采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)研究

付軍輝

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

對(duì)于高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井，瓦斯治理是煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)。井下煤層鉆孔、頂板鉆孔、頂板巷道及鄰近層抽采受井下空間、時(shí)間限制較大，不能完全地解決煤礦井下的瓦斯問題[1-3]。經(jīng)過多年的研究，發(fā)現(xiàn)通過地表施工地面井抽采是一種較好的方法。采用地面井瓦斯抽采技術(shù)能緩解煤礦的瓦斯治理壓力。當(dāng)采煤工作面采煤推進(jìn)井位后，地面井繼續(xù)抽采采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)的瓦斯，解決采空區(qū)瓦斯的隱患[4，5]。地面井具有不受井下位置限制、施工方便等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)地面井抽采的煤層氣能方便地進(jìn)行集輸、利用。采動(dòng)區(qū)地面井抽采充分利用了采動(dòng)卸壓作用，是煤礦區(qū)瓦斯地面井抽采的一種重要方式，彌補(bǔ)了井下常規(guī)瓦斯抽采不能很好解決瓦斯問題的不足[6，7]。但是煤層回采回采過程中會(huì)產(chǎn)生劇烈的上覆巖層運(yùn)動(dòng)，地面井井身極易破斷[8，9]。因此，采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)是該技術(shù)的關(guān)鍵。黃華州[10]針對(duì)淮南多煤層群條件提出了卸壓煤層氣地面井井身結(jié)構(gòu)主要可分為四個(gè)部分：護(hù)壁套管、輸入套管、產(chǎn)氣套管和裸孔段。安士凱[11]等提出煤層氣地面井在松散層與基巖的交界面、基巖段上硬下軟型巖層之間易發(fā)生破壞。

本文通過總結(jié)前人研究成果，研究了采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)及安全防護(hù)方面的關(guān)鍵技術(shù)問題，優(yōu)化完善采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采技術(shù)。

1 采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采技術(shù)原理

1.1 采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采技術(shù)原理

瓦斯地面井一般分為采前預(yù)抽鉆井、采動(dòng)活躍區(qū)抽采鉆井和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)抽采鉆井，其中采動(dòng)區(qū)地面井包括采動(dòng)活躍區(qū)抽采鉆井和采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)抽采鉆井，如圖1所示。采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井抽采是通過在采場(chǎng)地表施工垂直鉆井到煤層采動(dòng)卸壓形成的覆巖裂隙區(qū)，使得瓦斯能夠盡可能多地從采場(chǎng)覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)通過地面井通道抽采到地表集輸中心，以達(dá)到抽采回采工作面瓦斯，緩解瓦斯超限壓力和開發(fā)煤層氣的目的[12，13]。采動(dòng)活躍區(qū)抽采鉆井主要是利用回采工作面對(duì)煤巖體擾動(dòng)提高煤層透氣性的特點(diǎn)增強(qiáng)瓦斯抽采率、緩解通風(fēng)壓力，同時(shí)在工作面推過后繼續(xù)抽采采空區(qū)集聚瓦斯，實(shí)現(xiàn)瓦斯的高效開采。

圖1 采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)示意圖

采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井要發(fā)揮作用，關(guān)鍵在于采動(dòng)卸壓增透效應(yīng)。煤層回采后，采動(dòng)覆巖在能量耗散過程中形成“采動(dòng)卸壓增透效應(yīng)”，覆巖會(huì)產(chǎn)生成規(guī)律的大量裂縫，如圖2所示，B區(qū)為卸壓增透優(yōu)選區(qū)，該區(qū)域產(chǎn)生大量的近似水平裂縫，裂縫內(nèi)將富集大量的瓦斯，其中豎向裂縫作用不同層位裂縫內(nèi)瓦斯的流動(dòng)通道[14]。

圖2 采動(dòng)卸壓增透效應(yīng)模擬

1.2 采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采的技術(shù)難點(diǎn)

分析國(guó)內(nèi)外采動(dòng)區(qū)煤層氣地面開發(fā)技術(shù)的現(xiàn)狀[15，16]，采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采需解決的技術(shù)難題主要體現(xiàn)在以下三方面：

1)解決采動(dòng)區(qū)地面井布置的問題，地面井布井位置需兼顧地面井抽采瓦斯效果和地面井穩(wěn)定性的要求。通過分析采場(chǎng)覆巖移動(dòng)規(guī)律和裂隙分布規(guī)律去獲得地面井布置的優(yōu)選位置。

2)解決采動(dòng)區(qū)地面井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地面井套管損壞的問題，改進(jìn)完善抗破壞鉆井井身結(jié)構(gòu)，提高鉆井的抗破壞能力，研發(fā)地面井套管防護(hù)裝置，對(duì)不同覆巖條件、開采條件礦區(qū)的采動(dòng)區(qū)地面井進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及優(yōu)化。

3)解決采動(dòng)區(qū)瓦斯地面安全抽采技術(shù)難題。地面井瓦斯的安全抽采是該技術(shù)應(yīng)用的前提，需要對(duì)地面井瓦斯抽采的各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。確保采動(dòng)區(qū)地面井瓦斯抽采全過程的安全。

本文著重介紹地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)技術(shù)。

2 采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

煤礦采動(dòng)區(qū)地面井破壞的根本原因在于地面井在采動(dòng)覆巖移動(dòng)影響下的切斷、拉斷、堵塞破壞，造成地面井失去抽采工作面及后續(xù)采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)瓦斯的功能，無法有效緩解回采工作面瓦斯超限的壓力。因此，進(jìn)行煤礦采動(dòng)區(qū)地面井井型結(jié)構(gòu)優(yōu)化的根本目的是要保證地面井在采動(dòng)影響下的貫通，進(jìn)而提高抽采的效果[17]。

從采動(dòng)區(qū)地面井變形破壞模型可以發(fā)現(xiàn)，巖層移動(dòng)的剪切滑移位移量、離層拉伸位移量是巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地面井產(chǎn)生影響的關(guān)鍵參量。因此，地面井的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)在滿足工程成本要求的基礎(chǔ)上適度增大地面井各級(jí)井段的鉆井直徑，使得各分級(jí)段的鉆井直徑在巖層移動(dòng)量發(fā)生后仍能夠保證鉆井的有效通徑大于“0”。同時(shí)，應(yīng)采取適用的固井技術(shù)提高地面井的有效通徑，增強(qiáng)地面井的抗拉剪能力。

2.2 采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

經(jīng)過近10年的研究、試驗(yàn)與應(yīng)用檢驗(yàn)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件情況，研發(fā)了多種采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)，其中二開結(jié)構(gòu)包括幾種、三開結(jié)構(gòu)包括幾種，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果反饋，目前使用較多的為3開井身結(jié)構(gòu)，而根據(jù)不同的地層條件情況開發(fā)出了3種典型井型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3(a)所示為全井固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)。一開位于表土層以下10m左右，一開全固井，采用444.5mm的鉆頭鉆進(jìn)，安設(shè)355.6mm×9.53mm的J55套管；二開采用311.1mm的鉆頭鉆進(jìn)，安設(shè)244.48mm×10.03mm的N80套管，二開全井段固井，二開底部安設(shè)懸掛裝置用于懸掛三開篩孔管；三開穿過煤層h5，三開篩孔管位于煤層上方7m左右。

圖3(b)所示為局部固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)。一開位于表土層以下10m左右，一開全固井，采用444.5mm的鉆頭鉆進(jìn)，安設(shè)355.6mm×9.53mm的J55套管；二開采用311.1mm的鉆頭鉆進(jìn)，安設(shè)244.48mm×10.03mm的N80套管，二開采用局部段固井，局部深度為k2(根據(jù)覆巖情況確定)，局部固井有利于未固井段能留設(shè)一定的空間，能一定程度上緩解剪切位移作用。二開底部安設(shè)懸掛裝置用于懸掛三開篩孔管；三開穿過煤層h5，三開篩孔管位于煤層上方7m左右，該結(jié)構(gòu)使用較多。

圖3(c)所示為兩級(jí)固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)。一開位于表土層以下10m左右，一開全固井，采用444.5mm的鉆頭鉆進(jìn)，安設(shè)355.6mm×9.53mm的J55套管；二開采用311.1mm的鉆頭鉆進(jìn)，安設(shè)244.48mm×10.03mm的N80套管，二開采用兩級(jí)固井，上部固井深度為m2(根據(jù)覆巖情況確定)，下部固井長(zhǎng)度為m4(10m左右)，二開底部安設(shè)懸掛裝置用于懸掛三開篩孔管；三開穿過煤層h5，三開篩孔管位于煤層上方7m左右。

圖3 三種典型采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)

三種的采動(dòng)區(qū)地面井井型結(jié)構(gòu)具有各自的適用范圍和優(yōu)勢(shì)，圖3(a)所示的全井固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)適用于覆巖中具有不確定層位流砂層、含水層等地層條固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)適用于覆巖存在流砂層或含水層等地層結(jié)構(gòu)，采用二開全固井以防護(hù)滲漏；圖3(b)所示的局部固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)適用于覆巖無大構(gòu)造、流砂層及含水層等地層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具備較好的緩解一定量的剪切位移的變形作用，目前使用較多。圖3(c)所示兩級(jí)固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)適用于二開底部及三開可能存在流砂層或含水層等地層的情況，該結(jié)構(gòu)既保持了二開的覆巖具備防剪切位移的效果又具備較好的防流砂或水的效果。

2.3 采動(dòng)區(qū)地面井安全防護(hù)

煤炭回采過程中，地面井井身結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大小不一的變形破壞情況，有必要對(duì)地面井的井身破壞的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分析，主要指在采動(dòng)影響下地面井及其套管會(huì)發(fā)生變形、破壞，造成地面井失效的少數(shù)地面井井身位置。這些高危破壞位置一般是采取區(qū)域優(yōu)化布井措施不能完全規(guī)避的。采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)安全防護(hù)，主要是針對(duì)以下3種覆巖移動(dòng)條件進(jìn)行的：①采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)形式主要有層間剪切滑移，受兩相鄰巖層相對(duì)滑移特性的影響，兩巖層界面處鉆井易發(fā)生剪切變形破壞；②隨著煤層的回采，采場(chǎng)上覆巖層中關(guān)鍵層(或組合關(guān)鍵層)下往往發(fā)生明顯的離層位移；③在組合巖梁內(nèi)，鉆井套管易發(fā)生非均勻擠壓變形，井身結(jié)構(gòu)變形破壞很可能是兩種或三種形式綜合作用下發(fā)生破壞的。

因此，首先需要對(duì)采場(chǎng)覆巖的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)以上3種覆巖移動(dòng)對(duì)地面井的變形破壞進(jìn)行安全防護(hù)。開發(fā)了3種采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)防護(hù)裝置。

2.3.1 針對(duì)第一種情況開發(fā)了防剪切破壞裝置

防止地面井套管受采動(dòng)影響而發(fā)生剪切破壞，需要在發(fā)生剪切破壞的部位安裝一特殊的裝置，使得巖層間發(fā)生剪切時(shí)，該結(jié)構(gòu)裝置能隨著上下巖層面的滑移方向發(fā)生一定角度的偏移，減弱巖層面的剪切滑移對(duì)原有套管的剛性破壞。因此，地面井套管偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的核心就是允許該結(jié)構(gòu)在任意方向具有一定的偏轉(zhuǎn)能力。偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮了面井套管及裸孔之間的有限空隙，偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)任意方向的偏轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)為3°30′，與244.5mm N80石油套管匹配的偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 偏轉(zhuǎn)防護(hù)裝置參數(shù)

地面井偏轉(zhuǎn)裝置主要包括：旋轉(zhuǎn)頭、旋轉(zhuǎn)套、螺紋套、壓蓋、密封條和“O”型圈等6部分，偏轉(zhuǎn)裝置裝配和實(shí)物如圖4所示。

圖4 偏轉(zhuǎn)防護(hù)裝置裝配圖和實(shí)物圖

2.3.2 針對(duì)第二種情況防拉伸破壞裝置

防止地面井套管受采動(dòng)影響而發(fā)生離層拉伸破壞，在發(fā)生拉伸破壞的部位安防護(hù)裝置。使得巖層間發(fā)生離層時(shí)，該裝置能隨著上下巖層的分離方向發(fā)生一定量的伸縮，減弱離層對(duì)套管的剛性破壞。地面井套管伸縮裝置允許該裝置在軸線方向具有一定的伸長(zhǎng)和縮短的能力。由于關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層及巖性差異較大的巖層間離層量的大小不一，需根據(jù)巖性、巖層厚度等綜合考慮。與244.5mm N80石油套管匹配的伸縮裝置參數(shù)見表2。

表2 伸縮防護(hù)裝置參數(shù)

地面井伸縮裝置主要包括：伸縮外筒、伸縮內(nèi)管、導(dǎo)向套、安全銷和“O”型圈等5部分，伸縮裝置裝配和實(shí)物如圖5所示。

圖5 伸縮防護(hù)裝置裝配圖及實(shí)物圖

在安裝防護(hù)裝置之前，需要根據(jù)地層的詳細(xì)資料結(jié)合地面井套管損壞的模型進(jìn)行高危位置的判斷，根據(jù)判斷結(jié)果在合理巖層層位安裝相應(yīng)的防護(hù)裝置。

2.3.3 針對(duì)第三種情況及綜合變形破壞情況開發(fā)厚壁剛性裝置

在組合巖梁內(nèi)發(fā)生套管擠壓破壞，在發(fā)生擠壓破壞的部位安設(shè)厚壁剛性防護(hù)裝置。在巖層間發(fā)生擠壓破壞時(shí)，厚壁剛性的裝置能抵抗大部分組合巖梁內(nèi)的擠壓力，保障抽采煤層氣的暢通性。

設(shè)計(jì)厚壁剛性裝置的參數(shù)見表3。

1)根據(jù)工程防護(hù)的需求，厚壁剛性防護(hù)結(jié)構(gòu)的主體長(zhǎng)度可以取為2m、4m、6m三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 厚壁剛性防護(hù)裝置參數(shù)

2)結(jié)構(gòu)以外徑r1、內(nèi)徑r2、壁厚46mm的API標(biāo)準(zhǔn)N80 Q類非標(biāo)套管為主體進(jìn)行加工，端部?jī)?nèi)外螺紋結(jié)構(gòu)應(yīng)與外徑244.48mm、壁厚10.03mm的API標(biāo)準(zhǔn)N80 Q類套管相配套或根據(jù)工程需求現(xiàn)場(chǎng)加工。

3)防護(hù)結(jié)構(gòu)端部及轉(zhuǎn)角部位應(yīng)全部采用圓角處理，以消除應(yīng)力集中。

圖6 厚壁剛性防護(hù)裝配圖和實(shí)物圖(mm)

3 工程應(yīng)用

為解決寺河礦井下工作面瓦斯治理難度大的問題，根據(jù)寺河礦3301、W2301等工作面地質(zhì)條件設(shè)計(jì)采動(dòng)區(qū)地面井10余口。地面井平均抽采瓦斯量0.8萬m3/d，平均瓦斯?jié)舛?4%。工作面瓦斯?jié)舛绕骄捣_(dá)20%，較好地解決了采煤工作面和回風(fēng)巷瓦斯超限問題。以W2301工作面SHCD-06地面井運(yùn)行為例。

3.1 工作面基本情況

寺河煤礦西區(qū)W2301工作面上方為方山，標(biāo)高+1019.11m，最大相對(duì)高差610.4m，一般相對(duì)高差200～400m。山上植被茂密，主要為灌木樹林，樹木一般高2m左右，有部分為臺(tái)梯型耕地，耕地內(nèi)夏季種植玉米較多。W2301工作面走向長(zhǎng)約2000m，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，分兩次采，第一次采長(zhǎng)約1250m，傾斜長(zhǎng)約221.5m，煤層平均厚度為6m，煤層傾角0°～7°，平均3°。工作面開采深度平均約400m。煤的容重1.46t/m3，煤質(zhì)普氏硬度f為1～2，蓋山厚度320～440m，地壓9.00～13.00MPa。

3.2 地面井基本情況

應(yīng)用理論研究成果，SHCD-06地面鉆井在工作面的相對(duì)位置如圖7所示，具體的布井坐標(biāo)見表4。

圖7 SHCD-06井在W2301工作面的位置

表4 采動(dòng)區(qū)SHCD-06地面井參數(shù)

3.3 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)采煤工作面及覆巖的基本條件，在寺河礦W2301工作面布置了采動(dòng)區(qū)地面井，以SHCD-06井為例，該地面井采用了局部固井、懸掛完井地面井井身結(jié)構(gòu)，參見圖3(b)，一開深度為29.4m，局部固井長(zhǎng)度為90m，二開深度為291.2m，二開底部到煤層103.2m，三開篩孔管位于煤層上方6.3m，三開穿透煤層4m，全井深為404.7m。在埋深232.5m的關(guān)鍵層下界面處安設(shè)了厚壁剛性防護(hù)裝置(長(zhǎng)2m)。

3.4 地面井抽采效果分析

1)地面井抽采情況。寺河礦SHCD-06井抽采數(shù)據(jù)如圖8所示。從圖8可以看出，在工作面距井位30m開始，隨著工作面的推進(jìn)，在工作面推過井位3m左右，抽放瓦斯純量、瓦斯?jié)舛戎鸩节呌诜€(wěn)定，在采煤工作面推過地面井200m范圍內(nèi)，瓦斯抽采純量約1.2萬m3/d，瓦斯?jié)舛?5%左右。采煤工作面推過地面井200m后，地面井抽采瓦斯量約為0.36萬m3/d，抽采瓦斯?jié)舛燃s為32.5%。

圖8 瓦斯純量、瓦斯?jié)舛扰c采煤工作面距井位距離的關(guān)系

2)地面井抽采對(duì)瓦斯治理的效果。地面井抽采對(duì)工作面瓦斯的影響如圖9所示，可看出在采煤工作面距地面井還有100m距離，采動(dòng)影響區(qū)地面井還未抽采時(shí)，工作面的平均瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)了幾次較高的瓦斯?jié)舛惹闆r，工作面最大平均瓦斯?jié)舛葹?.76%；在采煤工作面距井位60m，地面井開始抽采工作面平均瓦斯?jié)舛冉抵?.41%以下，平均降至0.27%，工作面瓦斯?jié)舛绕骄档?6.5%，工作面平均風(fēng)排瓦斯量降到16.4m3/min以下，工作面瓦斯情況得到很好地緩解，很好地解決了采煤工作面瓦斯超限的問題。

圖9 地面井抽采對(duì)工作面瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/p>

4 結(jié) 語

1)闡述了采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)原理，其技術(shù)難點(diǎn)主要包括：井位布置、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)等方面。

2)提出了采動(dòng)區(qū)地面井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，設(shè)計(jì)了3種采動(dòng)區(qū)瓦斯地面井井身結(jié)構(gòu)，分別為：全井固井、懸掛完井；局部固井、懸掛完井；兩級(jí)固井、懸掛完井。給出了3種地面井井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)及適用條件。

3)研發(fā)了針對(duì)不同條件的3種采動(dòng)區(qū)地面井防護(hù)裝置，包括：剪切防護(hù)裝置、伸縮防護(hù)裝置、厚壁剛性綜合防護(hù)裝置。

4)在晉煤集團(tuán)寺河礦進(jìn)行了工程應(yīng)用，取得了很好地抽采瓦斯效果，在采煤工作面推過地面井200m范圍內(nèi)，瓦斯抽采純量約1.2萬m3/d，瓦斯?jié)舛?5%左右。采煤工作面推過地面井200m后，地面井抽采瓦斯量約為0.36萬m3/d，抽采瓦斯?jié)舛燃s為32.5%。在采煤工作面距井位60m，地面井開始抽采工作面平均瓦斯?jié)舛冉抵?.41%以下，平均降至0.27%，工作面瓦斯?jié)舛绕骄档?6.5%，為采煤工作面解決了瓦斯治理難的問題，保障了煤礦回采的安全，取得了很好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。