煤礦采空區(qū)瓦斯抽采井鉆井工藝研究

李瑞寒 陳麗麗

（1.河南省煤層氣壓裂工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471000；2.河南省資源環(huán)境調(diào)查二院，河南 洛陽 471000）

0 引言

基于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和安全生產(chǎn)考慮，大量中高瓦斯含量的礦井關(guān)閉，預(yù)計(jì)到2030年數(shù)量將到達(dá)15 000處。據(jù)調(diào)查，目前的關(guān)閉/廢棄礦井中賦存煤炭資源量高達(dá)420億t，煤層氣（瓦斯）近5 000億m3，在煤礦采空區(qū)進(jìn)行煤層氣開采對(duì)我國能源保障和煤礦安全具有重要意義，且具有很好的商業(yè)價(jià)值與前景。

一定濃度的煤層氣（瓦斯）游離于采空區(qū)，若進(jìn)行煤層氣再開采，只需要從地面鉆井至煤礦采空區(qū)直接抽采，不需要像致密（頁巖）氣開發(fā)那樣，需要進(jìn)行大型壓裂，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞［1?2］。

目前，國內(nèi)采空區(qū)瓦斯抽采的主要鉆井施工方式有水基鉆井液常規(guī)鉆井技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)和氮?dú)忏@井技術(shù)，但在施工過程中也暴露出了一些問題。采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆進(jìn)至采空區(qū)裂隙帶中上部或采動(dòng)區(qū)附近時(shí)，鉆井液會(huì)發(fā)生惡性失返性漏失，由于裂隙尺寸較大，常規(guī)橋堵技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)架橋；鉆井過程中，大量的鉆屑無法正常地?cái)y帶出井眼，導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等事故的發(fā)生。采用空氣鉆井技術(shù)，能基本解決采空區(qū)裂隙帶鉆井液漏失難題。但是，在空氣鉆進(jìn)過程中也暴露了一些問題，如地層出水，鉆屑返排不暢導(dǎo)致卡鉆等。采用欠平衡空氣鉆進(jìn)時(shí)，采空區(qū)有瓦斯自燃甚至爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)煤礦采空區(qū)瓦斯抽采井鉆井工藝進(jìn)一步研究［3］。

1 采空區(qū)瓦斯抽采井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)選研究

根據(jù)在山西省施工的多口采空區(qū)瓦斯抽采井經(jīng)驗(yàn)，一層采空區(qū)一般采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)，二層采空區(qū)采用四級(jí)井身結(jié)構(gòu)，筆者僅就一層采空區(qū)的三級(jí)井身結(jié)構(gòu)展開研究。從成本及套管庫存考慮，結(jié)合施工井型、地質(zhì)條件及鉆井工藝等，優(yōu)化確定三級(jí)井身結(jié)構(gòu)套管與井眼尺寸見圖1和表1。

表1 套管與井眼尺寸表

2 施工設(shè)備優(yōu)化組合研究

筆者以空氣鉆井為例展開研究。優(yōu)化組合的設(shè)備主要有：①采空區(qū)瓦斯抽采井的鉆井深度多在800 m以上，目前常用的鉆機(jī)設(shè)備一般為車載鉆機(jī)或TSJ?2000水源鉆機(jī)，水源鉆機(jī)應(yīng)配備2 m底座，以便安裝井口防噴器。②氣體鉆井采用最多的是螺桿式空氣壓縮機(jī)、往復(fù)活塞式增壓機(jī)。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，配備單臺(tái)或多臺(tái)空壓機(jī)和增壓機(jī)。③空氣鉆井時(shí)，從井口返出的為有壓力的空氣流體，為安全起見，井口必須安裝防噴器。④供氣管線上須安裝常用的儀表及氣體流量計(jì)和壓力表，還要在井口安裝瓦斯檢測(cè)儀，隨時(shí)監(jiān)測(cè)井口瓦斯?jié)舛龋??5］。⑤采空區(qū)瓦斯抽采井通常采用空氣錘鉆進(jìn)，其鉆具組合見表2。

表2 鉆具組合表

3 鉆井循環(huán)介質(zhì)優(yōu)選研究

采空區(qū)瓦斯抽采井主要的鉆井工藝為氣體鉆井技術(shù)，故本研究僅探討氣體鉆井。

3.1 氣體鉆井的優(yōu)勢(shì)

氣體鉆井和水基鉆井液鉆井技術(shù)相比，氣體鉆井技術(shù)可降低鉆井成本，增加單井產(chǎn)量，還可使鉆井速度大幅提高，因此能縮短施工時(shí)間；由于氣體鉆井技術(shù)的循環(huán)介質(zhì)不采用水，故不會(huì)導(dǎo)致井壁水化坍塌等事故的發(fā)生。

3.2 氣體鉆井的局限性

氣體鉆井會(huì)導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定；會(huì)使巖屑在鉆桿、井壁或鉆鋌頂部上的臺(tái)階處堆積形成泥餅圈；會(huì)導(dǎo)致井壁坍塌、井徑擴(kuò)大等一系列問題；會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)發(fā)生失火甚至燃燒爆炸等事故，為降低井內(nèi)失火、燃燒爆炸的可能性，可采用霧化鉆井技術(shù)［6?8］。

3.3 鉆井循環(huán)介質(zhì)優(yōu)選

通過分析研究，采空區(qū)瓦斯抽采井基本以氣體鉆井作為主要鉆井工藝，考慮施工成本、施工效率、施工安全等方面，再配合水基鉆井液、氣體泡沫鉆井工藝，以此來解決穿過采空區(qū)頂板裂隙帶、采空區(qū)等一系列難題。鉆井循環(huán)介質(zhì)優(yōu)選如下。

3.3.1 一開井段，優(yōu)選循環(huán)介質(zhì)為水基鉆井液和空氣。當(dāng)一開的地層為黃土覆蓋層時(shí)，可優(yōu)選水基鉆井液作為循環(huán)介質(zhì)鉆進(jìn)；當(dāng)一開的地層為裸露基巖時(shí)，可優(yōu)選空氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進(jìn)。

3.3.2 二開井段，優(yōu)選循環(huán)介質(zhì)為空氣和空氣泡沫。一般情況下，優(yōu)選空氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆至二開完鉆；當(dāng)鉆遇出水地層，且出水量>10 m3/h時(shí)，優(yōu)選空氣泡沫作為循環(huán)介質(zhì)鉆至二開完鉆。

3.3.3 三開井段，優(yōu)選氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)鉆穿采空區(qū)后完鉆。

4 鉆井工藝參數(shù)優(yōu)選研究

4.1 最小氣量選擇

通過采用Angel的混合均勻流模型來計(jì)算氣體鉆井井筒的壓力可得出，井筒中氣體流速的最低值不在井底，而是在鉆桿與鉆鋌的相接處，這說明攜屑最困難的位置是環(huán)空中過流截面由小變大處，因此需要計(jì)算鉆桿與鉆鋌相接處的最小氣量。利用井底清潔程度第二類標(biāo)準(zhǔn)選擇井底狀況下的最小氣量和鉆桿與鉆鋌連接處的最小氣量，選擇兩者中的大值作為最終選定的最小氣量。

根據(jù)以上分析，可計(jì)算出氣體鉆井在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下不同井眼尺寸所需的最小氣量［9?10］。

4.2 空氣鉆井鉆壓和轉(zhuǎn)速的選擇

氣體鉆井中，鉆壓的確定主要取決于井身質(zhì)量控制。鉆進(jìn)中不管使用何種鉆具組合，鉆壓要控制在粗徑鉆具一次臨界彎曲鉆壓以內(nèi)，以防止井斜過快增長。

轉(zhuǎn)速主要由扭矩的控制、膠芯的磨損、所選用氣動(dòng)潛孔錘合理的轉(zhuǎn)速范圍等因素確定。從這些方面考慮，轉(zhuǎn)速宜控制在60～70 r/min［11］。

5 完井工藝優(yōu)化研究

對(duì)于采空區(qū)瓦斯抽采井而言，采用的完井方法主要是裸眼完井和篩管完井。由于采空區(qū)瓦斯抽采井主要抽采采空區(qū)內(nèi)聚集的瓦斯氣體，單井完井后不再進(jìn)行壓裂、酸化等其他增產(chǎn)作業(yè)。從理論上說，相較于裸眼完井，篩管完井能夠保證井筒在采空區(qū)內(nèi)的穩(wěn)定性，方便修井，有利于清除井筒內(nèi)的煤粉，更有利于后期的瓦斯抽采。

但在大規(guī)模布置采空區(qū)瓦斯抽采井進(jìn)行施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)篩管完井的問題較多：一是施工工藝復(fù)雜、難度大，三開鉆穿煤層采空區(qū)后，由于采空區(qū)頂板垮落，地質(zhì)條件復(fù)雜，造成篩管難以下入，施工工藝復(fù)雜、難度大，完井較困難；二是施工成本高，相比裸眼完井，篩管完井增加了三開套管，在下入三開套管時(shí)需要反復(fù)通井，增加了不少鉆井完井成本；三是施工工期長，篩管完井增加了三開下套管工序，三開完鉆后需要多次通井才能下入篩管，有時(shí)多次通井仍無法下入，要采用跟管鉆具通井并將篩管下入設(shè)計(jì)位置，施工工期比裸眼完井要長得多。根據(jù)相關(guān)的采空區(qū)瓦斯抽采井施工經(jīng)驗(yàn)，采用裸眼完井取得了較為不錯(cuò)的抽采效果。因此采空區(qū)瓦斯抽采井的完井方法優(yōu)選裸眼完井［12］。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)研究

6.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

磴槽煤礦受鄭州“7.20”暴雨影響，礦區(qū)內(nèi)二1和一3煤層采空區(qū)內(nèi)有積水，需要在地面施工一個(gè)采空區(qū)水位觀測(cè)孔，查清兩煤層采空區(qū)的積水情況、富水性，為礦井復(fù)工復(fù)產(chǎn)做準(zhǔn)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件并結(jié)合其他因素分析，選用欠平衡空氣鉆井工藝，三開井身結(jié)構(gòu)，選用XSZ?800Ⅱ型履帶式鉆機(jī)，配合2臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行施工。

6.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)論

①本井純鉆進(jìn)時(shí)間僅72 h，說明與水基鉆井液相比，欠平衡空氣鉆井技術(shù)應(yīng)用于穿采空區(qū)的井型時(shí)，能夠提高鉆井效率。

②根據(jù)本井鉆遇煤層頂板裂隙帶情況，發(fā)現(xiàn)通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的采空區(qū)頂板裂隙帶的高度與實(shí)際裂隙高度相比偏于保守，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的頂板裂隙帶可供參考，如果需要更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)本地區(qū)的采厚、采空區(qū)面積、頂板管理與采煤方法、頂板巖層結(jié)構(gòu)類型、煤層賦存狀況及開采深度六方面對(duì)頂板導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行綜合分析。

③采用井底清潔的第二類標(biāo)準(zhǔn)——巖屑沉降末速度標(biāo)準(zhǔn)，來計(jì)算保持井底清潔的最小氣量，比較符合實(shí)際情況，可以用來指導(dǎo)實(shí)際空氣鉆井施工。

④氣體鉆井最小注氣量的計(jì)算，選擇保證井底清潔的第二類標(biāo)準(zhǔn)——巖屑沉降末速度標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際情況更為接近。

⑤目前淺層煤層氣鉆井，施工現(xiàn)場(chǎng)多未配備井控設(shè)備，但在采空區(qū)瓦斯抽采井鉆井時(shí)，必須配備雙閘板防噴器和旋轉(zhuǎn)控制頭。