穿越采空區氮氣鉆井工藝應用研究

李 兵， 張永成， 王 森

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000； 2.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西 晉城 048000；3.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 晉城 048000；4.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000)

0 引言

傳統的多層煤炭開采方法是“先厚后薄、自上而下”的下行式開采程序為主，為降低采空區下伏煤層瓦斯含量，保障下組煤層安全高效開采，國內已經開展了穿越采空區抽采下伏煤層瓦斯地面預抽鉆井試驗，取得了較好的預抽效果[1-4]。與常規地面預抽井相比，穿越采空區鉆井最大的施工難度在于采用清水鉆進穿越采空區時鉆井液漏失，不能建立正常的循環；采用空氣鉆進穿越采空區，會將一部分空氣注入與采空區瓦斯混合，增加煤礦井下生產安全隱患，如何安全高效穿越采空區鉆進值得探討。近年來，國內外各油田積極推廣應用以氮氣為循環介質的鉆井技術，取得了不錯的效果，但在煤層氣開發領域，以氮氣作為循環介質的鉆井技術研究及應用極少[5-7]。為此，以晉煤集團寺河礦區穿越采空區鉆井試驗為例，首次嘗試穿越采空區氮氣鉆井的工藝方法，來探討該工藝的可行性。

1 試驗區域概況

晉城寺河礦區位于沁水煤田南部，奧陶系灰巖為煤系地層基底。根據寺河礦地質報告，寺河礦主要煤系地層為二疊系下統山西組(P1s)和石炭系上統太原組(C3t)，平均厚度136.02 m。含煤14層，煤層總厚14.67 m，含煤系數10.8%，煤層傾角平均為5°，其中3號和15號為主要可采煤層，3號煤層平均厚度為6.31 m，15號煤層平均厚度為2.5 m，9號為大部可采煤層，平均厚度為1.2 m，其余為不可采煤層。

由于寺河礦采用下行開采順序采煤，部分地區3號煤層成為采空區，使得這些地區9號、15號煤層瓦斯未進行有效的地面預抽。取心測試結果表明，寺河礦9號煤層平均瓦斯含量為17.84 m3/t；15號煤層平均瓦斯含量為24.10 m3/t。根據國家安全生產的相關要求，高瓦斯礦井必須通過地面預抽將瓦斯降低到國家要求的標準以下方可進行開拓部署[8-9]。因此，考慮穿越3號煤層采空區施工地面預抽井，對9+15號煤層瓦斯采取先抽后采，保障煤礦安全生產，實現瓦斯的高效利用。

2 施工層段的優選

在寺河礦區曾開展過穿越采空區抽采下伏煤層瓦斯地面預抽鉆井試驗，取得了較好的預抽效果，但在穿越采空區鉆井過程中需要解決水鉆漏失嚴重及空氣鉆安全隱患等相關問題。為完善穿越采空區鉆井工藝，開展了穿越采空區氮氣鉆井試驗研究。相對于常規鉆井，氮氣鉆井優勢主要表現在能夠保護儲層、提高機械鉆速和減少或避免井漏等多個方面；但是，氮氣鉆井成本較高，而對于穿越采空區氮氣鉆井工藝來說，由于開采卸壓的影響，采空區附近巖層并不穩定，整個穿越采空區鉆井過程存在卡鉆具的風險。針對以上劣勢，要求優化穿越采空區氮氣鉆井層段，首先需要對穿越采空區氮氣鉆井施工層段進行研究。

2.1 “上三帶”理論

工作面開采以后，根據“上三帶”理論，上覆巖層受采動影響的變形帶由下而上的巖層移動分為垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中，垮落帶由上覆巖層垮落巖石組成；裂隙帶隨著工作面的推進發生變形與位移，從而裂隙比較發育；兩者與采空區具有直接的導通作用[10-12]。為預防井漏和保障井下安全，穿越采空區鉆井過程中，要求進入裂隙帶之前開始更換氮氣作為介質進行鉆進。根據相關研究成果及寺河礦生產地質報告的結論，對寺河礦3號煤層采空區上部裂隙帶最大高度進行計算，為氮氣鉆井層段的選擇提供理論依據。相關計算公式如下：

(1)垮落帶最大高度

(1)

式中：Hk——跨落帶高度，m；∑M——累計采厚，m。

(2)裂隙帶最大高度

(2)

式中：Hli——裂隙帶最大高度，m。

寺河礦開采3號煤層的平均厚度為6.1 m，取采高∑M=6.1 m，根據(1)式可計算垮落帶最大高度為15.00 m(跨落帶計算取最大值)，根據式(2)可計算裂隙帶最大高度59.40 m。依據上述計算結果可知，氮氣鉆井穿越采空區層段初始位置選擇在煤層頂板74.4 m以上，即鉆至煤層頂板74.4 m左右時考慮更換氮氣作為介質進行鉆井。

2.2 “下三帶”理論

國內學者從預防底板突水的角度對采場下伏煤巖體的破壞狀態進行了分析，煤層底板的“下三帶”為：底板導水破壞帶、有效隔水層保護帶和承壓水導升帶[13-15]。對穿越采空區鉆井來說，鉆遇采動導水裂隙帶會出現和采空區溝通的情形，這是鉆井過程中需要考慮的因素，氮氣鉆井穿越采空區設計考慮鉆穿導水裂隙帶后固井，進行封固漏失帶，而后更換常規鉆井方式至目的層完鉆。因此，需要確定采動導水裂隙帶的深度來指導氮氣鉆井穿越采空區工藝。底板導水裂隙帶的經驗公式為:

h1=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(3)

式中：h1——底板導水裂隙帶最大高度，m；H——開采深度，m；a——煤層傾角，(°)；L——工作面的長度，m。

根據研究區的位置考慮取開采深度H為550 m，煤層傾角a為5°，工作面的長度L為200 m，則底板導水裂隙帶最大高度為22.73 m。因此，采用氮氣鉆井穿越采空區層段要求鉆至3號煤層采空區底板22.73 m以下進行固井封固采空區，以便后續采取常規方式進行鉆進，節約能耗和成本。

通過“三帶”理論分析可知，寺河礦區3號煤層采空區頂板以上74.4 m及底板以下22.73 m為受煤礦開采影響的鉆井漏失層段，因此考慮在鉆遇該層段過程中采用氮氣作為循環介質進行鉆進，保障安全施工。

2.3 井身結構設計

通過以上研究結果，穿越采空區鉆孔要綜合考慮地層剖面、采空區及井下復雜情況來設置井身結構。優化設計后的井身結構采用三開井身結構，一開?425 mm的鉆頭常規鉆井開孔，鉆入基巖10 m完鉆，下入?377.7 mm的表層地質套管，防止地表粘土坍塌；二開?311.15 mm的鉆頭常規鉆進至3號采空區頂板以上75 m，更換鉆井方式為氮氣鉆井至3號煤層底板以下23 m后完鉆，下入?244.5 mm的套管，水泥返高至3號煤層頂板，封固采空區段漏失層段；三開?215.9 mm的鉆頭鉆進，鉆穿15號煤層底板以下30 m后完鉆，下入?139.7 mm的石油套管，水泥返高至3號煤層頂板以上100 m(見圖1)。

3 氮氣鉆井工藝流程

穿越采空區氮氣鉆井就是以高壓氮氣作為介質，用空壓機對空氣進行初級加壓，初級加壓的空氣通過匯總管線輸送到制氮機，制氮機分離生產出氮氣輸送到增壓機組，增壓機對氮氣進行再次增壓，通過總管線將高壓氮氣經立管三通注入鉆具內(中間設置單流閥、旁通閥和放空管線)，氮氣在流經鉆頭時冷卻鉆頭，攜帶鉆屑，再通過井口及排砂管線排出，排砂管裝置上部接入多參數瓦斯傳感器監測裝置，下部接入除塵器和除塵水口，最后將巖屑注入到巖屑池，以此實現穿越采空區氮氣鉆井任務[16-17]。具體流程見圖2。

圖1 穿越采空區氮氣鉆井井身結構設計

圖2 氮氣鉆井穿越采空區工藝流程

為使巖粉能順利吹出井外，注氮氣鉆進施工時應保證氮氣注入量≮100 m3/min，注入壓力≮3.0 MPa。根據地面工藝流程設計配套相應的設備方案，選用空壓機5臺，工作壓力為2.1～3.5 MPa，排量為40 m3/min；選用制氮機2臺，每臺制氮機進氣壓力為2.4 MPa，排氣壓力為2.2 MPa，排量為60 m3/min；選用增壓機3臺，每臺增壓機進氣壓力為2.4 MPa，排氣壓力為6.9 MPa，排量為69 m3/min；此外，要求增壓機與鉆井設備之間高壓軟管耐壓能力不得低于12 MPa，在此壓力下能實現連續穩定工作。主要配套設備參數及數量見表1。

表1 主要配套設備參數及數量

4 現場應用

4.1 應用情況

現以SHCK-X井為例。SHCK-X井是為寺河礦區設計的一口穿3號煤層采空區抽采9+15號煤層氣的一口地面預抽井，根據“三帶”理論，該井480～583 m層段為受采空區影響的漏失帶，對該層段采用氮氣鉆井施工，施工過程及工藝如下所述。

SHCK-X井于2017年6月12日一開采用空氣鉆井，一開鉆具組合為?425 mm潛孔錘鉆頭+沖擊器+?159 mm鉆鋌+轉換接頭+?127 mm鉆桿，鉆壓10～20 kN，轉速42～45 r/min，鉆進至65.27 m，下入J55-?377.7 mm表層套管至65.27 m，固井水泥返深至地面；二開初期采用空氣鉆進，鉆具組合為?311.15 mm潛孔錘鉆頭+沖擊器+?159 mm鉆鋌+轉換接頭+?127 mm鉆桿，鉆壓20～60 kN，轉速45～66 r/min，鉆進至485 m左右出現漏失，分析認為進入了受采空區影響的施工井段，這與以上“三帶”理論分析的結論基本吻合，此時啟用氮氣地面鉆井設備系統，更換氮氣作為鉆井介質，鉆壓40～80 kN，轉速45～72 r/min，氮氣鉆井鉆進至583 m，下入J55-?377.7 mm技術套管至579.01 m，固井水泥返深至560.56 m(3號煤層采空區底板位置)；三開鉆具組合為?215.9 mm潛孔錘鉆頭+沖擊器+?159 mm鉆鋌+轉換接頭+?127 mm鉆桿，鉆壓20～80 kN，轉速45～72 r/min，采用空氣作為介質鉆進至684 m完鉆，下入J55-?139.7 mm生產套管至681.51 m，固井水泥返深至459.70 m(達到或接近3號煤層頂板以上100 m)，主要鉆井工藝參數見表2。氮氣鉆井工藝在SHCK-X井的成功應用，證明穿越采空區氮氣鉆井工藝可行，對解決采空區下伏煤層瓦斯治理起到了極大地促進作用，且鉆井施工中不會對煤礦井下安全生產造成隱患。

表2 主要鉆井工藝參數

4.2 經濟效益評價

常規清水鉆進穿越采空區會產生嚴重的井漏，采用單一的堵漏方法難以從根本上解決問題；空氣穿越采空區鉆井安全隱患較大，特別是對煤礦井下開采會造成不可預知的后果。因此，穿越采空區鉆井除了要考慮工程施工成本以外，主要考慮安全風險和隱患，采用惰性氣體氮氣作為介質實施穿越采空區鉆井既保障了施工成功又杜絕了安全隱患。

寺河礦區采用氮氣穿越采空區鉆井估算單井工程費用按350萬元/井計算(含后期相關工程)，根據統計，寺河礦區過采空區抽采9+15號煤層氣井單井實現穩產氣量可達2000～8000 m3/d，礦井抽采1 m3瓦斯成本約為3.5元，每口井氣量按2000 m3/d計算，年生產期按300 d，年生產成本按60萬元計，可為企業節約瓦斯抽采費用150萬元/年。無論從經濟角度還是從社會角度考慮，該技術效益都很顯著。

5 結論

(1)由于寺河礦采用下行開采順序，部分地區3號煤層成為采空區，使得這些地區9號、15號煤層未進行有效的地面預抽。為保障相應煤層開采的安全生產，過3號煤層采空區施工地面預抽井，對9+15號煤層采取地面瓦斯預抽措施甚為必要。

(2)氮氣鉆井在保護儲層、提高機械鉆速、減少或避免井漏等方面優勢明顯，但成本較高，通過“三帶”理論分析寺河礦3號煤層采空區頂板以上74.4 m及底板以下22.73 m為受開采影響的漏失層段，采用氮氣作為循環介質進行鉆井穿越該層段能夠實現安全高效地穿越井下采空區。

(3)使用5臺空壓機并聯接入制氮機，制出氮氣后通過3臺增壓機增壓進入孔底的施工方案滿足工藝要求，保障穿越采空區鉆井施工的順利進行。

氮氣鉆井工藝在SHCK-X井的成功應用，證明穿越采空區氮氣鉆井工藝可行，對解決采空區下伏煤層瓦斯治理起到了極大地促進作用，且施工中不會對煤礦井下安全生產造成隱患。