煤礦瓦斯預(yù)抽采地面水平井與井下連通技術(shù)探討

徐培遠(yuǎn)，張曉昂

(1.河南省煤田地質(zhì)局，鄭州 450000； 2.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，鄭州 45000)

0 引言

隨著我國煤炭行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，淺層煤炭資源日益減少，煤炭開采正逐步向深部發(fā)展，瓦斯治理方法也不斷改變。目前煤層瓦斯預(yù)抽方式基本分為井下抽采和地面鉆井抽采兩大類[1]。其中井下抽采主要包含井下鉆孔抽采和巷道抽采等，地面鉆井抽采多采用多分支水平井技術(shù)，通過定向鉆井技術(shù)在入煤點(diǎn)進(jìn)入煤層后，井眼以煤層走向?yàn)榛鶞?zhǔn)延伸或者穿層而過，通過主支和分支大幅度增加瓦斯解吸面積，將地面多分支水平井通過井下鉆孔接入煤礦瓦斯抽采管路，利用地面泵站的負(fù)壓抽采目的煤層及相鄰煤層中的瓦斯，從而達(dá)到高效治理的目的[2-3]。地面多分支水平井瓦斯預(yù)抽采技術(shù)具有覆蓋面積大，采出瓦斯體積分?jǐn)?shù)高，且施工效率高的優(yōu)點(diǎn)[4-7]，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于各個地區(qū)煤礦瓦斯治理中。本項(xiàng)目充分利用地面多分支井控制面積大和井下便于集中抽采的優(yōu)勢，提高煤礦瓦斯治理及開發(fā)利用效率。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于山西柳林沙曲礦，主要任務(wù)是通過由地面施工多分支水平井，水平段進(jìn)入煤層后分別沿3+4#煤層鉆進(jìn)，與井下瓦斯抽采鉆孔實(shí)現(xiàn)對接(圖1)，由井下進(jìn)行負(fù)壓預(yù)抽采，以達(dá)到工作面煤層瓦斯提前卸壓抽采的目的，有效降低工作面原始瓦斯含量，加快礦井巷道掘進(jìn)速度，緩解礦井工作面銜接緊張的局面，以創(chuàng)造安全和經(jīng)濟(jì)雙效益，為同類型煤礦區(qū)工作面瓦斯超前治理提供經(jīng)驗(yàn)。本項(xiàng)目自2018年9月3日開鉆，11月2日完鉆開始排采。

圖1 井上與井下對接示意

2 工作區(qū)地層

工作區(qū)內(nèi)地層由上至下依次為：第四系，二疊系上石盒子組、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系峰峰組。

3+4#煤賦存于山西組中下部，上距2號煤10.34m，下距4號煤0～16.99m。含夾石1～4層，夾石厚度在0.06～0.20m居多，個別達(dá)0.50m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾石巖性以炭質(zhì)泥巖和泥巖為主。煤層上部為弱玻璃光澤，暗淡型煤，下部為粉末狀，強(qiáng)玻璃光澤，光亮型煤。頂板為深灰色泥巖，含少量植物碎片化石，厚度約2.2m；底板為深灰色砂質(zhì)泥巖，脈狀層理，富含白云母碎片及植物化石，厚度4m左右。頂板以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，泥巖、細(xì)粒砂巖次之；底板為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，含一定量的細(xì)粒砂巖和泥巖。頂板為中—細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖和粗碎屑巖。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下瓦斯鉆孔設(shè)計(jì)仰角30°鉆進(jìn)，孔徑φ153mm，下入φ108mm鋼管，固井。

地面多分支水平井設(shè)計(jì)1主支、3分支，主支水平段長1 100m，分支長300m左右。井身結(jié)構(gòu)為：一開孔徑φ311.15mm，鉆至穩(wěn)定巖層，下入φ244.5mm×8.94mm套管并固井；二開孔徑φ215.9mm，鉆至目的層，下入φ177.8mm×9.19mm套管并固井；三開孔徑φ152.4mm，主支與分支完成后，主支與井下對接抽采鉆孔連通，主支下入φ89*7mm玻璃鋼篩管并洗井。井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 多分支水平井井身結(jié)構(gòu)示意

4 施工工藝

4.1 主要鉆井設(shè)備

本次多分支水平井對接井施工主要采用XSC-1000車載鉆機(jī)。泥漿泵采用3NB1000型泥漿泵，采用φ150～170mm缸套，流量、壓力可滿足鉆井要求。連通儀器采用的是中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所自主研制的“慧磁”高精度定向?qū)酉到y(tǒng)。

4.2 鉆具組合

鉆具組合見表1。

表1 鉆具組合

4.3 鉆井參數(shù)

一開主要鉆進(jìn)表土層，鉆壓40～60kN，轉(zhuǎn)速60～80r/min,排量20～30L/s;清水鉆進(jìn)。

二開鉆進(jìn)直井段和定向段，鉆壓50～80kN，排量30～40L/s，泵壓4～8MPa；采用低固相泥漿體系。鉆井液性能：密度1.05～1.15g/cm3，黏度(馬氏漏斗粘度計(jì))28～40s，失水<0.5ml/30min。

三開水平段鉆進(jìn)，鉆壓50～100kN，排量20～30L/s，泵壓5～8MPa；采用無固相泥漿。鉆井液配方：清水+(2%～3%)KCL+(1%～2%)黃原膠+(0.1%～0.2%)防水鎖劑、鉆井液性能：密度1.03～1.08g/cm3，黏度35～45s，失水<0.2ml/30min。

4.4 連通施工

本項(xiàng)目共進(jìn)行了三次連通施工。第一次在地面多分支水平井主支鉆進(jìn)至1 235.00m，距原設(shè)計(jì)連通點(diǎn)井深(1 315.00m)80m時，分別下入強(qiáng)磁接頭和測量探管，鉆進(jìn)至1 293.00m，距原設(shè)計(jì)連通點(diǎn)距離為22.00m時，井下儀器顯示異常，經(jīng)研究判定一直未獲取真實(shí)磁信號，決定停止施工，第一次連通失敗。起鉆討論研究后，重新測算靶點(diǎn)坐標(biāo)，井深調(diào)整為1 359.00m，進(jìn)行第二次連通。下鉆正常鉆進(jìn)至1 342.00m時，連通儀器接收到磁信號，經(jīng)測算方位偏差42°，距離相差59.50m(與原測算靶點(diǎn)相距17.00m)，已無調(diào)整空間，第二次連通失敗。起鉆后討論研究決定以連通儀器顯示數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，自井深1 342.00m處退后165.00m，從井深1 177.00m開始側(cè)鉆(帶強(qiáng)磁接頭)定向鉆進(jìn)，方位由256°扭向274°，進(jìn)行第三次連通施工。鉆至井深1 323.00m，井下瓦斯孔下入連通儀器，接受到強(qiáng)磁信號，引導(dǎo)鉆進(jìn)至距靶點(diǎn)11.00m時，井下起出連通儀器；鉆進(jìn)至井深1 383.60m，泵壓由10.00MPa降至4.00MPa，井口鉆井液失返20s，失返鉆井液共計(jì)2.00m3，判定水平井鉆進(jìn)對接連通成功。井眼軌跡如圖3所示。

圖3 井眼軌跡投影

4.5 下玻璃鋼套管

連通后下入用89.00mm鉆桿連接頂送外徑89.00mm玻璃鋼篩管85根，躲過三個分支側(cè)鉆點(diǎn)及1 177.00m連通側(cè)鉆點(diǎn)，順利下入主支井段673.88～1 383.60m，段長709.72m，使用清水30m3開泵循環(huán)洗井，洗井結(jié)束后從鉆桿內(nèi)下入鋼珠開泵加壓至8MPa，在鉆桿連接玻璃鋼篩管的液壓丟手工具處憋開，起出鉆桿，完井。

5 施工效果及建議

井組施工完成后，井下瓦斯孔及地面多分支井均有瓦斯氣體溢出，在未抽采的情況下，井口壓力高達(dá)3MPa，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期。該項(xiàng)目的實(shí)施對實(shí)現(xiàn)瓦斯治理和高效開發(fā)利用具有示范意義。

本井經(jīng)過三次連通施工最終連通成功，主要原因是井下瓦斯井連通點(diǎn)點(diǎn)位未經(jīng)實(shí)際測量，由井口坐標(biāo)和鉆孔方位、井深計(jì)算得出，與實(shí)際坐標(biāo)偏差較大。建議連通井施工中一是盡可能對井下瓦斯孔進(jìn)行測量，測得精確坐標(biāo)，二是詳細(xì)辨別連通儀器測量數(shù)據(jù)的有效性，及時修正靶點(diǎn)坐標(biāo)，提高施工效率及連通成功率。