煤礦采動區(qū)地面L型瓦斯抽采多分支井鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究

胡焮彭 栗子劍

中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司 陜西 西安 710000

煤礦區(qū)瓦斯抽采技術(shù)是治理煤層瓦斯災(zāi)害的主要途徑[1]。針對淮北礦區(qū)瓦斯治理問題[2]，各煤礦通常采用井下順煤層鉆孔、高抽巷抽采、地面瓦斯采動直井等常規(guī)瓦斯抽采技術(shù)，以保障煤礦生命周期全過程開采。但隨著開采深度的不斷延伸，存在井下治理周期長、采掘工序銜接緊張，地面瓦斯采動直井抽采范圍較小、施工場地受限、整體成本較高、抽采效果不佳等問題[3-4]。為解決礦井生產(chǎn)安全和煤與瓦斯突出的矛盾，結(jié)合井下高位鉆孔及地面直井抽采技術(shù)，提出在地面施工L型水平井，將水平段設(shè)置在沿煤層走向垂距合適的頂板中，通過煤層采動過程中的卸壓增透影響，使上覆巖層裂隙帶形成瓦斯釋放及抽采通道。但地面L型井抽采技術(shù)往往會受到鉆井施工質(zhì)量的影響，也會因傳統(tǒng)地面L型采動井覆蓋面積的受限，從而影響抽采效率，導(dǎo)致無法充分滿足抽采需求。為針對不同礦井對地面L型井井位布置及井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的現(xiàn)實(shí)要求及成井技術(shù)難點(diǎn)，利用許疃煤礦某工作面地面L型瓦斯抽采多分支井工程，開展對地面L型瓦斯抽采多分支井高效鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的分析研究，對于推動淮北礦區(qū)采煤采氣一體化發(fā)展意義重大。

1 井位及層位優(yōu)化選擇

地面L型多分支采動井井位及井眼層位的優(yōu)化布設(shè)對于煤層卸壓瓦斯抽采效果尤為重要。根據(jù)礦區(qū)工作面具體條件與抽采需求，結(jié)合地面L型井穩(wěn)定性及煤層瓦斯儲集分布情況，從井眼鉆進(jìn)軌跡水平投影面及軌跡剖面兩個方面對井眼位置布設(shè)及層位優(yōu)選進(jìn)行研究。

在軌跡水平投影面上，由于L型采動井瓦斯抽采機(jī)理與高抽巷瓦斯抽采機(jī)理相似，根據(jù)覆巖采動裂隙“O”型圈分布特征，將L型井雙分支水平段設(shè)置在預(yù)采工作面“O”型圈范圍內(nèi)，距離回風(fēng)巷近側(cè)0.2-0.4倍的工作面采寬[5-6]；開孔位置位于工作面外側(cè)，造斜段水平投影位置著陸在預(yù)計收作線處，有利于井眼抽采時間的增加和抽采范圍的擴(kuò)大。地面L型分支井平面布置如圖1所示。

圖1 地面L型井井位平面示意圖

在軌跡剖面上，基于工作面采掘過程中覆巖移動規(guī)律及采動影響，結(jié)合應(yīng)力擾動使煤層頂板垮落形成的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶高度，確定水平段軌跡垂向的布設(shè)層位及終孔位置。井眼剖面軌跡層位設(shè)置考慮到距煤層頂板較近時，水平段篩管會受到上覆巖層位移影響，導(dǎo)致擠壓變形甚至錯斷，無法形成抽采卸壓瓦斯的有效通道；距煤層頂板較遠(yuǎn)時，裂隙發(fā)育程度較小，影響卸壓瓦斯進(jìn)入井筒內(nèi)，使瓦斯量明顯減少。為增加水平段井眼軌跡與裂隙帶的接觸面積，補(bǔ)充主支水平段的抽采盲區(qū)，使水平井的生產(chǎn)影響范圍最大化，采用L型雙分支結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)各工作面實(shí)際情況及煤層厚度、采高，通過導(dǎo)向鉆進(jìn)將水平段軌跡置于煤層頂板導(dǎo)氣裂隙帶中，雙支下傾平行布置，主孔終孔位置進(jìn)入冒落帶上部，分支孔終孔位置位于裂隙帶內(nèi)，待工作面回采后使裂隙水與運(yùn)移瓦斯實(shí)現(xiàn)分流，從而影響抽采效果。地面L型分支井剖面布置如圖2。

圖2 地面L型井軌道剖面示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

分析所在區(qū)域巖層位移數(shù)據(jù)，保證直井段能夠承受采場覆巖劇烈運(yùn)動影響的同時，水平井段位于采動后裂隙發(fā)育聯(lián)通區(qū)且不會發(fā)生垮塌堵塞[7-8]。根據(jù)淮北礦區(qū)地面采動井實(shí)踐及鄰井施工情況，考慮到采動區(qū)的拉剪綜合破壞效應(yīng)，地面L型井采用三開井身結(jié)構(gòu)。一開鉆進(jìn)至基巖面以下30m，下Φ339.7mm表層套管，注水泥漿固井；二開鉆進(jìn)至煤層頂板巖層著陸，下Ф244.5mm技術(shù)套管，注水泥漿固井，封固上部不穩(wěn)定地層及主要含水層；三開施工主支M，鉆進(jìn)至設(shè)計井深后，下入Ф168.3mm鋼篩管洗井；起鉆至設(shè)計位置下入可回收斜向器，進(jìn)行套管開窗作業(yè)，開始分支L施工，鉆進(jìn)至設(shè)計井深后，下入Ф168.3mm鋼篩管洗井，起出可回收斜向器，以保證主分支暢通。地面L型分支井井身結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 地面L型井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 井眼軌跡優(yōu)化與控制

井眼軌跡的優(yōu)化與控制是實(shí)現(xiàn)軌道平面投影及剖面上在設(shè)計層位中延伸的關(guān)鍵。采用“螺桿馬達(dá)+LWD/MWD”鉆具組合進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工，先鉆進(jìn)小導(dǎo)眼預(yù)探標(biāo)志層及目的層位參數(shù)，再結(jié)合錄井信息及隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整二開著陸方案。三開將主、分支水平段軌跡控制在煤層上覆巖層中，根據(jù)覆巖垮落特征及“三帶”的分布規(guī)律，使其在距煤層頂板3-8倍采高范圍內(nèi)延伸。為避免采氣通道裂隙水集聚，出現(xiàn)“水鎖”現(xiàn)象，影響瓦斯抽采效果，主、分支軌跡姿態(tài)均需保持下傾，實(shí)時監(jiān)測各項(xiàng)參數(shù)精確控制井斜不得超過90°，使軌跡無過大起伏的同時，嚴(yán)格控制軌跡與煤層頂板的垂向間距。

2.3 側(cè)鉆開窗工藝

由于主井眼著陸后需保持水平段在目的層位的控制余量，從而垂距煤層較遠(yuǎn)，形成一段距離的抽采盲區(qū)，為補(bǔ)償并擴(kuò)大井眼影響范圍，采用套管開窗側(cè)鉆技術(shù)[9]，節(jié)約整體成本的同時，提高瓦斯抽采效率。采用斜向器套管開窗技術(shù)[10]，引進(jìn)可回收式斜向器，斜向器采用液壓膠塞座封方式。選擇兩趟鉆開窗工藝，即第一趟鉆完成座封作業(yè)，第二趟鉆下入銑錐完成磨銑套管開窗及修窗作業(yè)。開窗時下入銑錐控時鉆進(jìn)，先采用小鉆壓5-10KN，轉(zhuǎn)速60r/min，根據(jù)上返巖屑及丈量開窗工具尺寸判斷開窗進(jìn)度并逐漸加壓，確定開窗成功后，進(jìn)行修窗作業(yè)。開窗銑錐技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 銑錐技術(shù)參數(shù)表

2.4 篩管懸掛完井技術(shù)

為適應(yīng)淮北煤田大部分礦井存在含水層的地質(zhì)情況，以及保證在回采過程中卸壓抽采通道的安全和貫通，采用一二開固井，三開懸掛篩管的完井方式，井底連接密封管與篩管引鞋。利用內(nèi)外雙層管柱結(jié)構(gòu)，將篩管連接懸掛器懸掛裝置下入裸眼井段，通過機(jī)械丟手完成懸掛器中心總成與懸掛裝置的脫離。篩管完井管柱示意圖如圖4所示。

圖4 篩管完井管柱結(jié)構(gòu)示意圖

篩管內(nèi)部組合為拋光管（帶噴孔）+沖管+懸掛器中心總成，采用拖動分段射流洗井技術(shù)，調(diào)配適當(dāng)濃度活性水洗井液通過篩管孔眼流動沖洗篩管外井壁，以及清洗堵塞井筒末端的巖屑，破壞并清除鉆井液泥餅，使裂隙瓦斯得到充分釋放，并在側(cè)鉆點(diǎn)及鉆井過程中煤層垮塌嚴(yán)重處進(jìn)行定點(diǎn)洗井。洗井時間控制約10-12h，完成后用后置液頂替完井。

3 實(shí)驗(yàn)效果

以淮北礦區(qū)許疃煤礦某采掘工作面為例，進(jìn)行了地面L型瓦斯抽采多分支井鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。該工作面開采32煤層，煤層絕對瓦斯涌出量為4.88～8.89m3/min，平均6.20m3/min。將地面L型瓦斯抽采多分支井主、分支眼水平段平面位置布置于工作面回風(fēng)巷向下65m；主井眼軌跡著陸后距離32煤頂板以上約42m，主井眼著陸后下傾，后延伸至垂距32煤頂約19m，末端進(jìn)入工作面采空區(qū)附近冒落帶，主支進(jìn)尺1836m；分支井眼為彌補(bǔ)主井眼水平段前部抽采缺陷，優(yōu)選開窗側(cè)鉆點(diǎn)為625m，開窗側(cè)鉆后使其軌跡落底垂距煤頂板約17m，分支進(jìn)尺614m。主分支均下入鋼篩管，規(guī)格為Φ168.3mm×8.94mm×J55，并完成洗井作業(yè)，回收斜向器后完井。

該井充分利用煤層卸壓增透效應(yīng)，使用負(fù)壓抽采工藝，抽采瓦斯?jié)舛绕骄蛇_(dá)47%，純量最高達(dá)7.2m3/min，平均5.4m3/min，達(dá)到良好的瓦斯抽采效果，對工作面采掘過程中瓦斯威脅起到積極作用。

4 結(jié)語

（1）針對淮北礦區(qū)原有井下抽采措施及地面采動直井優(yōu)缺點(diǎn)分析，進(jìn)行地面L型瓦斯抽采分支井鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)高效完鉆地面L型多分支瓦斯采動井的施工，為采掘工作面瓦斯涌出問題提出優(yōu)化解決方案。

（2）通過地面L型瓦斯采動井高效成井技術(shù)，使井筒抽采覆蓋面積擴(kuò)大，顯著降低了回采工作面瓦斯涌出量及瓦斯?jié)舛龋鉀Q采掘接替緊張局面。該技術(shù)為后期同類型瓦斯采動井提供一定借鑒經(jīng)驗(yàn)，更易于在淮北礦區(qū)應(yīng)用及推廣。