大口徑瓦斯抽放井的工程實踐

李志有

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治 046011）

大口徑瓦斯抽放井的工程實踐

李志有*

（山西省煤炭地質114勘查院，山西長治 046011）

瓦斯濃度超標是造成煤礦生產過程中事故頻發的重要因素，直接威脅煤礦的安全生產，是煤礦災害防治的重點對象。近年來，高瓦斯礦井開始大規模施工地面瓦斯抽放孔，通過地面抽放的方式降低瓦斯濃度，從而更加有效地保障了煤礦的安全生產。通過潞安集團余吾煤業最大口徑1.6m的1號大口徑瓦斯抽放井施工為例，詳細陳述了大口徑瓦斯抽放孔的施工工藝、工序和經驗體會，有利于為今后同類工程施工提供借鑒。

瓦斯抽放井；施工工藝；大口徑

余吾煤礦是潞安集團投資建設的一座大型現代化礦井，井田面積160.24km2，可采儲量6.79×108t，主采3#煤平均厚度6m，設計年生產能力為800×104t。該礦為高瓦斯礦井，為了充分治理和利用井下瓦斯，該礦近年來通過施工大口徑瓦斯抽放（管道井）的形式將井下瓦斯集中抽至地面瓦斯抽放泵站進行發電，以更好降低井下瓦斯、保障礦井安全生產。

1 工程概況

該井設計深度550m，鉆遇地層包括：第四系50m、二疊系上石盒子組396m、二疊系下石盒子組54m、二疊系山西組30m，井身結構設計為：0～85m井徑為?1600mm，85～550m井徑為?1200mm，一開下入規格為?1300mm×20mm的螺旋管，二開選用規格為?920mm×18mm的直縫焊接的無縫鋼管。施工過程中首先采用?215.9mm牙輪鉆頭無芯鉆進施工先導井眼，再用?400mm、?700mm、?1000mm、?1200mm階梯擴孔鉆頭分四級擴孔至終孔，完成下管、固井后，井口預留法蘭待接入礦方瓦斯抽放系統投入使用。

2 鉆進及擴眼

2.1 鉆井液調制

化學處理劑采用鈉羧甲基纖維素、腐植酸鉀、燒堿和膨潤土等材料，全井配置低固相鉆井液，密度1.05～1.15g/cm3，粘度22～28s，失水量8～13，pH值8～9。在鉆井過程中，要根據井內情況及時調整鉆井液性能。

2.2 導向井施工

由于大口徑瓦斯抽放井要求井底偏斜非常小，因此為確保井斜最小化、滿足設計要求，本次施工分2個階段進行，首先充分發揮了車載鉆機機動性強、安裝簡便、成井速度快、垂直鉆井能力強的優勢，利用單位自有的美國雪姆T130XD型液壓頂驅式車載鉆機施工導向孔，采用?215.9mm牙輪鉆頭+滿眼鉆具和鐘擺鉆具無芯鉆進施工先導井眼，同時在“吊打”的基礎上使用隨鉆測斜儀進行連續測斜，確保了導向孔孔斜達到了設計要求，最終導向井施工深度達566m。

2.3 護壁鉆進

考慮到該井黃土層較厚（50m左右），井徑較大，容易發生黃土層垮塌，造成埋鉆、孔塌等現象，鉆進進入基巖2.0m后下入?1300mm×15mm螺旋鋼管，并使用水泥漿進行固井封閉。

2.4 擴眼

目前大口徑瓦斯抽放井的擴眼一般有2種形式，一種是先導孔與巷道貫通，采用自下而上干井反掘擴孔；另一種是先導孔到壁龕內一定位置（壁龕未挖掘），采用自上而下泥漿護壁擴孔。為了固井方便，我們采用了自上而下泥漿護壁擴孔形式，采用?400mm、?700mm、?1000mm、?1200mm組合鉆頭+塔式鉆具組合進行分級擴眼，同時前一級擴孔可作為后一級擴孔的導向井。擴孔過程中，鉆具組合采用“擴孔組合牙輪鉆頭+ ?203mm鉆鋌（2根）+?600mm扶正器+?178mm鉆鋌（6根）+?159mm鉆鋌10根（90m）+?127mm鉆桿+主動鉆桿”的組合方式，鉆進參數選用大水（F500泵）、大壓（盡可能大，在機器允許范圍內），同時因孔徑偏大、外沿速率大，盡量采用中低鉆速進行鉆進。擴孔施工以ZJ-3200型水源鉆機為依托，第一級采用?400mm鉆頭擴孔至566m，第二級采用?700mm鉆頭擴孔至566m，第三級采用?1000mm鉆頭擴孔至566m，第四級采用?1200mm鉆頭擴孔至566m。通過四級擴孔方式有效降低了施工過程中的工作難度，合理節約了材料的支出費用，但一定程度上增加了施工周期。

3 下管

3.1 下管前的準備工作

下管是大口徑瓦斯抽放井成井過程中最為關鍵的環節之一，尤其余吾煤業1號大口徑瓦斯抽放井套管規格?920mm×18mm、重量288t，對鉆機提升能力、設備完好性和下管操作技術措施提出了非常高的要求。為確保下管工作順利完成，專門成立了以鉆探、焊接、采購、協調等人員為主的下管專業工作組，切實將方案設計、技術實施、總體協調、后勤配合等責任全面落實到了人頭，實現了職責明確、統一指揮、協作配合的工作格局。

3.1.1 圓井

受GZ-3200型鉆機轉盤及井架尺寸的限制，擴孔尺寸最終為?1200mm，盡管?920mm井管與井壁間隙較大，但鑒于孔深較大，必須保證孔的垂直度，因此為保證下管順利，先用鉆頭大于原鉆進鉆頭的鉆具進行通孔，再利用自制的圓孔器進行圓孔。圓孔器結構為：長度為11m的?920mm×18mm無縫鋼管，將管體低端200～300mm直徑收小20～40mm，并在管體距底端500mm處均布加焊3組保徑肋骨合金（肋骨條厚100mm、長300mm，每組6個，每個肋骨條預先均布打眼焊接六方保徑合金），探孔器直徑小于鉆頭尺寸30～60mm，螺絲頭焊接牢固，螺絲頭上連接鉆桿長度大于1.5m。通井時，在遇阻段即狗腿度較大處應輕壓慢轉，加長磨合時間，確保上下暢通無阻，才可繼續往下進行，最后用同樣程序加長探井器至18m長進行二次通井，保證下套管工作順利進行。

3.1.2 套管驗收和設備檢修

通過大口徑下管專業工作組、工程甲方和套管供應方共同組成的套管驗收組對全部套管的直度、圓度和焊接質量進行了驗收，將不合格的套管予以及時更換，驗收通過后對套管逐根丈量、編號登記，同時配備定位桿和卡規定位夾具，將工作管預先按要求割好穿杠孔。為了確保下管工作的安全進行，鉆機人員詳細檢查了鉆機離合器、升降機制動帶、鉆塔等部位，同時對天輪、游動大鉤、鋼絲繩、繩卡、繃繩和拉力表保險繩等使用情況逐一進行了安全檢查。

3.1.3 輔助加工

水泥浮塞制作：選1根?920mm套管（長度根據水泥浮塞在孔內的最大深度的抗壓、抗剪強度外加安全系數來確定），用鋼絲刷把套管內壁清理干凈后，沿套管內壁焊接?8mm排條，增加水泥塞與套管壁的摩擦力，然后把水灰比為1∶8的水泥漿注入套管后凝72h，最后水泥塞上部做成漏斗狀,以便于注漿鉆具通過。這樣做的優點有：一是下管回灌泥漿后，采用略小于套管內徑的鉆頭鉆穿水泥浮塞，不需打撈，安全隱患小；二是可以根據水泥浮塞的入井深度，制作時依據經驗數據人為增減水泥浮塞的厚度，保證水泥浮塞有足夠的摩擦力，以滿足下管的需要。

井口帽制作：在鉆桿、鋼板（厚度大于30mm）、套管三體之間加焊三角鋼板焊接加固，鋼板上部外端配有壓力表（大于10MPa），觀察固井過程中水泥的上返和水泥凝固情況，井口帽上部鉆桿預留大于1.5m、下部大于0.5m，中間鉆桿為?127mm。

3.2 下管作業

準備工作結束后正式進行下管作業，由于套管重量高達288t，遠遠超出ZJ-3200型水源鉆機150t的提升能力，為確保下管安全，本次下管依托500t吊車，采用割孔穿杠、下入浮塞、吊車提吊、鋼絲繩牽引、對焊連接的綜合下管法進行下管。具體根據負壓平臺高度，在不低于管口700mm處對稱切割?180mm圓孔，穿入穿杠，用鋼絲繩牽引、吊車起吊的方式起吊下管，第一根套管下部收口與順孔管要求相同，分別在0.5m、1.0m和1.5m處對稱預留4個?80mm的孔，為固井水泥預留通道，同時在套管外圍6m段每隔0.5m處焊?6mm排條，為后期井內連接通風管使用用。然后將井管依次下入孔內，每根鋼管在端口焊接3～5組扶正片，并通過測繪儀器和重錘法檢驗對接套管的垂直度，保證管口合縫、同心，然后再用J507焊條進行焊縫連接。同時通過系列計算決定在孔深280m處下入水泥浮塞，以抵消套管自重，確保下管安全。最終通過各方面的緊密配合，僅用4d就將重達288t重的?920mm套管下入了孔底。

4 固井

采用“上封口、下敞口”的辦法，用雙泵車固井。即：工作管到位后，下入?127mm鉆桿帶鉆頭鉆穿水泥塞，并將?127mm鉆桿下放至套管底部15m處，用圓形井口版封孔后，循環鉆井液并洗孔。CTJC40-17Ⅱ電腦控制自動泥漿固井設備和下灰車到位后，依據井場條件合理布置安放位置，檢查排漿設備、清水供給、下灰車輛滿足固井要求和確保設備正常運轉后，使用以上專業固井設備通過鉆桿先注入3～5m3低密度前置液試循環，再連續注入比重1.70～1.80g/cm3的水泥漿280m3（與理論用量最終一致），根據井內泥漿返出量、泵壓表變化掌握水泥返高情況，待水泥返出井口后，及時注入替漿液，固井程序結束后關閉閥門、憋壓候凝24h，壓力表指示歸零后確定候凝48h后割開井口板，起出鉆具，并用相應的鉆頭掃除水泥塞，觀察套管內水位變化并確定止水充分后排水，固井成功。

5 結論與建議

（1）大口徑瓦斯抽放井施工作為近幾年興起并大規模實施的工程項目，市場前景十分可觀，但施工過程中難度大、風險大，鉆井、下管、固井緊密相連，每一個環節都要高度重視，需要在施工過程中組建項目指揮部，實行統一領導、責任到人、服從大局、協同配合，確保施工各項工作順利推進。

（2）施工過程中我們發現正循環擴孔泥漿上返速度慢、攜帶巖粉能力差，建議在今后大口徑施工過程中采用氣舉反循環工藝，保證孔底干凈、鉆進效率高。同時要盡可能合理減少分級擴孔，以縮短工期，提升經濟收益。

（3）采用浮力塞下管時，當孔徑和孔深較大時，設計選用的套管要取樣進行套管的側向擠壓試驗，為設計水泥浮塞上部空管段的長度提供依據，以防止套管受壓變形。同時確定水泥浮塞最大入井深度和上部空管段時，必須保證水泥浮塞的上部套管外壁受泥漿最大側向壓力小于套管試驗的最大側向壓力，水泥浮塞上部空管段浮力的設計，必須保證留有20%的安全提升能力，以防出現特殊情況時可在現有設備范圍內進行處理。

[1]王永全，崔秀忠，鞏建雨.大口徑瓦斯抽放井施工工藝[J].中國煤炭地質，2009，21（1）：65-70.

[2]楊文清，宋寬強，姚正民.大口徑瓦斯抽放井施工技術[J].中國煤炭地質，2008，20（8）：77-78.

[3]袁志堅.提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2008（1）：27-29.

[4]山西省煤炭地質114勘查院.余吾煤業1號瓦斯抽放孔完井報告[R].山西省煤炭地質114勘查院，2013.

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1004-5716(2016)12-0014-03

2016-03-01

2016-03-07

李志有（1985-），男（漢族），河北崇禮人，現從事水文地質、煤層氣施工、瓦斯抽放、災害治理等方面的管理和技術工作。