采空區地面鉆井井身結構優化設計研究

2022-08-08 11:41:16楊樹文華明國

煤 2022年8期

楊樹文，華明國，李云

(山西潞安集團余吾煤業公司，山西長治 046103)

采空區地面鉆井是將鉆孔直接從地面打入采空區上方，主要用于采空區瓦斯抽采，預防瓦斯超限，確保煤礦安全生產[1-2]。該技術是由美國率先研究并應用推廣。由于美國煤層埋深較淺且煤質較好，因此，地面鉆井技術結合水力壓裂等增透方法，極大地提高了采空區瓦斯的抽采效率，取得了很好的經濟社會效益。目前，地面鉆井瓦斯抽采技術與井下瓦斯抽采技術相比具有三方面明顯優勢：①施工方便，不受井下巷道環境限制；②施工可采用更大型號的鉆機，有效提高瓦斯抽采效果；③地面瓦斯抽采工作易于管理和維護。

我國在地面瓦斯抽采鉆井技術上起步較晚，于20世紀70年代末期在撫順、陽泉、焦作和湖南等煤礦逐步開始工程試點研究，但由于我國煤層地質條件復雜，透氣性較低，煤質參差不齊，極大地增加了鉆孔技術的難度，即使開展水力壓裂等增透措施，瓦斯抽采效果也不理想[3-5]。2021年，以淮南煤礦為例，該礦區共施工40多口地面鉆井，但鉆孔失敗率高達40%.目前,我國對地面鉆井抽采技術的研究已積累了一定的工程實踐經驗[6]，但是在低透氣性煤層綜放開采條件下如何提高地面鉆井施工成功率、滿足高強度開采條件下鉆井井身穩定性需求等方面研究較少，缺乏理論指導，難以滿足煤礦工程實際需求。因此，為解決工作面回采過程中采空區瓦斯抽采困難這一問題，本文研究設計了一種地面鉆井方案，并在余吾煤業N2105工作面開展試驗研究。

1 工作面瓦斯治理概況

N2105工作面位于余吾煤業北翼采區，主采3號煤層，工作面原始瓦斯含量為10.049 6 m3/t，煤層瓦斯儲量5 069.6萬m3.該工作面采用“三進一回”的偏Y型通風方式。經現場測量計算，N2105工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為85 m3/min，根據《煤礦安全規程》，絕對瓦斯涌出量超過40 m3/min為高瓦斯礦井，必須進行瓦斯抽采。

2013年7月，余吾礦開始對N2105工作面進行采空區埋管抽采試驗研究。初期抽采結果發現，抽采效果較差，瓦斯抽采量僅為0.8 m3/min，不能有效達到采空區瓦斯治理的目的。因此，余吾礦采用地面鉆井技術進行采空區瓦斯抽采，并對地面鉆井進行優化設計，為解決工作面回采過程中采空區瓦斯抽采提供新思路。

2 地面鉆井優化設計

2.1 地面鉆井布置

為最大限度地進行采空區的瓦斯抽采，余吾礦將地面鉆井布置于靠近回風巷側，如圖1所示，先后完成了3口地面鉆井的施工并開展抽采試驗研究，分別為CC-1號鉆井、CC-2號鉆井和CC-3號鉆井。這樣布置不僅鉆孔穩定性較高，還能抽采到“O”型圈裂隙發育區內高濃度的瓦斯，有效提高瓦斯抽采效率。

圖1 管路連接示意

根據余吾礦北翼采區上覆巖層三帶測量試驗，將鉆孔布置于裂隙帶發育區。各鉆井布置參數如表1所示。

表1 N2105工作面地面鉆井位置參數

2.2 地面鉆井結構優化設計

試驗初期，CC-1號與CC-2號鉆井均采用了小孔徑設計。其中，CC-1號鉆井第一次掘進地層鉆孔直徑為D311.1 mm，下入D244.5 mm套管固井；第二次掘進地層開段鉆孔直徑D152 mm，下入D127 mm篩管。

CC-1號鉆井試驗期間，在工作面推過鉆井60 m后瓦斯抽采量迅速衰減，直至90 m后由于煤層瓦斯壓力劇烈變化導致鉆井發生破壞無法繼續抽采瓦斯。為此,對CC-2號鉆井在CC-1號鉆井基礎上進行了改進，將第三次掘進地層產氣實管連到地面采用雙層組合套管。

試驗結果發現CC-2號鉆井與CC-1號試驗結果相似，均在工作面推過鉆井60 m后瓦斯抽采量迅速衰減，在100 m后，由于煤層瓦斯壓力劇烈變化導致試驗過程中鉆井出現了不同程度的變形破壞及抽采濃度下降問題。因此,對CC-3號鉆井進行了優化設計，增加了鉆孔直徑，并在外層套管充填水泥。CC-3號大直徑鉆井的井身結構如下：第一次掘進地層直徑D570 mm，下入D508 mm套管固井；第二次掘進地層直徑D445 mm，下入D339 mm套管固井；第三次掘進地層直徑D266.7 mm，下部下入D219.1 mm篩管，篩管上再加實管至地面；第四次掘進地層直徑D177.9 mm，采用裸眼完井。其中二開套管與生產套管采用分段固井，充填水泥環。

3 瓦斯抽采效果分析

為試驗1號、2號、3號鉆孔瓦斯抽采效果，安裝2臺瓦斯抽采泵，管路連接如圖2所示(抽采泵一用一備)。

圖2 瓦斯抽采總量對比

3.1 瓦斯抽采總量分析

3個鉆井瓦斯抽采效果如圖3和圖4所示。1號鉆井于2013年10月8日至2013年10月28日進行抽采試驗，由于鉆井發生破壞，共計抽采天數為21 d，期間瓦斯抽采量總計為19.7萬m3；2號鉆井于2013年12月28日至2014年1月23日進行抽采試驗，由于鉆井發生破壞，總計抽采天數為27 d，期間瓦斯抽采量與1號鉆井相當，共計為19.56萬m3；3號鉆井于2014年5月5日至2014年7月9日進行抽采試驗，共計抽采天數為66 d，期間瓦斯抽采量總計為39.31萬m3.

圖3 瓦斯天數對比

圖4 純瓦斯流量范圍

由圖3和圖4可知，3號鉆井的瓦斯抽采時間最長，瓦斯抽采總量也最多，這證明增加水泥環的3號鉆井管路比1號、2號鉆井更堅固、穩定，增加管路直徑也能大幅度提高抽采效率，因此3號鉆井的抽采技術最優。

3.2 純瓦斯流量分析

如圖5所示，1號鉆井的純瓦斯抽采流量變化范圍為0.55～12.94 m3/min，2號鉆井的純瓦斯抽采流量為0.57～9.09 m3/min，3號鉆井的純瓦斯抽采流量為2.70～10.98 m3/min。純瓦斯抽采流量平均值1號鉆井為6.51 m3/min，2號鉆井為5.03 m3/min；3號鉆井為4.14 m3/min.

由圖5可得，3個鉆井的純瓦斯流量的波動范圍為3號鉆井最小，其日均純瓦斯抽采流量最小值為2.70 m3/min，遠大于1號鉆井、2號鉆井的日均純瓦斯抽采流量最小值。對于平均純瓦斯流量范圍，3號鉆井也大于1號和2號鉆井，由此可進一步印證在抽采過程中，3號鉆井的設計是最優的，其穩定性和防破壞能力是最好的。因此，在鉆井設計過程中，只有增加地面鉆井管段的強度才能防止抽采過程中的變形破壞，保障地面鉆井的高抽采效率。

圖5 瓦斯濃度范圍

3.3 瓦斯濃度分析

如圖6所示，1號鉆井的瓦斯濃度范圍為11.01%～66.13%，2號鉆井的瓦斯濃度范圍為3.05%～45.65%，3號鉆井的瓦斯濃度9.63%～32.80%.1號鉆井瓦斯平均濃度為35.76%，2號鉆井平均濃度為25.96%，3號鉆井平均濃度為21.08%.瓦斯濃度的波動范圍也表現出3號鉆井的抽采效果最為穩定；瓦斯濃度最大值和平均值為1號鉆井最大，其原因是1號鉆井為首采鉆井，在初期的瓦斯抽采量最大，但是由于鉆孔穩定性較差，導致有效抽采時間很短，在抽采后期瓦斯抽采下限很低。因此，綜合考慮分析，3號鉆井抽采穩定，抽采設計方案最優。