石門揭煤地面鉆井輔助消突技術(shù)研究

朱澤斌

(北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040)

0 引言

謝一礦是淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司受瓦斯災(zāi)害威脅比較嚴(yán)重的“雙突礦井”，煤層瓦斯壓力大、含量高，石門(巷道)揭煤時間長。對于石門(巷道)揭煤存在安全風(fēng)險的礦井，普遍采用井下鉆孔瓦斯預(yù)抽的方法。該方法存在鉆孔工程量大、施工困難、成本投入高、抽采時間長、影響正常生產(chǎn)規(guī)劃，且有可能在鉆進(jìn)過程中，發(fā)生孔內(nèi)瓦斯突出和瓦斯超限事故的問題。為降低井下揭煤安全風(fēng)險，提高井下打鉆安全系數(shù)，縮短揭煤周期，緩解采掘接續(xù)的問題，北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司與中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司將淮南礦業(yè)集團(tuán)謝一礦望風(fēng)崗礦井-960m水平軌道石門作為技術(shù)實驗地點，完成了謝一礦地面鉆井輔助消突鉆孔工程項目。工程包括2口定向井TM01井、TM02井和1口水平對接井TM03-H井的鉆井。累計掏煤約302m3，抽采瓦斯約46 000m3，達(dá)到了實驗?zāi)康摹?/p>

為進(jìn)一步優(yōu)化完善石門揭煤地面鉆井輔助消突技術(shù)，在謝一礦-960m水平運輸石門進(jìn)行地面鉆井輔助消突工程，進(jìn)行地面鉆井掏煤預(yù)抽瓦斯，降低瓦斯含量和安全壓力，快速揭煤，探索形成適合淮南礦區(qū)強(qiáng)突煤層地面鉆井掏煤預(yù)抽(輔助)防突技術(shù)體系，為類似礦井提供經(jīng)驗。

1 地質(zhì)情況

由于謝一礦開采深度大(-1 200m)，突出強(qiáng)度大(瓦斯壓力6.5MPa),2008年被國家命名為全國唯一的深部開采實驗礦井。主要含煤地層為二疊系上石盒子組、下石盒子組，主采煤層為B10|、B11a下、B11a上、B11a和B11b,煤質(zhì)優(yōu)良，為低硫、低磷、低灰，是煉焦、煉特種鋼的良好煤種資源，屬國家稀缺資源之一。謝一礦-960m運輸石門揭B11組煤層(B11b、B11a、B11a下)，總厚度8～11m，瓦斯壓力6.5MPa,瓦斯含量13～18m3/t。

2 設(shè)備情況

根據(jù)煤儲層的物性參數(shù)及地質(zhì)條件，為保證空氣動力掏煤順利完成，配置的主要設(shè)備見表1。

表 1 鉆井施工主要設(shè)備Table 1 Main drilling equipments

3 鉆孔布置

本工程包含4個鉆孔(TMII01、TMII02、TMII03、TMII04井)，均布置在謝一礦-960m運輸石門，4個鉆孔見煤點沿石門方向(中線)呈近菱形布置(圖1)。

在鉆井過程中根據(jù)已施工井眼見煤情況，不斷調(diào)整井眼的設(shè)計靶點位置。按照消突技術(shù)要求，TMⅡ01井設(shè)計靶點位于-960m運輸石門中線上，見B11b煤點到-960m運輸巷底的垂向距離為3m(按照煤層傾角20°計算，靶點到煤層的法向距離約3.19m)；TMⅡ02井與TMⅡ03井見B11b煤點位于-960m運輸石門揭露煤層區(qū)域巷道中線兩側(cè)，對稱布置，相距12m；TMⅡ04井見B11b煤點到-960m運輸巷頂?shù)拇瓜蚓嚯x為8m(按照煤層傾角20°計算靶點到煤層的法向距離為8.51m)。因為地質(zhì)情況的變化，具體體現(xiàn)為B11b煤層埋深發(fā)生變化，各井B11b見煤點的位置關(guān)系會發(fā)生一定的變化(圖2)。

圖1 井位部署及軌道設(shè)計平面Figure 1 Boreholes layout and track design plan

圖2 實鉆軌跡平面Figure 2 Actual drilling track plan

保證見煤點位于指定消突范圍內(nèi)是地面鉆井輔助消突工程的關(guān)鍵，同時也是其難點。4口井均從一開的115m開始，下入隨鉆側(cè)斜儀(PMWD)和導(dǎo)向鉆具組合，開始定向鉆進(jìn)施工。對直井段井眼軌跡進(jìn)行全程隨鉆測量監(jiān)測，每鉆進(jìn)1～2個單根測斜1次，發(fā)現(xiàn)井斜有迅速增大趨勢時便及時定向糾斜，嚴(yán)格控制井斜小于3°。同時一開井段為有效增加定向效率，使用了直徑較大的螺桿，鉆至造斜點后開始定向施工，每鉆進(jìn)1個單根測斜1次。鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格按照設(shè)計要求，順利鉆達(dá)目標(biāo)區(qū)域，全角變化率、中靶半徑等指標(biāo)全部符合設(shè)計要求和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 施工過程

本次工程包括4口定向井的鉆井、地質(zhì)錄井、定向測量、測井、固井等鉆井施工、機(jī)械擴(kuò)孔掏煤、高壓水射流掏煤、空氣動力掏煤、瓦斯抽采和高壓水泥注漿封孔。

4.1 鉆井施工

1)井身結(jié)構(gòu)。本次施工均采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開采用Ф311.15mm鉆頭鉆進(jìn)至460m，下入鋼級為J55的Ф244.5mm×8.94mm的套管至460m；二開采用Ф215.9mm的鉆頭鉆進(jìn)至B11a下煤層以下10m完鉆，下入鋼級為N80的Ф177.8mm×8.05mm石油套管至B11b煤層頂板，距離煤層1m左右；煤層段裸眼完井。

2)鉆具組合。針對試驗區(qū)地質(zhì)條件相對復(fù)雜、地層傾角大等不利因素，一開及二開直井段鉆進(jìn)以防斜快速鉆進(jìn)為首要任務(wù)。一開采用塔式鉆具組合；二開則采用隨鉆測量儀器(MWD)配合螺桿鉆具進(jìn)行隨鉆監(jiān)測和井眼軌跡連續(xù)控制，確保實鉆見煤點與設(shè)計見煤點距離小于2m。

一開鉆具組合：Ф311.15mmPDC鉆頭+Ф185mm1.5°螺桿+4A11×410定向短節(jié)+Ф165mm無磁鉆鋌(含PMWD)+Ф165mm鉆鋌+4A11×210接頭+Ф114mm鉆桿+頂驅(qū)動力頭；

二開鉆具組合：Ф215.9mmPDC鉆頭+Ф165mm1.25°/1.5°/2°螺桿+ 4A11× 410 定向短節(jié)+Ф165mm無磁鉆鋌(含PMWD)+Ф165mm鉆鋌+4A11×210接頭+Ф114mm鉆桿+頂驅(qū)動力頭。

4.2 機(jī)械擴(kuò)孔掏煤

機(jī)械掏穴技術(shù)是根據(jù)煤層機(jī)械強(qiáng)度低、脆性大、易破碎的特點，使用機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭對煤層進(jìn)行切割、造穴的方法。其工作原理是利用泥漿噴射的反作用力或鉆具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭的刀翼張開，然后由鉆具帶動鉆頭及刀翼旋轉(zhuǎn)切割煤層，從而在目標(biāo)層段形成遠(yuǎn)大于其他井段鉆孔直徑的洞穴。同時，刀翼的旋轉(zhuǎn)也可以攪動洞穴內(nèi)的煤屑，易于將煤屑循環(huán)至地面，提高掏煤效果。該方法簡單方便，成本低廉，易于操作控制，形成的洞穴形狀規(guī)則，為后續(xù)的水力射流切割掏煤和空氣動力造穴掏煤工序提供基礎(chǔ)。

機(jī)械掏穴采用三級擴(kuò)孔的方法。即：第一級，將目標(biāo)層段裸眼孔徑由Φ215.9mm擴(kuò)至Φ350mm；第二級，將目標(biāo)層段裸眼孔徑由Φ350mm擴(kuò)至Φ500mm；第三級，將目標(biāo)層段裸眼孔徑由Φ500mm擴(kuò)至Φ1 200mm，最終形成規(guī)則的、穩(wěn)定的洞穴。

機(jī)械擴(kuò)孔掏煤的目標(biāo)層位為：B11(B11b，B11a，B11a下)組煤層，其中，B11b煤層與B11a煤層之間存在一層厚度約為0.3m的夾矸，B11a煤層與B11a下煤層之間存在一層厚度約4m的夾矸。由于B11a煤層與B11a下煤層之間夾矸較為厚硬，進(jìn)行Φ1 200mm擴(kuò)孔時鉆進(jìn)斷面較大，不利于夾矸的破碎，故對此段夾矸不進(jìn)行1 200mm擴(kuò)孔。在對TMⅡ02井?dāng)U孔過程中，發(fā)現(xiàn)Φ350mm擴(kuò)孔施工后直接使用Φ500mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔時進(jìn)尺緩慢，判斷此處夾矸硬度較大，因此在Φ350mm及Φ500mm擴(kuò)孔工序之間使用Φ430mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，并取得了良好的效果。

TMⅡ01井、TMⅡ02井、TMⅡ03井、TMⅡ04井Ф350mm、Ф430mm、Ф500mm、Ф1 200mm的機(jī)械擴(kuò)孔施工，掏煤量共計179.4 m3，其中Ф350mm機(jī)械擴(kuò)孔掏實際煤量31.1m3，約為理論掏煤量3.28m3的10倍；Ф500mm機(jī)械擴(kuò)孔掏實際煤量26.9m3，約為理論掏煤量4.23m3的7倍；Ф1 200mm機(jī)械擴(kuò)孔掏實際煤量121.4m3，約為理論掏煤量34.97m3的4倍。

4.3 高壓水射流切割掏煤

高壓水射流切割掏煤的目的是在機(jī)械擴(kuò)孔的基礎(chǔ)上繼續(xù)對煤層進(jìn)行切割，同時利用射流的攪動作用，提高煤屑的上返能力，增大洞穴體積，擴(kuò)大煤層應(yīng)力和瓦斯釋放的范圍，為后續(xù)空氣動力造穴提供儲氣空間。

為進(jìn)一步擴(kuò)大洞穴直徑，提高掏煤效果，使用了常規(guī)高壓水射流鉆頭和新型水射流鉆頭兩種鉆頭，對4口井目標(biāo)煤層段進(jìn)行了射流切割擴(kuò)孔作業(yè)，分別完成射流切割進(jìn)尺52.70m和19.33m，沉淀池內(nèi)煤粉體積分別為20.3 m3、12.9 m3，合計33.2m3。

為防止煤層擴(kuò)孔產(chǎn)生的煤屑影響下部煤層的射流擴(kuò)孔施工，在高壓水射流切割擴(kuò)孔采用先擴(kuò)下部煤層(B11a下煤層)，再擴(kuò)上部煤層(B11b和B11a煤層)的施工方式。具體做法為：下鉆至B11a下煤層頂板，自煤層頂板開始自上而下對煤層進(jìn)行射流切割，而后提鉆至B11b煤層頂板，自上而下對B11a及B11b煤層進(jìn)行射流切割擴(kuò)孔。B11b與B11a兩煤層間厚約0.25m的砂泥巖層亦進(jìn)行射流切割。

4.4 空氣動力造穴掏煤

空氣動力造穴是利用壓力激動的方式產(chǎn)生洞穴，即在鉆開煤層段后，從井口注入氣體或氣水混合物，進(jìn)行憋壓，待井內(nèi)壓力上升到一定值后，突然卸壓，使煤層的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生突變，從而使煤層崩落形成一個穩(wěn)定的洞穴。之后再利用空壓機(jī)壓風(fēng)洗井，將脫落的煤粉或煤粒返排至地面，擴(kuò)大洞穴體積，增大煤層的暴露面積，提高井眼周圍煤體的滲透性，增大儲層的導(dǎo)流能力。

謝一礦煤層滲透率較低，煤層厚度大，堅固性系數(shù)(f)為0.27，對于常規(guī)煤層氣開發(fā)來說，不滿足采用空氣動力造穴的條件，但該工程目的是為石門周圍小范圍區(qū)域消突，并且希望盡可能擴(kuò)大煤體的垮塌規(guī)模，使用空氣動力造穴技術(shù)能夠很好地達(dá)到目的要求。由于滲透率較低，煤體結(jié)構(gòu)松軟，空氣動力造穴注氣加壓時，氣體擴(kuò)散范圍有限，在壓力釋放時煤層洞壁的壓力梯度特別大，非常容易造成洞壁大規(guī)模的擴(kuò)大。另外煤壁垮塌呈現(xiàn)粉末狀，較少顆粒，利于煤粉的返排。

空氣動力掏煤工藝流程為：替水→試壓→注氣→放噴→洗井(除塵)→抽采6個階段。其設(shè)備布置如圖3所示。

本次工程對4口定向井進(jìn)行了空氣動力掏煤作業(yè)，共計作業(yè)79次，施工壓力4～8MPa，掏煤量385m3。其中TMⅡ01井空氣動力掏煤作業(yè)17次，最低注氣壓力5.5MPa，最高注氣壓力7.1MPa，掏煤量64m3；TMⅡ02井空氣動力掏煤作業(yè)23次，最低注氣壓力4MPa，最高注氣壓力6.1MPa，掏煤量120m3；TMⅡ03井空氣動力掏煤作業(yè)17次，最低注氣壓力4MPa，最高注氣壓力7MPa，掏煤量165m3；TMⅡ04井空氣動力掏煤作業(yè)22次，最低注氣壓力4MPa，最高注氣壓力8MPa，掏煤量36m3(圖4)。

圖3 空氣動力造穴設(shè)備布置Figure 3 Aerodynamic cavitation equipments layout

圖4 空氣動力掏煤施工壓力分布Figure 4 Aerodynamic cavitation coal cutting-in pressure distribution

5 結(jié)語

本次施工4口井共完成鉆井進(jìn)尺3 952m。Φ350mm共計掏煤井段54.85m，Φ430mm共計掏煤井段12.80m，Φ500mm共計掏煤井段48.85m，Φ1 200mm共計掏煤井段35.43m，水力切割共計56臺班，空氣動力造穴79次，累計掏煤385m3。

通過運用鉆井、機(jī)械擴(kuò)孔掏煤、高壓水射流切割掏煤、空氣動力造穴掏煤等地面鉆井輔助消突技術(shù)預(yù)抽瓦斯，降低瓦斯含量和安全壓力，有效地遏制了高瓦斯壓力和高瓦斯含量下鉆孔“孔突”現(xiàn)象，提高了井下打鉆效率，縮短了石門揭煤工期，降低了石門揭煤安全風(fēng)險，起到了輔助消突作用，為淮南礦區(qū)高瓦斯礦井解決石門揭煤問題提供經(jīng)驗辦法。