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，2013.

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1004-5716(2016)12-0014-03

2016-03-01

2016-03-07

李志有（1985-），男（漢族），河北崇禮人，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、煤層氣施工、瓦斯抽放、災(zāi)害治理等方面的管理和技術(shù)工作。