煤礦采空區(qū)煤層氣井鉆井工藝

李稱心

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

我國(guó)煤炭資源豐富，是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。而煤層氣作為一種新型的清潔能源，是一種與煤伴生并以吸附態(tài)形式自生自儲(chǔ)于煤層中的非常規(guī)天然氣。因此，我國(guó)也是煤層氣資源最為豐富的國(guó)家之一。煤層氣開發(fā)利用不僅對(duì)我國(guó)能源保障和煤礦安全具有重要意義，而且對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)清潔能源發(fā)展也具有重大意義。

煤礦長(zhǎng)期開采形成了采空區(qū)，基于煤層氣在殘留煤礦采空區(qū)的賦存形式，一定濃度的煤層氣游離于采空區(qū)，便于直接抽采，不需要像致密(頁巖)氣那樣開發(fā)，需要進(jìn)行大型壓裂，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞?；谖覈?guó)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2020年，我國(guó)關(guān)閉/廢棄礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到12000處，到2030年數(shù)量將到達(dá)15000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，非常規(guī)天然氣(煤層氣)近5000億m3，煤礦采空區(qū)煤層氣開采具有很好的商業(yè)價(jià)值與前景。因此，需要從地面鉆井鉆達(dá)煤礦采空區(qū)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行煤層氣再開采。

同時(shí)，我國(guó)煤炭開采方式也是遵循由淺入深開采。例如山西省沁水盆地煤炭資源豐富，晉城礦區(qū)3號(hào)煤層經(jīng)過幾十年開采，產(chǎn)能不足，需要產(chǎn)能續(xù)接，必須對(duì)3號(hào)煤層下組9號(hào)、15號(hào)煤層進(jìn)行開采。而前期取芯測(cè)試，9號(hào)、15號(hào)煤層含氣量較高，平均含氣量分別為17.84m3/t、24.10m3/t，屬于高瓦斯礦井。根據(jù)煤炭安全開采以及瓦斯高效利用，必須對(duì)其進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采。因此，需要在地面鉆井，穿過采空區(qū)，對(duì)下部煤層氣進(jìn)行開采。

1 煤礦采空區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)

1.1 煤礦采空區(qū)的形成

因煤礦開采過程，需要將地下煤炭資源開采運(yùn)走，一般會(huì)在掘進(jìn)過程中，采用類似道路上過山隧道方法，逐步打通地下煤炭所在位置到煤礦井口間的隧道，將開采過程中遇到的礦石、煤炭等運(yùn)送到地面，以便形成合理的運(yùn)送和開采作業(yè)面，隨著煤炭和其他礦石的不斷運(yùn)出，地下就形成了煤炭采空區(qū)(圖1)。

1.2 煤礦采空區(qū)“三帶”的形成

(1)冒落帶：是指工作面回采后引起的煤層上覆巖體完全垮落的那部分巖層。該層巖石具有不規(guī)則性、碎脹性和密實(shí)度差的特征。

A—煤壁支撐影響區(qū)；B—離層區(qū)；C—重新壓實(shí)區(qū)1—冒落帶；2—裂隙帶；3—彎曲下沉帶圖1 采空區(qū)“三帶”示意圖

(2)裂隙帶：是指該部分巖層在推進(jìn)方向上裂隙的發(fā)育，各巖層的裂隙濃度已擴(kuò)展到(或接近擴(kuò)展到)全部厚度。在采場(chǎng)推進(jìn)過程中能夠以“傳遞巖梁”的形式周期性斷裂運(yùn)動(dòng)，在推進(jìn)方向上能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的主要壓力也是來源該部分巖層。裂隙帶隨煤層開采，覆巖的沉降、離層、破壞的形成具有從發(fā)生、發(fā)育(上升)、最大高度、回降、穩(wěn)定的發(fā)育過程，裂隙帶最終形態(tài)必須是在工作面開采范圍達(dá)到一定程度。

(3)彎曲下沉帶：裂隙帶以上，有時(shí)直至地面的這一帶稱為彎曲帶。從整體上看，該帶巖體在自重作用下產(chǎn)生彎曲變形面不再破裂，只在地表下沉區(qū)邊緣因彎曲而出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位，產(chǎn)生一些隨深度增加而逐漸閉合的張性裂陳。

1.3 采空區(qū)溫度、壓力情況及三帶高度的確定

以沁水盆地晉城礦區(qū)為例，3號(hào)煤層埋深在300～800m，平均地溫梯度35.3℃/km，采空區(qū)地層壓力系數(shù)0.7～0.9，鉆井液密度1.02～1.10 g/cm3，固井水泥漿密度1.50～1.90 g/cm3。

根據(jù)晉城煤礦地質(zhì)資料以及鉆井的可鉆性分析可知，3號(hào)煤層頂板的直接頂為泥巖，較軟，基本頂為中砂巖、泥巖和粉砂巖夾少量礫巖，硬度不高，基本頂與直接頂厚度之和大于30m，參照表1，選擇中硬巖性作為計(jì)算公式比較接近。

已知3號(hào)煤層平均厚度M=4.2m，則Hm=(11.7±2.5)m；Hl=(22.1±6.5)m

表1 采空區(qū)三帶高度的計(jì)算公式

1.4 井身結(jié)構(gòu)及示意圖(表2、圖2)

表2 井身結(jié)構(gòu)

圖2 采空區(qū)鉆井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 水基鉆井液常規(guī)鉆井技術(shù)

采用常規(guī)鉆井技術(shù)鉆進(jìn)至采空區(qū)裂隙帶中上部，鉆井液發(fā)生惡性失返性漏失，由于其裂隙尺寸較大，常規(guī)堵漏(橋堵)無法實(shí)現(xiàn)架橋；聚合物凝膠堵漏、水泥堵漏，由于強(qiáng)度不高或不易在漏層中停留，導(dǎo)致堵漏無法成功。鉆井過程中，大量的鉆屑無法正常的攜帶出井眼，導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等事故的發(fā)生。

2.2 空氣鉆井技術(shù)

為解決采空區(qū)裂隙帶漏失鉆井難題，采用空氣鉆井技術(shù)，基本解決了井漏問題。齊治虎等在沁水盆地寺河煤礦采用空氣鉆井技術(shù)，成功鉆穿了3號(hào)煤層采空區(qū)，鉆達(dá)煤下組15號(hào)煤層。同時(shí)，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，由于受地面設(shè)備限制，無法增加風(fēng)量，轉(zhuǎn)成空氣泡沫鉆井，提高空氣的攜巖能力，使鉆井目的順利完成。

但是空氣鉆進(jìn)時(shí)鉆具與巖石撞擊摩擦產(chǎn)生熱量，加上井筒內(nèi)循環(huán)空氣的影響，必然導(dǎo)致采空區(qū)有瓦斯自燃甚至是爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 氮?dú)忏@井技術(shù)

為解決空氣鉆井過程中瓦斯與空氣接觸發(fā)生自燃的危險(xiǎn)以及存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，晉煤藍(lán)焰公司在寺河礦-5井成功試驗(yàn)了氮?dú)忏@井技術(shù)，不僅解決了井漏問題，還杜絕了鉆進(jìn)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，晉煤集團(tuán)對(duì)鉆穿采空區(qū)的該項(xiàng)技術(shù)和井身結(jié)構(gòu)申請(qǐng)了專利保護(hù)。但為提高鉆屑上返速度，確保鉆井安全，該鉆井技術(shù)需要額外增加外圍鉆井設(shè)備(4臺(tái)空壓機(jī)、2臺(tái)增壓機(jī)、1臺(tái)制氮機(jī))，大幅增加了鉆井成本，限制了技術(shù)推廣進(jìn)度。

2.4 幾種可行性技術(shù)研究

(1)李俊峰對(duì)晉城礦區(qū)過采空區(qū)鉆井抽采煤層氣進(jìn)行了可行性分析，提出套管鉆井技術(shù)省去了起鉆、通井、循環(huán)和下套管等環(huán)節(jié)，克服了常規(guī)鉆井停鉆或提鉆而造成井下埋鉆事故和塌孔事故的缺點(diǎn)，并提出了一系列的可行性技術(shù)建議。同時(shí)，山西藍(lán)焰集團(tuán)對(duì)李俊峰的晉城礦區(qū)過采空區(qū)鉆井抽采煤層氣可行性分析中的套管鉆井技術(shù)及分段孔底封堵破碎巖石相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)了專利保護(hù)。閆泊計(jì)以晉煤集團(tuán)3號(hào)煤采空區(qū)為例，針對(duì)過采空區(qū)施工中煤體自燃及破碎松散地層安全鉆井問題，提出最佳解決方案為氮?dú)忏@井技術(shù)與跟管鉆井技術(shù)相結(jié)合。

(2)李彥明針對(duì)礦區(qū)采空區(qū)煤層氣鉆井過程中極易發(fā)生井漏、卡鉆、下套管遇阻等施工難題，研制了高強(qiáng)度套管、可鉆式鉆頭及開發(fā)堵漏鉆井液，可以將套管鉆井技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用于采空區(qū)地層鉆井，為采空區(qū)煤層氣開發(fā)提供了一種新的技術(shù)途徑。

2.5 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.5.1 空氣及氮?dú)忏@井的優(yōu)缺點(diǎn)

空氣鉆井以空氣作為介質(zhì)，一方面能大幅提高機(jī)械鉆井速度，另一方面作為循環(huán)介質(zhì)的空氣密度低，對(duì)井眼形成的壓力較低，在鉆井過程中不存在鉆井液的漏失，能有效解決長(zhǎng)段復(fù)雜地層的井漏問題，大幅度降低井漏損失，加快鉆井工程進(jìn)度，提高煤層氣勘探開發(fā)效益。但采用空氣鉆井過采空區(qū)，增加了采空區(qū)中氧氣的濃度，加之空氣鉆具與井下巖石摩擦過程產(chǎn)生熱量聚積，鉆井過程中時(shí)有發(fā)生自燃的現(xiàn)象。同時(shí)，也增加了采空區(qū)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

氮?dú)忏@井不僅具有了空氣鉆井的優(yōu)勢(shì)，還因?yàn)檠h(huán)介質(zhì)為惰性氣體，有冷卻效果，同時(shí)，避免了采空區(qū)鉆井中的自燃問題及爆炸的安全隱患。

但是，空氣/氮?dú)忏@井技術(shù)也受地質(zhì)條件所限制，對(duì)于出水地層，由于地層水能使黏土顆粒凝結(jié)膨脹，容易造成環(huán)空堵塞及卡鉆事故；破碎/松散地層，井壁不穩(wěn)定，鉆井過程中巖屑受到上返速度限制不能及時(shí)攜帶出井眼，也會(huì)出現(xiàn)卡鉆事故。而對(duì)于裂隙發(fā)育地層(采空區(qū)、溶洞)，在風(fēng)量一定情況下，“漏氣”勢(shì)必會(huì)使上返速度降低，從而增加了卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，空氣/氮?dú)忏@井技術(shù)需要地面配制一定數(shù)量的動(dòng)力設(shè)備(如空壓機(jī)、增壓機(jī)、制氮機(jī))，增加了鉆井成本，與低成本開采煤層氣現(xiàn)狀相矛盾，因此，不具備廣泛推廣的價(jià)值。

2.5.2 跟管及套管鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)

跟管及套管鉆井技術(shù)針對(duì)破碎/松散地層能夠及時(shí)用套管封隔，減少鉆井過程中起下鉆通井、下套管作業(yè)過程，避免了通井卡鉆、套管下不到位等復(fù)雜事故的發(fā)生。

跟管鉆井由于套管串與鉆頭連接且套在鉆桿串上，增加了鉆具的剛性，鉆井過程中增大了阻卡的風(fēng)險(xiǎn)。套管鉆井采用可鉆式鉆頭，下開次鉆井需要先用磨銑鉆頭將可鉆式鉆頭磨掉，則要浪費(fèi)一只鉆頭。而采用可撈式鉆頭，其工具串結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，造價(jià)高，存在回收失敗的風(fēng)險(xiǎn)增加打撈的風(fēng)險(xiǎn)。

跟管及套管鉆井對(duì)鉆機(jī)配套及輔助設(shè)備有一定要求，勢(shì)必會(huì)增加鉆井成本，因而對(duì)于煤層氣鉆井普及推廣不具備現(xiàn)實(shí)意義。

2.5.3 固化堵漏工藝

固化堵漏液是將固井與堵漏相結(jié)合的一種技術(shù)，其工作原理是具有良好流動(dòng)性的固化堵漏液在鉆進(jìn)過程中進(jìn)入裂隙發(fā)育地層，在漏失通道短時(shí)間內(nèi)稠化，并形成較高的強(qiáng)度，填充漏失地層的原生裂隙，進(jìn)而阻止堵漏液進(jìn)一步向地層深處流失，從而提高地層的承壓能力，實(shí)現(xiàn)漏失地層的局部范圍堵漏。

采空區(qū)裂隙帶鉆井井漏問題得到解決，該技術(shù)具有很好的推廣價(jià)值。固化堵漏液主要由固化劑、激活劑、懸浮穩(wěn)定劑、促凝劑、緩凝劑、密度調(diào)節(jié)劑等外添加劑與清水通過摻混配置而成。其中固化劑是最基礎(chǔ)的原料，加量大，其余添加劑加量少，成本低。因此需要考察固化劑成本問題。礦渣是一種工業(yè)廢料，來源廣，價(jià)格低，可以作為固化劑凝膠材料使用。需要對(duì)不同礦渣進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出性價(jià)比高的礦渣作為固化劑使用。這樣固化堵漏液成本就控制下來了，一旦試驗(yàn)成功，必將具備廣闊的市場(chǎng)前景。

實(shí)現(xiàn)該堵漏工藝只需要采用常規(guī)鉆具鉆井，鉆至裂隙帶，發(fā)生惡性失返性漏失，地面配制固化堵漏液，候凝，試壓，鉆塞，鉆進(jìn)至裂隙帶中部中完，下開次采用尾管鉆井技術(shù)，鉆具組合為下接可鉆式鉆頭+套管+旋轉(zhuǎn)懸掛器+普通鉆桿，用清水強(qiáng)鉆50～70m，鉆揭冒落帶，鉆至3號(hào)煤層底板30m完鉆。根據(jù)試氣結(jié)果，判斷該采空區(qū)煤層氣是否具備開采價(jià)值。若具備開采價(jià)值，則上提管串40～50m，使鉆頭在采空區(qū)中上部，完井。若該層位不具備開采價(jià)值，則套管留在3號(hào)煤層底板，進(jìn)行固井，水泥返至3號(hào)煤層底板30m套管坐掛在上級(jí)套管內(nèi)，完成鉆桿與套管丟手，完井。而要鉆達(dá)采空區(qū)煤下組，則該井筒可以二次利用，先下磨銑鉆頭將可鉆式鉆頭鉆掉，然后下下一級(jí)鉆具組合開通過對(duì)采空區(qū)裂隙地層進(jìn)行有效固化封堵，并鉆進(jìn)至采空區(qū)3號(hào)煤層底板30m中完，套管下至3號(hào)煤層底板30m，固井水泥返至3號(hào)煤層底板10～30m，下開次則先用磨銑鉆頭將可鉆式鉆頭鉆掉，再采用常規(guī)鉆具使用泥漿鉆進(jìn)至15號(hào)煤層底板30m完鉆。

3 結(jié)論

(1)通過調(diào)研與分析，采空區(qū)鉆井的難點(diǎn)是裂隙帶井漏難題，新的鉆井工藝在一定程度上能解決采空區(qū)鉆井難題，但是，由于技術(shù)或者成本問題，不具備推廣應(yīng)用的價(jià)值。

(2)固化堵漏液性能指標(biāo)若能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)固化堵漏要求，則該技術(shù)一旦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功，必將推動(dòng)采空區(qū)煤層氣的開發(fā)進(jìn)度，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)也將得到改善。同時(shí)，加強(qiáng)采空區(qū)固井完井技術(shù)攻關(guān)，配合鉆井工藝，實(shí)現(xiàn)煤層氣低成本開采的目標(biāo)。

(3)提出固化堵漏液工藝配合尾管鉆井技術(shù)工藝，能使采空區(qū)煤層氣井筒合理重復(fù)利用，減少鉆井復(fù)雜，降低鉆井投入及成本，符合煤層氣低成本開發(fā)的政策。