煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探的施工技術(shù)

張海堂

摘要：許多地面瓦斯排放鉆孔直徑太大、深度太深，導(dǎo)致煤礦瓦斯排放井鉆探難度較大。本文主要從鉆孔的垂直度、導(dǎo)向孔施工、分級擴孔、浮力塞設(shè)計、套管的穩(wěn)定性、固井等方面，對大口徑瓦斯排放鉆孔施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，從而達(dá)到在大口徑瓦斯排放井的基礎(chǔ)上完成鉆探的施工任務(wù)。

關(guān)鍵詞：煤礦大口徑瓦斯排放井;導(dǎo)向孔;套管

近年來，地面鉆井瓦斯排放技術(shù)在煤礦行業(yè)中近年得到了廣泛的應(yīng)用。地面大口徑瓦斯排放井的鉆探工作，需要將礦井中的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，然后將其排放進(jìn)地面上的相應(yīng)通道。目前，這種方法主要是用于現(xiàn)代化的煤礦，這不僅可以有效防止發(fā)生瓦斯爆炸等事故，也使地下能源可以得到有效地利用。由此可見，瓦斯井的鉆探是一項非常復(fù)雜的工作，其對于技術(shù)人員的要求較高，這份工作需要極多的細(xì)心與耐心，一點小小的錯誤也可能會導(dǎo)致鉆井報廢，造成財產(chǎn)的損失，嚴(yán)重的話甚至?xí)θ松戆踩斐蓢?yán)重影響。

一、鉆孔鉆探施工

因為地面瓦斯排放鉆井的孔徑大、深度深，且瓦斯抽采管壁厚也比以往施工的大口徑鉆井大。為保證鉆井終孔時順利把套管下入孔內(nèi)，首先要確保鉆井的垂直度適合，才能使得大口徑瓦斯排放井成功成井。在這個施工過程中，可以選擇先施工小口徑導(dǎo)向孔，然后采取分級擴孔措施，保證鉆孔的垂直度。

1.導(dǎo)向孔施工

確定導(dǎo)向孔的施工質(zhì)量是否符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是保障瓦斯抽放鉆孔工作是否可以成功的主要因素，它可以反映出鉆孔軌跡和指定的目標(biāo)靶點位置。小口徑導(dǎo)向孔在施工過程中，主要考慮幾個方面：

（1）鉆頭選擇，導(dǎo)向孔施工，鉆頭直徑選擇不宜過大，也不宜太小。鉆頭直徑過大，沒有合適的鉆具組合，則不容易控制井斜;鉆頭直徑過小，在分級擴孔過程中，常常出現(xiàn)牙輪掌掉落等各類孔內(nèi)落物情況，則需要耗費大量的時間進(jìn)行打撈處理。如果導(dǎo)向孔鉆頭直徑選擇合適，可以將落入孔內(nèi)的物品透孔送至井底，不需要再費時費力的進(jìn)行處理。

（2）鉆具組合選擇，選擇導(dǎo)向孔鉆頭直徑相匹配的扶正器及鉆鋌組合，能保證鉆井井斜得以有效控制，也可以提高鉆探時效。

（3）鉆壓控制，在施工時都遵循“鉆井工具保持筆直，滿眼鉆探”的要求。鉆井鉆探的過程中，鉆井壓力必須得到合理控制，通常使用輕壓懸掛的方式對孔斜進(jìn)行控制，保持鉆壓穩(wěn)定，尤其遇到地層軟硬變化時，容易造成井斜，合理控制鉆壓更顯重要。

（4）測斜工作，鉆井導(dǎo)向孔每鉆進(jìn)100m左右時，使用高精度測斜儀測斜一次，每隔10米設(shè)置一個監(jiān)測點，如果發(fā)現(xiàn)孔斜過偏，需要對其進(jìn)行及時糾正。

2.分級擴孔

先對小孔徑進(jìn)行施工，完成后方可進(jìn)行大口徑的施工，一般使用分級擴孔的方式。分級擴孔首先要合理進(jìn)行分級管理，一方面如果孔徑太小的話會造成回轉(zhuǎn)抖動的問題、產(chǎn)生跳鉆的現(xiàn)象;如果孔徑過大的話進(jìn)尺將會非常的困難;另一方面要根據(jù)鉆機生產(chǎn)能力確定分級孔徑。其次要選擇合適的鉆頭的型號，面對不同的礦質(zhì)要選擇不同的鉆頭，沖擊層使用刮刀擴孔鉆進(jìn)，鉆頭不宜形成泥包且擴孔速度快，基巖層使用牙輪組合鉆頭或者PDC組合擴孔鉆頭，同時要保證鉆頭的長度、強度、穩(wěn)定性。在分級擴孔時，尤其第一級分級擴孔過程中，一些大的巖屑或大塊巖石容易掉入導(dǎo)向孔內(nèi)，導(dǎo)向孔堵實后，擴孔效率非常底，這時就需要下鉆透通導(dǎo)向孔。

3.鉆進(jìn)施工中的注意事項

大口徑鉆井鉆進(jìn)時，扭矩較大，對鉆具的要求較高，施工中要加強鉆具檢查，彎曲磨薄的鉆具嚴(yán)禁下入井內(nèi)，特別是在起鉆時，認(rèn)真檢查鉆桿是否跑水;鉆壓保持穩(wěn)定，以免折斷鉆具，鉆具脫扣和折斷時應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)，并采取合理的方法處理;鉆井液采用經(jīng)振動篩過濾的優(yōu)質(zhì)泥漿，保證孔底沉砂不大于0.3m。

二、套管穩(wěn)定性

煤礦大口徑瓦斯排放井終孔下入的瓦斯抽采管路，直徑較大，重量往往在200噸左右，甚至更重，其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鉆機提升能力及井架所承受的限度，此時，要考慮使用浮力法進(jìn)行下管工作。在浮力法的使用中，要防止形成空管過多現(xiàn)象。如若產(chǎn)生過多空管，則會導(dǎo)致套管外部的泥漿橫向擠壓力超過套管自身抗壓極限，使得套管橫向失穩(wěn)變形，此時套管將無法繼續(xù)下入井內(nèi)或者從井內(nèi)提出，整個鉆孔在即將結(jié)束時出現(xiàn)這種情況，將造成重大且不可逆轉(zhuǎn)的惡劣影響。因此，在下管工作前，先要要對套管進(jìn)行受力分析，防止套管發(fā)生形變，影響使用，保證套管的穩(wěn)定性，確保下管工作的成功。

三、成井

1.下管

大口徑瓦斯排放井瓦斯管路下管是整個成井工作中的關(guān)鍵步驟，不容有失，在下管過程中需要注意以下事項：

（1）大口徑瓦斯排放井管路下放周期較長，有時甚至近十天，這就需要在下套管前先將泥漿性能調(diào)整至良好狀態(tài)，確保套管焊接連接時不被孔壁粘附。

（2）套管對接時需使用扶正工具，將套管校正垂直后，方可進(jìn)行焊接。

（3）套管焊接時要求焊縫飽滿牢固，達(dá)到管路焊接標(biāo)準(zhǔn)，不得有砂眼，防止固井質(zhì)量不合格時井內(nèi)滴漏水。

（4）套管下放至設(shè)備載荷小于或等于最大大鉤載荷的80%、保證留存20%的安全升力，以防止在目前特殊的情況下可在設(shè)備能力范用內(nèi)進(jìn)行處理作業(yè)，此時加焊浮力塞，保證下管提升拉力不再增加，減少設(shè)備載荷。根據(jù)理論計算及孔內(nèi)阻力情況，及時向管內(nèi)補充泥漿，防止空管過多，套管橫向失穩(wěn)。

2.固井

套管下管結(jié)束后，需要使用水泥漿將套管及鉆井的環(huán)狀間隙充填，確保井下揭露鉆井時不得滴水漏水。固井的具體步驟如下：

（1）下完瓦斯排放井管路后，下入鉆桿到設(shè)計深度后，焊接好井口悶蓋。然后使用泥漿泵進(jìn)行大排量循環(huán)洗井作業(yè)，洗井時間至少兩個循環(huán)周，確保井內(nèi)沒有沉砂，并調(diào)整鉆井液性能達(dá)到固井要求后方可進(jìn)行固井施工。

（2）固井施工前召集和固井相關(guān)人員召開固井交底會，就固井相關(guān)事宜以及人員分工做好明確的安排，以防施工過程中出現(xiàn)混亂，影響正常施工。

（3）所有固井車輛準(zhǔn)備就位后連接固井設(shè)備及管線，并對注水泥漿管線及閘門試壓15MPa，穩(wěn)壓3min，不刺不漏后泄壓。

（4）兩臺單機單泵同時注入隔離液清水共40m?，排量為2.0m?/min。

（5）兩臺單機單泵同時注入水泥漿，其中前面為低密度水泥漿，密度控制在1.60-1.65 g/cm?，后面為高密度水泥漿，密度控制在1.75-1.80g/cm?。發(fā)現(xiàn)井口返出水泥漿后，停止注水泥作業(yè)，開始替漿。

（6）替漿：單車大排量將鉆桿內(nèi)水泥漿替出，再將套管內(nèi)多余的水泥漿替出，然后關(guān)閉井口的高壓閘門，替漿量必須用水柜準(zhǔn)確計量。

（7）關(guān)井侯凝。

（8）放壓時間根據(jù)水泥漿凝固時間而定，放壓之前不得打開井口閘門。放壓作業(yè)從套管閘門打開觀察，鉆井、固井人員到場一同作業(yè)。

四、大口徑瓦斯排放井的技術(shù)難點

大口徑瓦斯排放井一般要求大直徑、垂直度高、目標(biāo)控制嚴(yán)格。如果偏離目標(biāo)，將造成重大安全事故和不可估量的經(jīng)濟損失。

1.需要保證鉆孔垂直高度

為保證大直徑、深孔徑、成孔垂直度高，大直徑鉆井采用施工中設(shè)備安裝、控制鉆進(jìn)壓力、大泵量鉆進(jìn)、優(yōu)化鉆具組合、跟蹤測斜等措施確保鉆孔的垂直度。

2.鉆井工藝的選擇

為了考慮成井成本，一般施工單位在承接到大口徑瓦斯排放井任務(wù)時，通常選擇TSJ3000、2600、2000等類型的水源鉆機和泥漿泵組來代替石油設(shè)備。近年來，由于瓦斯排放井井徑設(shè)計的難度增加，泥漿泵排量不足，鉆頭研磨或切削的巖石需要不斷的重復(fù)破碎成小顆粒，才能通過泥漿攜帶出鉆井，導(dǎo)致鉆井工作效率低，因此需要綜合考慮設(shè)備選型、泥漿配制、鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆探方法，優(yōu)化鉆井工藝。

3.泥漿液的選擇

泥漿的質(zhì)量與性能是大口徑成孔孔內(nèi)安全及效率的關(guān)鍵，根據(jù)相應(yīng)地區(qū)地質(zhì)情況選用雙聚低固相泥漿，這種泥漿配制簡單、流變性好、泥皮薄而堅韌，攜砂能力強，可防止地層垮塌等特點。

4.井身結(jié)構(gòu)和分級擴孔

在完成小口徑導(dǎo)向鉆孔施工后，進(jìn)行大口徑分級擴孔。

（1）分級原則。一般導(dǎo)向孔施工完成后，大口徑排放孔將把導(dǎo)向孔逐級擴大至設(shè)計井徑，分級擴孔要根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)能力及擴孔效率確定分級級數(shù)。

（2）擴孔鉆頭類型。沖積層采用刮刀式擴孔鉆頭，基巖段擴孔常采用牙輪組合擴孔鉆頭或者PDC組合擴孔鉆頭，根據(jù)地層硬度選擇合適的鉆頭。

結(jié)束語

在煤礦地面進(jìn)行大口徑瓦斯排放井施工時，應(yīng)結(jié)合實際情況首先進(jìn)行小口徑導(dǎo)向孔鉆進(jìn)，嚴(yán)格控制鉆井的垂直度，為鉆井的下一步施工打好基礎(chǔ)工作。然后通過分級擴孔的方式，優(yōu)化擴孔孔徑，實現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)工作的順利進(jìn)行，最終確保套管的成功下入，再通過固井，完成整個鉆井的工藝施工。

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