過煤礦采空區(qū)地面瓦斯抽采鉆井施工技術

李亞輝

（1.河南省煤田地質局，河南 鄭州 450016；2.河南省能源鉆井工程技術研究中心，河南 鄭州 450016；3.河南豫中地質勘察工程公司，河南 鄭州 450016）

1 項目區(qū)基本概況

本項目位于晉城礦區(qū)，礦區(qū)位于山西沁水盆地東南緣，整體處于太行山南段與中條山北緣的結合部，地勢東南低、西北高，地形以低山一丘陵為主，斷裂構造較少，地層走向總體為北北東向，傾向為東西向，兩翼基本對稱，多以褶皺構造發(fā)育為主，斷層總體較少。構造總體特征較為簡單。發(fā)育地層為寒武系，奧陶系峰峰組(O2f)，石炭系本溪組(C2b)和太原組(C3t)，二疊系山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、上石盒子組(P2s)和石千峰組(P2sh)，三疊系，侏羅系，第三系和第四系，地層傾角在南北兩端相對較小，地層較平緩。該礦區(qū)主要煤層為3#、9#、15#煤層， 3#煤埋深500 m左右，煤層厚度5.0 m，15#煤埋深600 m左右，煤層厚度3.0～5.0 m，其中3#煤層為主采煤層，采空區(qū)放頂影響深度為煤層厚度的5～8倍。3個主采煤層對甲烷均具有較強的吸附性能，平均吸附容量為42.33 m3/t；儲層滲透率大多小于0.1×10-3μm2，屬于中-低滲；儲層壓力平均為3.73 MPa，屬于低壓；煤層氣飽和度分別為117%、96.4%、107%，基本處于過飽和或飽和狀態(tài)。經(jīng)過多年的探索試驗，該區(qū)煤層氣開發(fā)達到商業(yè)化規(guī)模，成效顯著。

2 項目施工目的和難點

2.1 施工目的

根據(jù)施工要求，在原有地面抽采煤層氣老區(qū)，選擇合適井位，穿過已開采的3#煤層采空區(qū)，鉆穿底部15#煤層底板60 m后完鉆，下入技術套管，采用水泥固井，經(jīng)水力壓裂后，開發(fā)抽采利用9#、15#煤層賦存的煤層氣。

2.2 施工難點

（1）該項目礦區(qū)3#煤層已經(jīng)被開采，形成采空區(qū)，500 m以淺區(qū)域因采礦地下水已經(jīng)疏干，地面絕大多數(shù)鉆井施工都面臨鉆井液的大量漏失的技術難點。

（2）3#煤層采空后的塌陷時間較短，需要快速鉆進并下入套管把塌陷段碎石擋住，避免因井內(nèi)坍塌造成鉆井事故。

（3）下部井段因上部采空區(qū)的影響，會出現(xiàn)鉆井液全部漏失情況。

3 鉆井方案的確定

3.1 井身結構設計

根據(jù)項目區(qū)地層情況和鉆井技術難點，該井設計為三開鉆井結構，一開鉆頭程序Φ444.5 mm，深度為0～60.0 m；二開鉆頭程序Φ311.1 mm，深度60.0～500.0 m；三開鉆頭程序Φ215.9 mm，深度500.0 m至15#煤層以下60 m。套管方案確定如下，一開：下入深度0～60.0 m，尺寸Φ339.7×8.38 mm，下入深度視基巖深度而定，原則上進入完整基巖不少于1.0 m，水泥固井，上返至地面；二開：深度3#煤層塌陷冒落段，套管長度40.0～60.0 m，尺寸Φ244.5×8.94 mm，下深400～500 m，擋住冒落段即可；三開：深度500 m至15#煤層以下60.0 m，下入尺寸Φ139.7×9.17 mm套管，水泥固井完井。井身結構詳見圖1。

圖1 井身結構圖

3.2 設備優(yōu)選

鉆井設備需要滿足工程施工設計的井身結構，即完井井徑Φ215.9 mm，井深1000 m的施工能力，同時滿足空氣潛孔錘鉆井的技術要求。優(yōu)選主要設備情況如表1。

表1 主要設備情況表

3.3 鉆井方法優(yōu)選

本項目設計一開采用鉆井液鉆進，二開、三開采用空氣潛孔錘鉆進。

一開：0～60 m，井徑 444.5mm，采用Φ444.5mm三牙輪鉆頭鉆進，并配備Φ177.8mm鉆鋌，下入Φ339.7×9.65mm套管，固井水泥返至地面。鉆壓選擇為0.5～20 kN，轉速為10～20 r/min。采用鉆井液作循環(huán)介質，配方：鈉膨潤土+純堿（NaCO3）+羧甲基纖維素（HV-CMC），性能要求：比重 1.10～1.30g/cm3，粘度25～30 s，失水量8～10mL/30min，泥皮厚1.5～2.0mm，含砂量＜0.4%，pH 值 8～8.5。

二開：60 m至3#煤層頂板，井徑311.1 mm，采用Φ311.1 mm空氣潛孔錘鉆進，上部用一臺壓風機，根據(jù)鉆進情況，適時并聯(lián)兩臺壓風機潛孔錘作業(yè)。空氣潛孔錘鉆進時，井口采用特殊裝置密封（自主設計的實用新型專利），并連接導管至遠離井口，同時在井口注入小排量水液，防范井下安全并利于排砂，防止上返巖屑四處亂濺，鉆至3#煤層底板。然后，下入規(guī)格Φ244.5×8.94 mm套管，長度40.0～60.0m，下至煤層冒落段，深度400.0～500.0m，擋住冒落段，水泥封固套管底口，候凝。鉆壓選擇為16～28 kN，轉速為10～30 r/min，風量控制在 3.0～3.5 MPa，采用流量 20～30 m3/min。

三開：500 m至15#煤層底板（500.0～800.0m），井徑215.9mm，采用Φ215.9mm空氣潛孔錘鉆進，鉆穿15#煤層底板50m完鉆，下入Φ139.7×9.17mm套管，固井水泥返深至3#煤層采空區(qū)底板，候凝完井。鉆壓選擇為10～19 kN，轉速為10～30 r/min，風量控制在3.0～3.5 MPa，采用流量 20～30 m3/min。

3.4 鉆具組合的確定

根據(jù)地質情況、井身結構及鉆井方法，采用以下鉆具組合。見表2。

（1）鉆頭：采用Φ444.5 mm三牙輪鉆頭、Φ311.1mm沖擊潛孔錘鉆頭、Φ215.9mm沖擊潛孔錘鉆頭。

（2）鉆桿：選用Φ127mm普通鉆桿、Φ177.8mm鉆鋌、Φ158.8 mm鉆鋌。

3.5 供風量的確定

二開之后均采用空氣作為循環(huán)介質，合理科學計算供風量對安全鉆進十分重要。該項目供風量確定方法如下：

式中：

Q-壓風機的供風量，m3/min；

v-上返速度，一般取15～25 m/s；

D-井徑，m；

d-鉆桿外徑，m；

K1-孔深校正系數(shù)（由于孔深環(huán)狀間隙壓力損失增大，導致流量減少），一般孔深在100～200 m時，K1=1.05～1.1；孔深在 500 m 時，K1=1.25～1.3；

K2-孔內(nèi)有涌水時的風量增加系數(shù)，與涌水量有關，中、小涌水量時，K2=1.5。

本項目三開井徑為215.9mm，鉆桿外徑為127.0mm；最大井深為800m，K1取1.5；無涌水，K2取1.0；上返速度取15 m/s。因此：Q≥32.31m3/min，即空壓機供風量應不低于32.31m3/min，才能保證排出巖屑。本項目投入的英格索蘭XHP1070WCAT空壓機單臺最大供風量為30.3m3/min，必要時兩臺空壓機并聯(lián)使用，完全可以滿足施工需要。

4 結論及建議

（1）空氣潛孔錘鉆井技術有效解決了鉆遇采空區(qū)出現(xiàn)鉆井液大量漏失的技術難題，實現(xiàn)了安全高效鉆進。

（2）在二開鉆進時，要隨時監(jiān)測井口氣量、濃度，如果符合鉆井安全要求，二開結束后在井口表層套管與生產(chǎn)套管的環(huán)形鋼板之間外接一個排氣管路，用來釋放3#煤層排出的煤層氣，避免井口瓦斯聚積發(fā)生事故。如果二開鉆井階段鉆遇采空區(qū)時氣量達到可采氣流，則完鉆完井，直接抽采利用3#煤層采空區(qū)煤層氣。

（3）如果二開采用Φ311.1 mm鉆頭空氣潛孔錘鉆進達不到預定深度，則換用Φ215.9 mm鉆頭潛孔錘作業(yè)至完鉆，如果直徑采用Φ215.9 mm鉆頭仍然無法完成空氣潛孔錘作業(yè)，則換用常規(guī)鉆井液鉆進至完鉆。

（4）鉆進過程中，還應注意幾點。地層接近采空區(qū)時，隨時注意掉鉆的發(fā)生；無論采取何種工藝鉆井，一定要多滑眼，防止采空區(qū)上部地層掉塊卡鉆；空氣潛孔錘鉆進時，自井口一定要注清水至井內(nèi)。