淮南礦區(qū)抽采瓦斯地面鉆井施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

種衍飛，溫丙初，劉 恒，劉 柱

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 滕州277500)

1 概述

2002年以來，淮南礦區(qū)不斷創(chuàng)新瓦斯抽采理念，各生產(chǎn)礦井通過瓦斯治理和采礦技術(shù)相結(jié)合的多年實踐，基本明確了煤礦采動區(qū)地面鉆井抽采瓦斯技術(shù)的發(fā)展方向，瓦斯治理和煤層氣開發(fā)模式得到成功推行，實現(xiàn)了煤與瓦斯共采，較好解決了制約煤礦安全生產(chǎn)的主要矛盾。2003年以來，我隊特勘公司與淮南礦業(yè)集團開展合作，在淮南礦區(qū)各生產(chǎn)礦井共施工抽采瓦斯地面鉆井100余口，并對部分鉆井井身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，試驗并推廣了抽采瓦斯地面鉆井掏穴鉆進技術(shù)，在鉆井的目的產(chǎn)氣層段采取掏穴擴徑鉆進成井，提高了單井出氣量和鉆井使用期限更長、更穩(wěn)定，取得了較好效果和很多施工經(jīng)驗，建立了地面鉆井抽采瓦斯的示范工程。

2 礦區(qū)概況

淮南煤田位于華北地層南緣，屬華北地層區(qū)，區(qū)域性走向逆斷層較為發(fā)育，同時北東向的正斷層也很發(fā)育，含煤地層為石炭系～二疊系;二疊系為主要含煤地層，其中13－1、11－2、8、6－2煤層為主采煤層，平均總厚度21.14 m，各煤層賦存穩(wěn)定，傾角5°～10°，可采煤層賦存條件具有松軟低透氣性。目前13－1煤層作為主采煤層，具有很強的突出危險性，而其透氣性系數(shù)低，預抽困難，開采13－1前先開采保護層11－2煤層，作為區(qū)域性防突措施。

地面鉆井鉆遇新生界地層以含礫粘土與砂質(zhì)粘土為主，基巖風化帶厚度10～30 m，基巖層主要以砂巖、砂質(zhì)泥巖、粘土巖和煤層為主，地層傾角不大。

淮南礦區(qū)歷史上是全行業(yè)瓦斯事故重災(zāi)區(qū)，現(xiàn)有生產(chǎn)礦井全部為煤與瓦斯突出礦井，礦區(qū)煤層具有地質(zhì)構(gòu)造復雜、煤層松軟、透氣性低、瓦斯含量大(10～26 m3/t)、瓦斯壓力高(最大達6.0 MPa)、突出危險性大等特點。

3 地面鉆井的優(yōu)化設(shè)計

在總結(jié)地面鉆井成功與失敗的實踐后，結(jié)合鉆井處于采動塌陷區(qū)內(nèi)，且貫穿流沙層、卸壓煤層與開采層的特征，地面鉆井由先前在服務(wù)期限之前就過早破壞，鉆井井身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、產(chǎn)氣量不穩(wěn)定;通過優(yōu)化鉆井布置、改進鉆井結(jié)構(gòu)、選擇適當?shù)奶坠艿却胧瑢︺@井設(shè)計進行了改進和完善，提高了地面鉆井的穩(wěn)定性。

3.1 存在問題

(1)受地質(zhì)、水文條件影響，鉆井往往在基巖面附近發(fā)生錯斷，地下水隨回采不斷下泄，使新地層的流砂逐漸堵塞在鉆井中，造成鉆井不透氣。

(2)采高大、回采速度快，上覆巖石移動破壞加劇，工作面周期來壓頻繁，使鉆井遭受巨大的剪切力作用，在抽采過程中鉆井發(fā)生錯斷，鉆井的穩(wěn)定性難以保證。

(3)工作套管的產(chǎn)氣篩管較長，強度較弱，這在一定程度上也影響了鉆井的穩(wěn)定性。

3.2 改進措施

(1)地面鉆井盡可能布置在靠近回風巷一側(cè)，減少在工作面中部布置地面鉆井，延長鉆井服務(wù)期限。

(2)一開鉆井石油護壁套管延伸下至13－1煤層頂部，在新地層和基巖面以下一定深度內(nèi)形成雙層石油套管，并采用高強度水泥漿分別進行高壓固井，對技術(shù)套管起到了有效的保護作用。

(3)為防止井底產(chǎn)生堵塞，將鉆井篩管下口至11－2煤層頂板留有一段巖柱，在巖柱段設(shè)計施工小直徑的裸孔口袋與冒落帶采空區(qū)直接溝通，以利于管內(nèi)水和煤泥流入采空區(qū)，防止下口堵塞。

(4)在目的產(chǎn)氣煤層段下入單層篩管，篩管采用高強度石油套管進行加工，不固井，產(chǎn)氣篩管與上部護壁套管設(shè)計一段重疊段，篩管長度根據(jù)煤層條件設(shè)計，篩管為圓孔。

應(yīng)用掏穴鉆進技術(shù)對篩管井段擴大鉆井直徑，以增大篩管與井壁的間隙，從而通過篩管周邊間隙和篩孔達到全層同時預抽、卸壓瓦斯的目的。

3.3 鉆井結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

(1)改進前鉆井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進前鉆井結(jié)構(gòu)簡圖

(2)鉆井結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖2所示。

4 常規(guī)鉆進垂直成井關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)備選擇

地面鉆井施工設(shè)備的選擇既要實現(xiàn)安全鉆進成井的目的，又要最大限度地降低成本;通過對比分析，選用TSJ2600型轉(zhuǎn)盤式工程鉆機及其配套設(shè)備、機具。

(1)井架:A27/31型，額定負荷70/130 t，工作臺高度18 m;

(2)泥漿泵:TBW850～1200/7B型;

(3)動力機:308 kW柴油機或相匹配的發(fā)電機組;

4.2 施工順序及要求

4.3 垂鉆技術(shù)措施

地面鉆井防斜是現(xiàn)場施工碰到的難題之一。井斜超標，則會影響固井質(zhì)量，首先造成下套管困難，同時套管下入后不易居中，造成固井竄槽、套管外冒氣。我們采取優(yōu)化鉆具組合、施工方案與使用特殊鉆井技術(shù)并用，進行防斜糾斜。

(1)依據(jù)設(shè)備技術(shù)性能與鉆遇地層情況，采用先打?qū)蚩兹缓髷U孔成井的工藝方法;新生界地層鉆進嚴格控制井斜度≯0.5°，否則，一是及時采取措施進行控制，二是繪制鉆井軌跡圖預測發(fā)展方向，制定相應(yīng)糾正措施。

(2)優(yōu)化鉆具組合，保證足夠的鉆鋌重力，利用由同徑扶正器組成的滿眼剛性防斜鉆具，或單、雙扶正器組成鐘擺糾斜鉆具，提高鉆具穩(wěn)定性;優(yōu)化鉆進參數(shù)，依據(jù)礦區(qū)地層條件，在鉆進過程中，采用大泵量、低鉆壓(20～30 kN)、合理轉(zhuǎn)速鉆進，操作平穩(wěn)，送鉆均勻，結(jié)合劃眼修正井壁，確保井身質(zhì)量。

(3)常規(guī)防斜技術(shù)只能部分緩解質(zhì)量與效率的矛盾，從根本上解決問題需要采用特殊鉆井技術(shù)?；趯κ┕こ杀镜目紤]，在易斜的關(guān)鍵井段部分采用組合導向螺桿鉆具及有線隨鉆定向鉆進技術(shù)，既控制井斜、解放鉆壓，又控制成本，提高鉆進的綜合效益。

4.4 下管、固井

(1)采用石油專用的可鉆式浮箍、高壓固井車(見圖3、4)用于下管、固井，替代傳統(tǒng)的打水泥座或焊鋼板浮力塞加單向注漿閥下套管固井工藝，節(jié)約了工程成本，保證了成井質(zhì)量。在下入273 mm護壁套管及178 mm技術(shù)套管時，采取安裝彈性扶正圈進行扶正，使套管位于鉆井中心，保證固井質(zhì)量。(2)在178 mm技術(shù)套管的浮箍與篩管結(jié)合部位，采用自制219 mm壓力止?jié){塞過度連接;止?jié){塞以上環(huán)空間隙進行固井，防止下部篩管外環(huán)間隙沉淀水泥漿。

圖3 可鉆式浮箍

圖4 高壓固井車

4.5 特殊測井措施

采用孔內(nèi)電視測井技術(shù)，檢查地面鉆井完井質(zhì)量。

5 掏穴鉆進技術(shù)工藝

掏穴鉆進成井技術(shù)是鉆井技術(shù)中一項特殊的工藝方法，具有很多優(yōu)越性，鉆進時利用掏穴鉆頭擴大井眼直徑，可以不受套管直徑限制，滿足特殊成井的需要，優(yōu)化鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計?；茨系V區(qū)掏穴鉆進鉆遇地層主要以泥巖、砂巖與煤層為主，鉆進總厚度約70～120 m。

5.1 掏穴鉆頭

5.1.1 鉆頭組成與原理

采用國產(chǎn)PDC掏穴鉆頭(專利號ZL201020180876.6，如圖5所示)，鉆頭由PDC刀翼、內(nèi)置打開總成、鉆頭體組成。刀翼打開機理是由通過鉆頭體流動的流體產(chǎn)生的壓差與旋轉(zhuǎn)離心力進行整體液壓啟動來實現(xiàn)的。

圖5 掏穴鉆頭

5.1.2 鉆頭設(shè)計特點

(1)鉆頭結(jié)構(gòu)簡單、耐用、易操作及可靠性強。

(2)刀翼為內(nèi)置式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可保證刀翼在上下鉆過程中不外張，便于順利通過套管。

(3)擴眼PDC刀翼為近拋物線結(jié)構(gòu)設(shè)計，對地層實現(xiàn)多級切削，鉆進效率高。采用PDC復合片作為切削刃，出刃高，自銳性好，可提高擴眼效率;擴眼刀翼設(shè)有保徑齒，可有效避免產(chǎn)生“錐形”井眼。

5.2 掏穴鉆進鉆具組合及參數(shù)

參數(shù)控制:鉆進參數(shù)選擇上，要充分考慮井眼軌跡、鉆具組合、設(shè)備狀況、孔內(nèi)安全等方面的問題，以小鉆壓、低轉(zhuǎn)速、中等泵量為原則。鉆壓5～15 kN，轉(zhuǎn)速44～65 r/min，泵壓5 MPa以上。

5.3 鉆井液技術(shù)

根據(jù)鉆遇地層情況和掏穴鉆進成井特點，選用泥漿性能應(yīng)具有懸浮攜帶能力強、潤滑性能好、固相含量低及低失水性等特征。經(jīng)施工實踐，采用適合淮南礦區(qū)掏穴鉆進施工的高粘、低固相泥漿體系，并嚴格按照“嚴格計量、分別溶解、依次加入、性能調(diào)解、充分攪拌”的鉆井液配制工藝進行操作。

配方:清水+膨潤土+純堿(Na2CO3)+鉆井專用高粘纖維素(CMC)+聚丙烯酸鉀(K－PAM)+KP共聚物。

泥漿性能:漏斗粘度30～35 s，密度1.04～1.08 kg/L，失水量8～10 mL/30 min，pH值8～9，泥餅厚度＜1.0 mm。

采用40～80目振動篩與旋流器進行固控。

5.4 鉆進技術(shù)措施

(1)準確丈量鉆具及掏穴鉆頭，丈量掏穴鉆頭時有效長度是母扣端至擴眼刀翼支點的距離。

(2)采用PDC掏穴鉆頭，從13－1煤層頂部預定井深由上向下(下行式)進行掏穴鉆進。在預定擴眼位置上下5 m范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)上下鉆頭不少于10次，造好臺肩后，方可正常鉆進。

(3)鉆進前應(yīng)將井內(nèi)的巖屑沖干凈，確保井眼暢通。

(4)下鉆前，掏穴鉆頭應(yīng)在井口做打開試驗，同時記錄轉(zhuǎn)速、泵壓參數(shù)，記錄當打開鉆頭刀翼時的最大壓力數(shù)值，注意觀察鉆頭刀翼開合是否靈活，打開后的直徑是否符合設(shè)計要求。下鉆時控制下鉆速度、平穩(wěn)操作、嚴禁轉(zhuǎn)動鉆柱，注意懸重變化，遇阻不得硬下。

(5)掏穴鉆頭下放到掏穴井段后，先開車慢速回轉(zhuǎn)并小泵量打壓，觀察泥漿泵壓力;預計泵壓額定值后，鉆頭刀翼打開，等泵壓突然降低、井口返漿，再開始正常給壓鉆進。

(6)開始掏穴鉆進應(yīng)及時觀察、記錄各種參數(shù)，在13－1煤層開始掏穴時轉(zhuǎn)速要小，不能活動鉆具，待大量煤屑上返后，根據(jù)煤屑上返情況分析掏穴效果。掏穴過程中不能隨意停泵，以免造成巖煤屑進入鉆頭體發(fā)生堵塞憋泵現(xiàn)象和卡、埋鉆具。

(7)由于掏穴井段深度大，應(yīng)針對不同巖性靈活掌握鉆進參數(shù);當鉆遇煤層矸石或硬的砂巖時，應(yīng)減小鉆壓，給壓穩(wěn)定，以免影響鉆頭使用壽命;當在某一深度鉆進困難或扭矩發(fā)生異常時，輕微上提下放活動鉆具。

(8)掏穴鉆進時，若機械設(shè)備及井內(nèi)發(fā)生異常，應(yīng)及時起鉆查看鉆頭;檢查鉆頭是否損壞和鉆頭刀翼打開情況，仔細分析原因，調(diào)整鉆進參數(shù)或更換鉆頭。

(9)在上鉆過程中，若阻力比正常上下鉆具偏大，則說明切削刀翼未完全縮回，應(yīng)下放鉆頭至井徑擴大井段，開泵旋轉(zhuǎn)使刀翼達到伸張自如狀態(tài)，然后上鉆。

6 應(yīng)用效果

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，成功投入使用的常規(guī)地面鉆井瓦斯平均抽采量為68萬m3/年;采用掏穴鉆進技術(shù)，成功投入使用的地面鉆井瓦斯平均抽采量為90萬m3/年，并且鉆井成功率高出30%，單井服務(wù)年限平均延長2～4.5年。

7 結(jié)語

(1)淮南礦區(qū)地面鉆井抽采瓦斯技術(shù)的成功應(yīng)用，是繼以傳統(tǒng)的煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工，到工作區(qū)地面大口徑集排井施工，以解決煤礦應(yīng)急抽排、瓦斯超標抽排與綜合利用等生產(chǎn)技術(shù)難題，逐步成為煤礦瓦斯防治與綜合開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)方法和主要措施。

(2)掏穴鉆進技術(shù)的成功應(yīng)用，使得地面鉆井抽采瓦斯成為一種更加有效的瓦斯治理方法;今后就掏穴鉆頭的設(shè)計和掏穴鉆進技術(shù)措施應(yīng)不斷完善提高，為同類地層擴底鉆進提供更加合理的施工工藝。

(3)地面鉆井在生產(chǎn)礦井采動的影響下，能長期、連續(xù)、穩(wěn)定地抽采煤層瓦斯，改善礦井安全生產(chǎn)條件和兼作煤層氣開發(fā)利用。同時地面鉆井又能達到采動區(qū)、采空區(qū)瓦斯抽采一井兩用的效果，是一項煤與瓦斯共采的綠色開采技術(shù)，在淮南礦區(qū)發(fā)展前景十分廣闊。

［1］劉志強，胡漢月，史兵言，等.煤層氣多分支水平井技術(shù)探討［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6):6－9.

［2］史兵言，李玉良.煤層氣擴穴鉆頭的研制與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(6):5－7.

［3］袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局國際交流合作中心.第一屆中國國際煤礦瓦斯防治與利用大會論文集［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.

［5］周德昶.地面鉆井抽采瓦斯技術(shù)的發(fā)展方向［J］.中國煤層氣，

2007，(1).