地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井試驗研究

倪建明 侯晨

摘要：為高效抽采煤礦采煤工作面采動釋放瓦斯，提高煤礦的安全可靠性，利用XJ650石油鉆機、海藍MWD無線隨鉆測量儀和美國RMRS旋轉(zhuǎn)磁測距儀，在淮北楊柳煤礦1071工作面開展了地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井試驗研究。地面瓦斯抽采井由1個主孔、2個支孔和1個泄水孔組成的L型井組，累計抽采187天，共抽采瓦斯411 005m3，最大抽采瓦斯?jié)舛?4.1%，單日最大瓦斯抽采量8 430m3。該研究成果為煤礦采煤工作面采動瓦斯抽采提供了一種新的技術(shù)方法，可替代現(xiàn)有的地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位瓦斯抽采巷，以達到集成、高效的目標(biāo)，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

關(guān)鍵詞：地面L型定向近水平多分支井；瓦斯抽采；新技術(shù)方法

中圖分類號： TD712文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1098（2017）03-0042-06

Abstract：To reduce the gas extraction cost of working face mining releasing， improve the safety and reliability of the coal mine， the experimental study on L type directional nearly horizontal branch wells for gas extraction had been carried out using XJ650 drilling， MWD apparatus and RMRS Connect meter in Huaibei Yangliu Coal Mine 1071 working face. The L type well group was made up of one main hole， two branch holes and one drain hole. The drainage lasted 187 days for a total gas extraction of 411 005m3 ， with the largest gas concentration 74.1% and the biggest gas extraction 8 430m3.The research result provides a new technical method for gas extraction， which can replace the existing method of ground drilling， high gas drainage drilling and high gas drainage lane to achieve the purpose of integration and high efficiency. The new technical method will have good economic and social benefits.

Key words：L type directional nearly horizontal branch wells； gas extraction； new technical method

煤礦高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層采煤工作面回采期間的瓦斯抽采，一般采用地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔或高位瓦斯抽采巷進行抽采的方式。地面瓦斯抽采立井抽采半徑一般100m左右，布孔多，地礦關(guān)系協(xié)調(diào)困難；井下高位瓦斯抽采孔需布置高位鉆場，且鉆場交替期間抽采效果差；井下高位瓦斯抽采巷掘進工程量大，成本高。

地面定向L型鉆井在石油、頁巖氣開采中已大量運用，具有鉆孔定位準(zhǔn)、施工速度快、可多分支造孔的優(yōu)點。為提高采煤工作面瓦斯抽采效率，降低瓦斯治理成本，提高煤礦安全保障的可靠性，淮北礦業(yè)集團與中煤科工集團西安研究院有限公司合作，在淮北楊柳煤礦開展了地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井試驗研究，目的是替代地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位瓦斯抽采巷，為改進采煤工作面瓦斯治理技術(shù)與工藝進行了有益的嘗試。

1技術(shù)原理

根據(jù)采煤工作面開采過程中瓦斯的運移規(guī)律，借鑒井下井下高位瓦斯抽采孔或高位瓦斯抽采巷的布置層位，采用定向鉆進技術(shù)，在地面布置L型定向近水平多分支瓦斯抽采井。主孔布置于采煤工作面風(fēng)巷下側(cè)50m左右，到達設(shè)計位置后定向造斜，施工近水平多分支孔，支孔平面間距30m左右，鉆孔有效抽采段層位布置在開采煤層頂板采動裂隙帶中。為防止采動后巖層移動造成塌孔，在鉆孔抽采段下入石油篩管。若抽采段鉆孔井斜超過90°，還必須在定向孔最低處施工與井下巷道相通的泄水孔，防止產(chǎn)生水堵。成井后主孔與地面瓦斯抽采泵站連接，實現(xiàn)采煤工作面采動釋放瓦斯的持續(xù)抽采。L型定向近水平多分支瓦斯抽采井布置如圖1～圖2所示。

2關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備選型

2.1關(guān)鍵技術(shù)

柔性鉆桿水平孔鉆進技術(shù)。在近水平順層段采用的鉆具組合為：鉆頭+動力鉆具+無磁鉆鋌+無磁短接+鉆柱穩(wěn)定器+無磁承壓鉆桿+加重鉆桿+斜肩鉆桿+隨鉆震擊器+鉆桿。

特殊泥漿沖洗液循環(huán)技術(shù)。近水平段采用連續(xù)泥漿罐、攪拌器、振動篩、除泥器等設(shè)備，對含沙量、泥餅等性能進行控制。加潤滑劑、抑制劑等提高鉆井液的潤滑性、抑制性和攜砂性，泥餅的摩擦系數(shù)小于0.1，含沙量低于0.5%，低密度固相含量小于12%，鉆井液塑性粘度和動切力的比值不小于2∶1。

鉆孔軌跡控制。為防治抽采孔高低起伏積水、渣，產(chǎn)生水堵現(xiàn)象，便于抽采篩管的下置，要求鉆孔軌跡不能因地層硬度差異或控制誤差，出現(xiàn)較大的曲率變化和高低起伏。

鉆孔抽采段篩管下置。設(shè)計有效瓦斯抽采段長度≤400m，采用Φ127mm×6.5mm篩管，設(shè)計重量15t，長度必須嚴(yán)格控制，不得露出主孔影響抽采；且支孔空白段≥500mm，否則容易造成塌孔。

支孔無底開窗側(cè)鉆。大于90°井斜套管開窗側(cè)鉆在國內(nèi)尚屬首次，需對現(xiàn)有的可回收式封隔器/斜向器進行改造。設(shè)計施工工序為：通井/洗井→下入封隔器/斜向器座封→下入銑錐開窗→成井/洗井后下入篩管→打撈斜向器。

泄水孔精準(zhǔn)貫通鉆進。鉆孔方位、井斜變化大，井下巷道支護的金屬構(gòu)件會對定向儀器產(chǎn)生磁干擾，加之透巷前可能會與井下已施工瓦斯抽采孔、巷道掘進產(chǎn)生的裂隙聯(lián)通而提前漏漿，無法進行巖粉準(zhǔn)確判層，須采用旋轉(zhuǎn)磁測距以確保鉆孔軌跡控制精度。

2.2設(shè)備選型

長水平段鉆井施工要求鉆機具有大扭矩和大給進起拔能力。選用具有回轉(zhuǎn)扭矩大、給進起拔能力強、巖層適應(yīng)性強等特點的XJ650石油鉆機。采用海藍MWD無線隨鉆測量儀實時準(zhǔn)確地顯示井斜、方位、工具面、磁場等井下參數(shù)，對鉆孔軌跡進行嚴(yán)格控制。采用專門改進的可回收軌道式雙向卡瓦封隔器/斜向器實現(xiàn)支孔開窗，同時配備完善的打撈工具。為確保泄水孔準(zhǔn)確透巷，準(zhǔn)備了美國VM公司生產(chǎn)的RMRS旋轉(zhuǎn)磁測距儀，作為MWD的補充定位。

海藍MWD無線隨鉆測量儀系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下測量儀器兩部分組成。地面設(shè)備包括：壓力傳感器、專用數(shù)據(jù)處理儀、遠程數(shù)據(jù)處理器、計算機及有關(guān)連接電纜等。 井下測量儀器主要由定向探管、伽瑪探管、泥漿脈沖發(fā)生器、電池、打撈頭等組成。其工作原理為將傳感器測得的井下參數(shù)按照一定的方式進行編碼，產(chǎn)生脈沖信號，由脈沖器產(chǎn)生壓力變化，使信號傳送到地面，再由地面設(shè)備解碼得出井下參數(shù)[1]，如圖3所示。

3工業(yè)性試驗

3.1試驗地點概況

淮北楊柳煤礦為瓦斯突出礦井，礦井瓦斯絕對涌出量為76.29m3/min，最大相對瓦斯涌出量17.99m3/min。主要開采7、82、10煤層，82、10煤層層間距80～100m。礦井開采10煤層作保護層，解放其上覆的7、82煤層[4]。

1071工作面走向長約1 450m，傾向?qū)捈s180m，煤層傾角4°～13°，煤厚1.21～5.74m，工作面走向俯采傾角10°左右，實測煤層最大瓦斯含量9.99m3/t。采用綜采工藝，平均推進度5m/d[5]。

3.2鉆孔布置

地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井試驗工程，主孔設(shè)計與風(fēng)巷平行，間距50m；由于采煤工作面呈俯采狀態(tài)，為使鉆孔近水平抽采段與煤層保持合適的距離，設(shè)計抽采段孔斜93°～94°。主孔兩側(cè)過最低點約40m分別后退式側(cè)鉆分支孔，與主孔間距30m；鉆孔總位移700～750m，有效抽采段380～400m，設(shè)計抽采覆蓋范圍為風(fēng)巷以內(nèi)100m。在主孔最低段側(cè)鉆施工泄水孔，與工作面風(fēng)巷貫通，防止主孔最低段積水產(chǎn)生水堵，影響抽采效果，如圖6所示。

3.3鉆孔結(jié)構(gòu)

主孔采用三開結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1） 一開表土層直孔段：0～160m，孔徑Φ311mm，過風(fēng)氧化帶至完整基巖層段，下入Φ244.5mm×8.94mm孔口管，水泥固井后壓水試驗檢驗固井質(zhì)量，隔離第四系表土層；

2） 二開定向?qū)倍危?60～750m，孔徑Φ216mm，過最低段40m至上仰段，下入Φ177.8mm×8.05mm技術(shù)套管，最低段位移260～280m，井斜90°，便于泄水孔側(cè)鉆選位，水泥固井后壓水試驗檢驗固井質(zhì)量，隔離煤層頂板含水層；

3） 三開穩(wěn)斜上仰段：750～1 130m，孔徑Φ152mm，鉆孔軌跡位于10煤頂板以上25±5m，靶半寬3m，井斜93～94°穩(wěn)斜上仰，成孔后下入Φ127mm×6.5mm篩管，有效抽采段長380～400m。

3.4試驗效果

地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井施工歷時4個月，共完成1個主孔，2個分支孔和1個泄水孔，累計鉆探進尺2 200m，累計有效抽采段約1 000m。

地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井抽采試驗歷時187天，累計抽采瓦斯411 005m3，日均抽采2 257m3，最大8 430m3/d；抽采瓦斯?jié)舛绕骄?5.3%，最大74.10%，取得了良好的效果。如表1所示，圖8為地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井抽采參數(shù)隨時間變化關(guān)系曲線。

4結(jié)論與建議

工業(yè)性試驗表明，采用地面L型定向近水平多分支鉆孔，抽采采煤工作面采動瓦斯是可行的。本次試驗鉆孔設(shè)計合理，設(shè)備選型科學(xué)，鉆孔定位精確，達到試驗?zāi)康?。通過進一步優(yōu)化，可替代地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位抽采巷，為創(chuàng)新采煤工作面瓦斯治理方法進行了有益的嘗試。建議：

1） 需進一步完善支孔無底開窗側(cè)鉆工藝和設(shè)備，提高開窗成功率。

2） 單純依靠MWD無線隨鉆測量儀，實現(xiàn)地面定向孔與井下巷道的貫通難度較大，需RMRS旋轉(zhuǎn)測距儀配合校正，實現(xiàn)精確制導(dǎo)。同時必須對RMRS系統(tǒng)的供電電源和筆記本電腦等進行改裝，以滿足煤礦井下環(huán)境的使用要求。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯：李麗，范君）