穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井工藝應(yīng)用研究

李 兵， 張永成， 王 森

(1.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000； 2.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；3.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000；4.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

0 引言

傳統(tǒng)的多層煤炭開采方法是“先厚后薄、自上而下”的下行式開采程序?yàn)橹鳎瑸榻档筒煽諈^(qū)下伏煤層瓦斯含量，保障下組煤層安全高效開采，國內(nèi)已經(jīng)開展了穿越采空區(qū)抽采下伏煤層瓦斯地面預(yù)抽鉆井試驗(yàn)，取得了較好的預(yù)抽效果[1-4]。與常規(guī)地面預(yù)抽井相比，穿越采空區(qū)鉆井最大的施工難度在于采用清水鉆進(jìn)穿越采空區(qū)時鉆井液漏失，不能建立正常的循環(huán)；采用空氣鉆進(jìn)穿越采空區(qū)，會將一部分空氣注入與采空區(qū)瓦斯混合，增加煤礦井下生產(chǎn)安全隱患，如何安全高效穿越采空區(qū)鉆進(jìn)值得探討。近年來，國內(nèi)外各油田積極推廣應(yīng)用以氮?dú)鉃檠h(huán)介質(zhì)的鉆井技術(shù)，取得了不錯的效果，但在煤層氣開發(fā)領(lǐng)域，以氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)的鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用極少[5-7]。為此，以晉煤集團(tuán)寺河礦區(qū)穿越采空區(qū)鉆井試驗(yàn)為例，首次嘗試穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井的工藝方法，來探討該工藝的可行性。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況

晉城寺河礦區(qū)位于沁水煤田南部，奧陶系灰?guī)r為煤系地層基底。根據(jù)寺河礦地質(zhì)報告，寺河礦主要煤系地層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，平均厚度136.02 m。含煤14層，煤層總厚14.67 m，含煤系數(shù)10.8%，煤層傾角平均為5°，其中3號和15號為主要可采煤層，3號煤層平均厚度為6.31 m，15號煤層平均厚度為2.5 m，9號為大部可采煤層，平均厚度為1.2 m，其余為不可采煤層。

由于寺河礦采用下行開采順序采煤，部分地區(qū)3號煤層成為采空區(qū)，使得這些地區(qū)9號、15號煤層瓦斯未進(jìn)行有效的地面預(yù)抽。取心測試結(jié)果表明，寺河礦9號煤層平均瓦斯含量為17.84 m3/t；15號煤層平均瓦斯含量為24.10 m3/t。根據(jù)國家安全生產(chǎn)的相關(guān)要求，高瓦斯礦井必須通過地面預(yù)抽將瓦斯降低到國家要求的標(biāo)準(zhǔn)以下方可進(jìn)行開拓部署[8-9]。因此，考慮穿越3號煤層采空區(qū)施工地面預(yù)抽井，對9+15號煤層瓦斯采取先抽后采，保障煤礦安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)瓦斯的高效利用。

2 施工層段的優(yōu)選

在寺河礦區(qū)曾開展過穿越采空區(qū)抽采下伏煤層瓦斯地面預(yù)抽鉆井試驗(yàn)，取得了較好的預(yù)抽效果，但在穿越采空區(qū)鉆井過程中需要解決水鉆漏失嚴(yán)重及空氣鉆安全隱患等相關(guān)問題。為完善穿越采空區(qū)鉆井工藝，開展了穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井試驗(yàn)研究。相對于常規(guī)鉆井，氮?dú)忏@井優(yōu)勢主要表現(xiàn)在能夠保護(hù)儲層、提高機(jī)械鉆速和減少或避免井漏等多個方面；但是，氮?dú)忏@井成本較高，而對于穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井工藝來說，由于開采卸壓的影響，采空區(qū)附近巖層并不穩(wěn)定，整個穿越采空區(qū)鉆井過程存在卡鉆具的風(fēng)險。針對以上劣勢，要求優(yōu)化穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井層段，首先需要對穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井施工層段進(jìn)行研究。

2.1 “上三帶”理論

工作面開采以后，根據(jù)“上三帶”理論，上覆巖層受采動影響的變形帶由下而上的巖層移動分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中，垮落帶由上覆巖層垮落巖石組成；裂隙帶隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生變形與位移，從而裂隙比較發(fā)育；兩者與采空區(qū)具有直接的導(dǎo)通作用[10-12]。為預(yù)防井漏和保障井下安全，穿越采空區(qū)鉆井過程中，要求進(jìn)入裂隙帶之前開始更換氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)相關(guān)研究成果及寺河礦生產(chǎn)地質(zhì)報告的結(jié)論，對寺河礦3號煤層采空區(qū)上部裂隙帶最大高度進(jìn)行計(jì)算，為氮?dú)忏@井層段的選擇提供理論依據(jù)。相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)垮落帶最大高度

(1)

式中：Hk——跨落帶高度，m；∑M——累計(jì)采厚，m。

(2)裂隙帶最大高度

(2)

式中：Hli——裂隙帶最大高度，m。

寺河礦開采3號煤層的平均厚度為6.1 m，取采高∑M=6.1 m，根據(jù)(1)式可計(jì)算垮落帶最大高度為15.00 m(跨落帶計(jì)算取最大值)，根據(jù)式(2)可計(jì)算裂隙帶最大高度59.40 m。依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，氮?dú)忏@井穿越采空區(qū)層段初始位置選擇在煤層頂板74.4 m以上，即鉆至煤層頂板74.4 m左右時考慮更換氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)進(jìn)行鉆井。

2.2 “下三帶”理論

國內(nèi)學(xué)者從預(yù)防底板突水的角度對采場下伏煤巖體的破壞狀態(tài)進(jìn)行了分析，煤層底板的“下三帶”為：底板導(dǎo)水破壞帶、有效隔水層保護(hù)帶和承壓水導(dǎo)升帶[13-15]。對穿越采空區(qū)鉆井來說，鉆遇采動導(dǎo)水裂隙帶會出現(xiàn)和采空區(qū)溝通的情形，這是鉆井過程中需要考慮的因素，氮?dú)忏@井穿越采空區(qū)設(shè)計(jì)考慮鉆穿導(dǎo)水裂隙帶后固井，進(jìn)行封固漏失帶，而后更換常規(guī)鉆井方式至目的層完鉆。因此，需要確定采動導(dǎo)水裂隙帶的深度來指導(dǎo)氮?dú)忏@井穿越采空區(qū)工藝。底板導(dǎo)水裂隙帶的經(jīng)驗(yàn)公式為:

h1=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(3)

式中：h1——底板導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；H——開采深度，m；a——煤層傾角，(°)；L——工作面的長度，m。

根據(jù)研究區(qū)的位置考慮取開采深度H為550 m，煤層傾角a為5°，工作面的長度L為200 m，則底板導(dǎo)水裂隙帶最大高度為22.73 m。因此，采用氮?dú)忏@井穿越采空區(qū)層段要求鉆至3號煤層采空區(qū)底板22.73 m以下進(jìn)行固井封固采空區(qū)，以便后續(xù)采取常規(guī)方式進(jìn)行鉆進(jìn)，節(jié)約能耗和成本。

通過“三帶”理論分析可知，寺河礦區(qū)3號煤層采空區(qū)頂板以上74.4 m及底板以下22.73 m為受煤礦開采影響的鉆井漏失層段，因此考慮在鉆遇該層段過程中采用氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)進(jìn)行鉆進(jìn)，保障安全施工。

2.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上研究結(jié)果，穿越采空區(qū)鉆孔要綜合考慮地層剖面、采空區(qū)及井下復(fù)雜情況來設(shè)置井身結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的井身結(jié)構(gòu)采用三開井身結(jié)構(gòu)，一開?425 mm的鉆頭常規(guī)鉆井開孔，鉆入基巖10 m完鉆，下入?377.7 mm的表層地質(zhì)套管，防止地表粘土坍塌；二開?311.15 mm的鉆頭常規(guī)鉆進(jìn)至3號采空區(qū)頂板以上75 m，更換鉆井方式為氮?dú)忏@井至3號煤層底板以下23 m后完鉆，下入?244.5 mm的套管，水泥返高至3號煤層頂板，封固采空區(qū)段漏失層段；三開?215.9 mm的鉆頭鉆進(jìn)，鉆穿15號煤層底板以下30 m后完鉆，下入?139.7 mm的石油套管，水泥返高至3號煤層頂板以上100 m(見圖1)。

3 氮?dú)忏@井工藝流程

穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井就是以高壓氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)，用空壓機(jī)對空氣進(jìn)行初級加壓，初級加壓的空氣通過匯總管線輸送到制氮機(jī)，制氮機(jī)分離生產(chǎn)出氮?dú)廨斔偷皆鰤簷C(jī)組，增壓機(jī)對氮?dú)膺M(jìn)行再次增壓，通過總管線將高壓氮?dú)饨?jīng)立管三通注入鉆具內(nèi)(中間設(shè)置單流閥、旁通閥和放空管線)，氮?dú)庠诹鹘?jīng)鉆頭時冷卻鉆頭，攜帶鉆屑，再通過井口及排砂管線排出，排砂管裝置上部接入多參數(shù)瓦斯傳感器監(jiān)測裝置，下部接入除塵器和除塵水口，最后將巖屑注入到巖屑池，以此實(shí)現(xiàn)穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井任務(wù)[16-17]。具體流程見圖2。

圖1 穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 氮?dú)忏@井穿越采空區(qū)工藝流程

為使巖粉能順利吹出井外，注氮?dú)忏@進(jìn)施工時應(yīng)保證氮?dú)庾⑷肓俊?00 m3/min，注入壓力≮3.0 MPa。根據(jù)地面工藝流程設(shè)計(jì)配套相應(yīng)的設(shè)備方案，選用空壓機(jī)5臺，工作壓力為2.1～3.5 MPa，排量為40 m3/min；選用制氮機(jī)2臺，每臺制氮機(jī)進(jìn)氣壓力為2.4 MPa，排氣壓力為2.2 MPa，排量為60 m3/min；選用增壓機(jī)3臺，每臺增壓機(jī)進(jìn)氣壓力為2.4 MPa，排氣壓力為6.9 MPa，排量為69 m3/min；此外，要求增壓機(jī)與鉆井設(shè)備之間高壓軟管耐壓能力不得低于12 MPa，在此壓力下能實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定工作。主要配套設(shè)備參數(shù)及數(shù)量見表1。

表1 主要配套設(shè)備參數(shù)及數(shù)量

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

現(xiàn)以SHCK-X井為例。SHCK-X井是為寺河礦區(qū)設(shè)計(jì)的一口穿3號煤層采空區(qū)抽采9+15號煤層氣的一口地面預(yù)抽井，根據(jù)“三帶”理論，該井480～583 m層段為受采空區(qū)影響的漏失帶，對該層段采用氮?dú)忏@井施工，施工過程及工藝如下所述。

SHCK-X井于2017年6月12日一開采用空氣鉆井，一開鉆具組合為?425 mm潛孔錘鉆頭+沖擊器+?159 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+?127 mm鉆桿，鉆壓10～20 kN，轉(zhuǎn)速42～45 r/min，鉆進(jìn)至65.27 m，下入J55-?377.7 mm表層套管至65.27 m，固井水泥返深至地面；二開初期采用空氣鉆進(jìn)，鉆具組合為?311.15 mm潛孔錘鉆頭+沖擊器+?159 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+?127 mm鉆桿，鉆壓20～60 kN，轉(zhuǎn)速45～66 r/min，鉆進(jìn)至485 m左右出現(xiàn)漏失，分析認(rèn)為進(jìn)入了受采空區(qū)影響的施工井段，這與以上“三帶”理論分析的結(jié)論基本吻合，此時啟用氮?dú)獾孛驺@井設(shè)備系統(tǒng)，更換氮?dú)庾鳛殂@井介質(zhì)，鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)速45～72 r/min，氮?dú)忏@井鉆進(jìn)至583 m，下入J55-?377.7 mm技術(shù)套管至579.01 m，固井水泥返深至560.56 m(3號煤層采空區(qū)底板位置)；三開鉆具組合為?215.9 mm潛孔錘鉆頭+沖擊器+?159 mm鉆鋌+轉(zhuǎn)換接頭+?127 mm鉆桿，鉆壓20～80 kN，轉(zhuǎn)速45～72 r/min，采用空氣作為介質(zhì)鉆進(jìn)至684 m完鉆，下入J55-?139.7 mm生產(chǎn)套管至681.51 m，固井水泥返深至459.70 m(達(dá)到或接近3號煤層頂板以上100 m)，主要鉆井工藝參數(shù)見表2。氮?dú)忏@井工藝在SHCK-X井的成功應(yīng)用，證明穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井工藝可行，對解決采空區(qū)下伏煤層瓦斯治理起到了極大地促進(jìn)作用，且鉆井施工中不會對煤礦井下安全生產(chǎn)造成隱患。

表2 主要鉆井工藝參數(shù)

4.2 經(jīng)濟(jì)效益評價

常規(guī)清水鉆進(jìn)穿越采空區(qū)會產(chǎn)生嚴(yán)重的井漏，采用單一的堵漏方法難以從根本上解決問題；空氣穿越采空區(qū)鉆井安全隱患較大，特別是對煤礦井下開采會造成不可預(yù)知的后果。因此，穿越采空區(qū)鉆井除了要考慮工程施工成本以外，主要考慮安全風(fēng)險和隱患，采用惰性氣體氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)實(shí)施穿越采空區(qū)鉆井既保障了施工成功又杜絕了安全隱患。

寺河礦區(qū)采用氮?dú)獯┰讲煽諈^(qū)鉆井估算單井工程費(fèi)用按350萬元/井計(jì)算(含后期相關(guān)工程)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，寺河礦區(qū)過采空區(qū)抽采9+15號煤層氣井單井實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)氣量可達(dá)2000～8000 m3/d，礦井抽采1 m3瓦斯成本約為3.5元，每口井氣量按2000 m3/d計(jì)算，年生產(chǎn)期按300 d，年生產(chǎn)成本按60萬元計(jì)，可為企業(yè)節(jié)約瓦斯抽采費(fèi)用150萬元/年。無論從經(jīng)濟(jì)角度還是從社會角度考慮，該技術(shù)效益都很顯著。

5 結(jié)論

(1)由于寺河礦采用下行開采順序，部分地區(qū)3號煤層成為采空區(qū)，使得這些地區(qū)9號、15號煤層未進(jìn)行有效的地面預(yù)抽。為保障相應(yīng)煤層開采的安全生產(chǎn)，過3號煤層采空區(qū)施工地面預(yù)抽井，對9+15號煤層采取地面瓦斯預(yù)抽措施甚為必要。

(2)氮?dú)忏@井在保護(hù)儲層、提高機(jī)械鉆速、減少或避免井漏等方面優(yōu)勢明顯，但成本較高，通過“三帶”理論分析寺河礦3號煤層采空區(qū)頂板以上74.4 m及底板以下22.73 m為受開采影響的漏失層段，采用氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)進(jìn)行鉆井穿越該層段能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效地穿越井下采空區(qū)。

(3)使用5臺空壓機(jī)并聯(lián)接入制氮機(jī)，制出氮?dú)夂笸ㄟ^3臺增壓機(jī)增壓進(jìn)入孔底的施工方案滿足工藝要求，保障穿越采空區(qū)鉆井施工的順利進(jìn)行。

氮?dú)忏@井工藝在SHCK-X井的成功應(yīng)用，證明穿越采空區(qū)氮?dú)忏@井工藝可行，對解決采空區(qū)下伏煤層瓦斯治理起到了極大地促進(jìn)作用，且施工中不會對煤礦井下安全生產(chǎn)造成隱患。