欠平衡鉆井工藝在煤礦地面采空區水位觀測孔施工中的應用

習通 張記飛 景嬋

摘 要：通過對穿采空區井常用的鉆井工藝進行研究，根據項目特點、施工地地質條件等，選用合適的欠平衡鉆井工藝應用于煤礦地面采空區水位觀測孔鉆井施工。將研究中獲取的煤層頂板裂隙帶高度、保持井底清潔的最小氣量計算結果應用于實際施工，分析經驗公式的不足和優點;將跟管鉆進技術與空氣動力鉆井技術相結合，解決穿采空區井施工中套管難以下入的難題。為其他煤礦地面采空區水位觀測孔或需要穿越采空區的井型施工提供有益參考。

關鍵詞：欠平衡鉆井;穿采空區;頂板裂隙帶;最小氣量;水位觀測

中圖分類號：TE249 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.012

Application of Underbalanced Drilling Technology in Construction of Water Level Observation Hole in Goaf

XI Tong1，2? ? ZHANG Jifei1? ? JING Chan1

（1.The Second Institute of Resources and Environment Investigation of Henan province， Luoyang 471000，China;2. Henan Provincial Fracturing Engineering Technology Research Center， Luoyang 471000 ，China）

Abstract： According to the characteristics of the project and the geological conditions of the construction site， the appropriate underbalance drilling technology is selected and applied to the drilling construction of the water level observation hole in the goaf. The calculation results of crack zone height of coal seam roof and minimum gas volume to keep bottom clean are applied to practical construction， and the shortcomings and advantages of the empirical formula are analyzed. The combination of casing drilling technology and aerodynamic drilling technology solves the difficult problem of casing running in goaf well construction. It provides useful reference for other coal mine surface water level observation hole or well type construction that needs to pass through the goaf.

Keywords： underbalanced drilling; pass through the goaf; roof fissure; volume flow rate; water level observation

0 引言

由于煤礦煤層開采后，采空區頂板裂隙發育，在穿越煤層采空區時常規水基鉆井液鉆井技術無法使用，采用欠平衡鉆井技術施工穿越煤礦采空區成為一個可行的方案。早期的欠平衡鉆井采用的循環介質是空氣，后相繼開展試驗以氮氣、泡沫、柴油機尾氣等作為循環介質的欠平衡鉆井工藝技術。目前，國內已應用于施工的穿越采空區的主要鉆井工藝為水基鉆井液常規鉆井技術、空氣鉆井技術、氮氣鉆井技術和跟管鉆井技術，施工過程中也暴露了一些問題。在實際鉆井施工中，需要根據施工位置的地質條件、工期、成本等各方面因素，將各種鉆井工藝組合使用，揚長避短，才能快速、安全地解決施工難題，完成施工任務。

1 工程概況

磴槽礦受鄭州“7.20”暴雨影響，礦區內二1和一3煤層采空區內有積水，為查清兩煤層采空區的積水情況、富水性，為礦井復工復產做準備，在地面施工一個采空區水位觀測孔。根據需要，該井需要穿越二1、一3煤層采空區，鉆穿一3煤層采空區后3～5 m完鉆。設計井深530 m，二1煤層采空區厚約5 m，一3煤層采空區厚約1 m。工期要求為15 d。

在施工前勘查現場地質條件并結合施工成本、施工工期分析，因為井較深，工期較短，且需要穿越采空區，選用欠平衡鉆井工藝進行施工方能解決施工工期短、地下地質條件復雜的問題;因該區域二1、一3煤層采空區均已有通道與地面溝通，采空區內瓦斯含量較少或沒有，采用空氣鉆井工藝即可，不用擔心空氣鉆井過程引發采空區內瓦斯自燃或爆炸。

2 井身結構設計

因需要穿過二1、一3煤層兩層采空區，故選擇三開井身結構。

一開：0～20 m，采用Φ311.15 mm鉆頭無芯鉆進至基巖下20 m左右;下入Φ273 mm套管，用425#硅酸鹽水泥加速凝劑固井，水泥漿返出地面。

二開：20～500 m，穿過二1煤采空區，進入太原組上段灰巖0.5 m左右完鉆。采用Φ241.3 mm空氣潛孔錘鉆頭無芯鉆進至太原組上段灰巖0.5 m左右。二開結束后下入40 m左右的Φ203 mm襯管保護二1煤采空區及其頂板冒落帶，下入襯管后固井候凝，一方面保護孔壁，另一方面封閉二1煤采空區及其底板含水層。D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9

三開：500～530 m，鉆進到一3煤空區底板以下3～5 m完鉆，采用Φ171.5 mm鉆頭無芯鉆進一3煤底板3～5 m（下余2 m口袋），施工結束后進行測井，測井結束后下入Φ139.7 mm×7.72 mm套管530 m。

3 設備選型

本次施工的水位觀測孔井深530 m，選用徐工集團XSZ-800Ⅱ型履帶式鉆機配合2臺空壓機進行施工，選用的主要設備見表1。

4 鉆井參數研究及應用

4.1 采空區頂板裂隙帶高度

煤層開采后，采空區頂板會出現下沉、垮落和來壓現象[1]，上方會產生冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。就鉆井施工而言，因裂隙帶和彎曲下沉帶會導致地層產生裂隙，空氣鉆進時因裂隙漏風而影響氣體攜巖能力，因此需要計算采空區的冒落帶、裂隙帶的高度，在鉆進到此位置附近時要增加氣體鉆井的氣壓和氣量。

冒落帶高度計算公式采用《筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》（安監總煤裝〔2017〕66號）[2]中硬覆巖巖性的計算公式為式（1）。

[Hk=100M4.7M+19±2.2]? ? （1）

裂隙帶高度采用《煤礦專門水文地質勘查規范》（GB/T 40130—2021）[3]中國礦業大學（北京）和唐山煤科院中硬覆巖巖性的兩個計算公式（2）（3）。

[Hf=100M0.26M+6.88±11.49]? ?（2）

[Hf=20M+10]? ? ?（3）

式中：[Hk]為冒落帶高度，m;[Hf]為裂隙帶高度，m;M為煤層采厚，m。

二1煤層采空區厚度5.00 m，一3煤層采空區厚1.00 m。根據公式（1），計算得二1煤層采空區頂板冒落帶高度為13.96 m，一3煤層采空區頂板冒落帶高度為6.42 m;二1煤層采空區頂板裂隙帶高度為72.61～110.00 m，一3煤層采空區頂板裂隙帶高度為25.50～30.00 m。

在本井實際空氣鉆井施工中，二1煤層采空區頂板110.00 m前已發現井下有漏風現象，二1煤層采空區頂板裂隙帶大于110.00 m;一3煤層采空區的頂板裂隙帶小于25.00 m。

4.2 最小氣量

空氣鉆井技術是采用空氣來代替鉆井液將井底鉆頭鉆進產生的巖屑運移出井外。空氣量不足，會導致巖屑不能順利返出井外，逐漸堵塞在井底發生事故;空氣量過大，會增加井底壓力，降低機械鉆速，并造成額外的鉆井成本。因此要根據井深和井徑的大小等因素，計算出能夠將井底巖屑運移出井外的最小氣量，確保井底清潔。國內外學術界逐漸形成了井底清潔的三類標準，即最小動能標準、最小速度標準和最小井底壓力標準，這三類標準都是基于攜帶巖屑標準提出的[4-8]。第一類是由施工現場成功完井的空氣鉆井實例總結而來，但未考慮氣固兩相之間的相互作用;第二類考慮了氣固兩相之間的相互作用;第三類考慮因素較單一。井底清潔程度第二類標準理論上具有先進性，因此本次計算最小氣量采用第二類標準——巖屑沉降末速度標準[9]。

沉降末速度是指巖屑在流速為Va的上升氣流中，最后達到穩態時巖屑相對于氣流的速度。按照巖屑沉降末速度理論，只要保證空氣的流速一直在巖屑沉降末速度Vt之上，就能夠保持巖屑處于上升狀態。在環空上升氣流中有Vt=Va-V，即V=Va-Vt，只要保證Va>Vt，巖屑在井壁環空中就能夠保持上升狀態。其速度公式以及流量公式如式（4）（5）。

[Vt=4·g·dmax（γc?γg）3·F·γg]? ?（4）

[Q=Vt·s=Vt·π4（D?2?Dp2）]? （5）

式中：[g]為重力加速度，m/s2;[dmax]為巖屑的最大特征尺寸，m;[γc]為井底巖屑重度，N/m3;[γg]為空氣的重度，N/m3;F為繞流阻力系數;Q為最小空氣流量，m3/s;Dh為井眼直徑，m;Dp為鉆桿直徑，m。

在空氣鉆井環空巖屑計算中，認為巖屑是圓球形的，環空氣體處于紊流狀態，此時F=0.44[10];巖屑尺寸取井底巖屑尺寸的1/3～1/2;根據施工區使用空氣鉆井的數據分析，返排巖屑的相對密度為2.4 g/cm3，鉆鋌外徑為165 mm，鉆桿外徑為127 mm，井眼直徑為241.3 mm、171.5 mm，假設井底巖屑最大尺寸為25 mm，在標準氣壓下根據式（4）、式（5）求出對應的巖屑沉降末速度為40.71 m/s，最小流量分別為59.44 m3/min、25.47 m3/min。結合現場鉆井情況，現場配備兩臺空壓機，提供的空氣流量為38～76 m3/min，最小流量分別為59.44 m3/min、25.47 m3/min，現場空壓機能夠滿足施工空氣流量，故能夠將巖屑有效地排出井眼。而且由于施工區上部地層主要是炭質泥巖、細粒砂巖，一般最大巖屑尺寸小于25 mm，所以該公式的計算結果滿足工程實際需求。考慮到井壁內的氣體與鉆具、井壁的摩擦作用，所以當井深增大時應適當增大空氣流量。以上計算為常規地層空氣鉆井時的最小氣量，不考慮地層采空區裂隙。

在本次水位觀測孔施工中，在進入裂隙帶之前，參照本次計算的最小氣量，一開時采用1臺美國壽力1170P空壓機，額定排氣量為38.2 m3/min，二開、三開采用2臺美國壽力1170P空壓機，能夠滿足鉆井時排除井底巖屑的需要，說明最小速度標準計算結果可以用于指導實際鉆井施工。

5 施工中遇到的問題及解決辦法

按照設計要求，二開鉆穿二1煤層采空區后進入太原組灰巖0.5 m完鉆，但在二開完鉆后，經過多次通孔，二開套管在下至采空區位置后無法下入。經過分析，認為二1煤層采空后，頂板垮落下來，由于頂板較為破碎，鉆頭可以輕松穿過，但起鉆后，破碎的頂板巖石又堆積在鉆頭穿過采空區的位置，造成二開套管無法下入。D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9

為解決這個問題，快速、順利地將二開套管下入，不延誤工期，經過分析研究，認為采用跟管鉆進通孔的方式能夠解決這個問題。跟管鉆進是采用偏心鉆頭（見圖1）鉆至設計井深，然后將鉆頭退出套管，將套管留在孔內。

單偏心潛孔錘跟管鉆井技術的主要工作原理為車載鉆機頂部動力頭回轉力和鉆進動力，鉆桿、鉆鋌等鉆具重力提供鉆進動力，空壓機和增壓機提供潛孔錘工作的動力和返出井底巖屑的循環介質。在鉆進時，車載鉆機動力頭正轉，帶動鉆桿、鉆鋌、套管和單偏心潛孔錘正轉，偏心鉆頭在導診器偏心軸的正轉帶動下張開，并被限位。偏心鉆頭旋轉張開后鉆出的孔徑大于套管的外徑，鉆頭帶動鉆具、鉆桿、鉆鋌鉆進。當鉆至設計層位時，車載鉆機動力頭緩慢倒轉，偏心鉆頭倒轉收回，偏心鉆頭收回后倒轉旋轉外徑小于套管內徑，帶著鉆具從套管內退出，將套管留在孔內。

本次采用單偏心跟管鉆具通井和鉆進原理相同，在單偏心跟管鉆具下鉆通孔時，車載鉆機動力頭正轉，帶動鉆具、套管和偏心鉆頭、中心鉆頭正轉，偏心鉆頭張開，并被限位。在空氣和鉆具的壓力作用下，鉆頭帶動套管、鉆具鉆進，穿過二1煤層采空區至設計井深，將車載鉆機動力頭緩慢倒轉2圈，偏心鉆頭收回，帶著鉆具從套管內退出，將二開套管留在孔內，最終順利將二開套管下入設計層位。

6 結論及建議

①在實際鉆井中，純鉆進時間僅72 h，說明欠平衡空氣鉆井技術應用于穿采空區的井型時，能夠提高效率。

②當鉆遇煤層頂板裂隙帶情況時，發現通過經驗公式計算的采空區頂板裂隙帶的高度與實際裂隙高度偏于保守，采用經驗公式計算的頂板裂隙帶可供參考，如果需要更準確的數據，應根據該地區的采厚、采空區面積、頂板管理與采煤方法、頂板巖層結構類型、煤層賦存狀況及開采深度6個方面因素對頂板導水裂隙帶最大度進行綜合分析[11]。

③采用井底清潔的第二類標準——巖屑沉降末速度標準來計算保持井底清潔的最小氣量，比較符合實際情況，可以用來指導實際空氣鉆井施工。

④在選用何種氣體進行穿采空區井的欠平衡鉆進方面，應根據施工地的地層、地質特征來進行選擇，并可與跟管鉆井等鉆井工藝配合使用，以求快速、安全地完成鉆井施工任務。

參考文獻：

[1] 錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2] 國家安全監管總局，國家煤礦安監局，國家能源局，等.筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范[M].北京：煤炭工業出版社，2017.

[3] 全國自然資源與國土空間規劃標準化技術委員會.煤礦專門水文地質勘查規范：GB/T 40130—2021[S].北京：中國標準出版社，2021.

[4] ANGEL R R.Volume requirements for air or gas drilling[J].Trans AIME，1957，210：325-330.

[5] GUO B，GHALAMBOR A.Gas volume requirements for underbalanced drilling deviated holes[M].Tulsa：PennwelI Book Co，2002.

[6] 王存新，盂英峰，鄧虎，等.氣體鉆井注氣量計算方法研究進展[J].天然氣工業，2006（12）：97-99，202.

[7] 柳貢慧，劉偉.計算空氣、氮氣鉆井最小氣體體積流量的新方法[J].石油學報，2008（4）：629-632.

[8] 蔣宏偉，刑樹賓，王克雄，等.氣體鉆井最小注氣量和地層出水量關系研究[J].大慶石油地質與開發，2008（2）：106-l09.

[9] 蘇義腦，周川，竇修榮.空氣鉆井工作特性分析與工藝參數的選擇研究[J].石油勘探與開發，2005（2）：86-90，122.

[10] 石京平，賀承祖.低速非達西流動機理分析[J].石油勘探與開發，2001（5）：102-104.

[11] 馬亞杰，馮玉，董桂玉，等.煤層開采頂板導水裂隙帶高度預測理論與方法[M].北京：地質出版社，2014.D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9