煤礦采空區(qū)煤層氣井鉆井工藝

李稱心

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

我國煤炭資源豐富，是煤炭生產(chǎn)和消費大國。而煤層氣作為一種新型的清潔能源，是一種與煤伴生并以吸附態(tài)形式自生自儲于煤層中的非常規(guī)天然氣。因此，我國也是煤層氣資源最為豐富的國家之一。煤層氣開發(fā)利用不僅對我國能源保障和煤礦安全具有重要意義，而且對改善能源結(jié)構(gòu)，促進清潔能源發(fā)展也具有重大意義。

煤礦長期開采形成了采空區(qū)，基于煤層氣在殘留煤礦采空區(qū)的賦存形式，一定濃度的煤層氣游離于采空區(qū)，便于直接抽采，不需要像致密(頁巖)氣那樣開發(fā)，需要進行大型壓裂，導致資源浪費和環(huán)境破壞。基于我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和安全生產(chǎn)考慮，大量中高瓦斯含量的礦井關閉，預計到2020年，我國關閉/廢棄礦井數(shù)量將達到12000處，到2030年數(shù)量將到達15000處，據(jù)調(diào)查，目前的關閉/廢棄礦井中賦存煤炭資源量高達420億t，非常規(guī)天然氣(煤層氣)近5000億m3，煤礦采空區(qū)煤層氣開采具有很好的商業(yè)價值與前景。因此，需要從地面鉆井鉆達煤礦采空區(qū)，對采空區(qū)進行煤層氣再開采。

同時，我國煤炭開采方式也是遵循由淺入深開采。例如山西省沁水盆地煤炭資源豐富，晉城礦區(qū)3號煤層經(jīng)過幾十年開采，產(chǎn)能不足，需要產(chǎn)能續(xù)接，必須對3號煤層下組9號、15號煤層進行開采。而前期取芯測試，9號、15號煤層含氣量較高，平均含氣量分別為17.84m3/t、24.10m3/t，屬于高瓦斯礦井。根據(jù)煤炭安全開采以及瓦斯高效利用，必須對其進行瓦斯預抽采。因此，需要在地面鉆井，穿過采空區(qū)，對下部煤層氣進行開采。

1 煤礦采空區(qū)地質(zhì)特點

1.1 煤礦采空區(qū)的形成

因煤礦開采過程，需要將地下煤炭資源開采運走，一般會在掘進過程中，采用類似道路上過山隧道方法，逐步打通地下煤炭所在位置到煤礦井口間的隧道，將開采過程中遇到的礦石、煤炭等運送到地面，以便形成合理的運送和開采作業(yè)面，隨著煤炭和其他礦石的不斷運出，地下就形成了煤炭采空區(qū)(圖1)。

1.2 煤礦采空區(qū)“三帶”的形成

(1)冒落帶：是指工作面回采后引起的煤層上覆巖體完全垮落的那部分巖層。該層巖石具有不規(guī)則性、碎脹性和密實度差的特征。

A—煤壁支撐影響區(qū)；B—離層區(qū)；C—重新壓實區(qū)1—冒落帶；2—裂隙帶；3—彎曲下沉帶圖1 采空區(qū)“三帶”示意圖

(2)裂隙帶：是指該部分巖層在推進方向上裂隙的發(fā)育，各巖層的裂隙濃度已擴展到(或接近擴展到)全部厚度。在采場推進過程中能夠以“傳遞巖梁”的形式周期性斷裂運動，在推進方向上能始終保持傳遞水平力的聯(lián)系。內(nèi)應力場的主要壓力也是來源該部分巖層。裂隙帶隨煤層開采，覆巖的沉降、離層、破壞的形成具有從發(fā)生、發(fā)育(上升)、最大高度、回降、穩(wěn)定的發(fā)育過程，裂隙帶最終形態(tài)必須是在工作面開采范圍達到一定程度。

(3)彎曲下沉帶：裂隙帶以上，有時直至地面的這一帶稱為彎曲帶。從整體上看，該帶巖體在自重作用下產(chǎn)生彎曲變形面不再破裂，只在地表下沉區(qū)邊緣因彎曲而出現(xiàn)拉應力的部位，產(chǎn)生一些隨深度增加而逐漸閉合的張性裂陳。

1.3 采空區(qū)溫度、壓力情況及三帶高度的確定

以沁水盆地晉城礦區(qū)為例，3號煤層埋深在300～800m，平均地溫梯度35.3℃/km，采空區(qū)地層壓力系數(shù)0.7～0.9，鉆井液密度1.02～1.10 g/cm3，固井水泥漿密度1.50～1.90 g/cm3。

根據(jù)晉城煤礦地質(zhì)資料以及鉆井的可鉆性分析可知，3號煤層頂板的直接頂為泥巖，較軟，基本頂為中砂巖、泥巖和粉砂巖夾少量礫巖，硬度不高，基本頂與直接頂厚度之和大于30m，參照表1，選擇中硬巖性作為計算公式比較接近。

已知3號煤層平均厚度M=4.2m，則Hm=(11.7±2.5)m；Hl=(22.1±6.5)m

表1 采空區(qū)三帶高度的計算公式

1.4 井身結(jié)構(gòu)及示意圖(表2、圖2)

表2 井身結(jié)構(gòu)

圖2 采空區(qū)鉆井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2 鉆井技術現(xiàn)狀

2.1 水基鉆井液常規(guī)鉆井技術

采用常規(guī)鉆井技術鉆進至采空區(qū)裂隙帶中上部，鉆井液發(fā)生惡性失返性漏失，由于其裂隙尺寸較大，常規(guī)堵漏(橋堵)無法實現(xiàn)架橋；聚合物凝膠堵漏、水泥堵漏，由于強度不高或不易在漏層中停留，導致堵漏無法成功。鉆井過程中，大量的鉆屑無法正常的攜帶出井眼，導致卡鉆、埋鉆等事故的發(fā)生。

2.2 空氣鉆井技術

為解決采空區(qū)裂隙帶漏失鉆井難題，采用空氣鉆井技術，基本解決了井漏問題。齊治虎等在沁水盆地寺河煤礦采用空氣鉆井技術，成功鉆穿了3號煤層采空區(qū)，鉆達煤下組15號煤層。同時，空氣鉆進過程中也暴露了一些問題，如地層出水，鉆屑返排不暢導致卡鉆，由于受地面設備限制，無法增加風量，轉(zhuǎn)成空氣泡沫鉆井，提高空氣的攜巖能力，使鉆井目的順利完成。

但是空氣鉆進時鉆具與巖石撞擊摩擦產(chǎn)生熱量，加上井筒內(nèi)循環(huán)空氣的影響，必然導致采空區(qū)有瓦斯自燃甚至是爆炸的風險。

2.3 氮氣鉆井技術

為解決空氣鉆井過程中瓦斯與空氣接觸發(fā)生自燃的危險以及存在爆炸的風險，晉煤藍焰公司在寺河礦-5井成功試驗了氮氣鉆井技術，不僅解決了井漏問題，還杜絕了鉆進過程中的安全風險。同時，晉煤集團對鉆穿采空區(qū)的該項技術和井身結(jié)構(gòu)申請了專利保護。但為提高鉆屑上返速度，確保鉆井安全，該鉆井技術需要額外增加外圍鉆井設備(4臺空壓機、2臺增壓機、1臺制氮機)，大幅增加了鉆井成本，限制了技術推廣進度。

2.4 幾種可行性技術研究

(1)李俊峰對晉城礦區(qū)過采空區(qū)鉆井抽采煤層氣進行了可行性分析，提出套管鉆井技術省去了起鉆、通井、循環(huán)和下套管等環(huán)節(jié)，克服了常規(guī)鉆井停鉆或提鉆而造成井下埋鉆事故和塌孔事故的缺點，并提出了一系列的可行性技術建議。同時，山西藍焰集團對李俊峰的晉城礦區(qū)過采空區(qū)鉆井抽采煤層氣可行性分析中的套管鉆井技術及分段孔底封堵破碎巖石相關技術申請了專利保護。閆泊計以晉煤集團3號煤采空區(qū)為例，針對過采空區(qū)施工中煤體自燃及破碎松散地層安全鉆井問題，提出最佳解決方案為氮氣鉆井技術與跟管鉆井技術相結(jié)合。

(2)李彥明針對礦區(qū)采空區(qū)煤層氣鉆井過程中極易發(fā)生井漏、卡鉆、下套管遇阻等施工難題，研制了高強度套管、可鉆式鉆頭及開發(fā)堵漏鉆井液，可以將套管鉆井技術轉(zhuǎn)化應用于采空區(qū)地層鉆井，為采空區(qū)煤層氣開發(fā)提供了一種新的技術途徑。

2.5 技術優(yōu)缺點分析

2.5.1 空氣及氮氣鉆井的優(yōu)缺點

空氣鉆井以空氣作為介質(zhì)，一方面能大幅提高機械鉆井速度，另一方面作為循環(huán)介質(zhì)的空氣密度低，對井眼形成的壓力較低，在鉆井過程中不存在鉆井液的漏失，能有效解決長段復雜地層的井漏問題，大幅度降低井漏損失，加快鉆井工程進度，提高煤層氣勘探開發(fā)效益。但采用空氣鉆井過采空區(qū)，增加了采空區(qū)中氧氣的濃度，加之空氣鉆具與井下巖石摩擦過程產(chǎn)生熱量聚積，鉆井過程中時有發(fā)生自燃的現(xiàn)象。同時，也增加了采空區(qū)爆炸的風險。

氮氣鉆井不僅具有了空氣鉆井的優(yōu)勢，還因為循環(huán)介質(zhì)為惰性氣體，有冷卻效果，同時，避免了采空區(qū)鉆井中的自燃問題及爆炸的安全隱患。

但是，空氣/氮氣鉆井技術也受地質(zhì)條件所限制，對于出水地層，由于地層水能使黏土顆粒凝結(jié)膨脹，容易造成環(huán)空堵塞及卡鉆事故；破碎/松散地層，井壁不穩(wěn)定，鉆井過程中巖屑受到上返速度限制不能及時攜帶出井眼，也會出現(xiàn)卡鉆事故。而對于裂隙發(fā)育地層(采空區(qū)、溶洞)，在風量一定情況下，“漏氣”勢必會使上返速度降低，從而增加了卡鉆的風險。

同時，空氣/氮氣鉆井技術需要地面配制一定數(shù)量的動力設備(如空壓機、增壓機、制氮機)，增加了鉆井成本，與低成本開采煤層氣現(xiàn)狀相矛盾，因此，不具備廣泛推廣的價值。

2.5.2 跟管及套管鉆井的優(yōu)缺點

跟管及套管鉆井技術針對破碎/松散地層能夠及時用套管封隔，減少鉆井過程中起下鉆通井、下套管作業(yè)過程，避免了通井卡鉆、套管下不到位等復雜事故的發(fā)生。

跟管鉆井由于套管串與鉆頭連接且套在鉆桿串上，增加了鉆具的剛性，鉆井過程中增大了阻卡的風險。套管鉆井采用可鉆式鉆頭，下開次鉆井需要先用磨銑鉆頭將可鉆式鉆頭磨掉，則要浪費一只鉆頭。而采用可撈式鉆頭，其工具串結(jié)構(gòu)十分復雜，造價高，存在回收失敗的風險增加打撈的風險。

跟管及套管鉆井對鉆機配套及輔助設備有一定要求，勢必會增加鉆井成本，因而對于煤層氣鉆井普及推廣不具備現(xiàn)實意義。

2.5.3 固化堵漏工藝

固化堵漏液是將固井與堵漏相結(jié)合的一種技術，其工作原理是具有良好流動性的固化堵漏液在鉆進過程中進入裂隙發(fā)育地層，在漏失通道短時間內(nèi)稠化，并形成較高的強度，填充漏失地層的原生裂隙，進而阻止堵漏液進一步向地層深處流失，從而提高地層的承壓能力，實現(xiàn)漏失地層的局部范圍堵漏。

采空區(qū)裂隙帶鉆井井漏問題得到解決，該技術具有很好的推廣價值。固化堵漏液主要由固化劑、激活劑、懸浮穩(wěn)定劑、促凝劑、緩凝劑、密度調(diào)節(jié)劑等外添加劑與清水通過摻混配置而成。其中固化劑是最基礎的原料，加量大，其余添加劑加量少，成本低。因此需要考察固化劑成本問題。礦渣是一種工業(yè)廢料，來源廣，價格低，可以作為固化劑凝膠材料使用。需要對不同礦渣進行系統(tǒng)評價，優(yōu)選出性價比高的礦渣作為固化劑使用。這樣固化堵漏液成本就控制下來了，一旦試驗成功，必將具備廣闊的市場前景。

實現(xiàn)該堵漏工藝只需要采用常規(guī)鉆具鉆井，鉆至裂隙帶，發(fā)生惡性失返性漏失，地面配制固化堵漏液，候凝，試壓，鉆塞，鉆進至裂隙帶中部中完，下開次采用尾管鉆井技術，鉆具組合為下接可鉆式鉆頭+套管+旋轉(zhuǎn)懸掛器+普通鉆桿，用清水強鉆50～70m，鉆揭冒落帶，鉆至3號煤層底板30m完鉆。根據(jù)試氣結(jié)果，判斷該采空區(qū)煤層氣是否具備開采價值。若具備開采價值，則上提管串40～50m，使鉆頭在采空區(qū)中上部，完井。若該層位不具備開采價值，則套管留在3號煤層底板，進行固井，水泥返至3號煤層底板30m套管坐掛在上級套管內(nèi)，完成鉆桿與套管丟手，完井。而要鉆達采空區(qū)煤下組，則該井筒可以二次利用，先下磨銑鉆頭將可鉆式鉆頭鉆掉，然后下下一級鉆具組合開通過對采空區(qū)裂隙地層進行有效固化封堵，并鉆進至采空區(qū)3號煤層底板30m中完，套管下至3號煤層底板30m，固井水泥返至3號煤層底板10～30m，下開次則先用磨銑鉆頭將可鉆式鉆頭鉆掉，再采用常規(guī)鉆具使用泥漿鉆進至15號煤層底板30m完鉆。

3 結(jié)論

(1)通過調(diào)研與分析，采空區(qū)鉆井的難點是裂隙帶井漏難題，新的鉆井工藝在一定程度上能解決采空區(qū)鉆井難題，但是，由于技術或者成本問題，不具備推廣應用的價值。

(2)固化堵漏液性能指標若能夠滿足現(xiàn)場固化堵漏要求，則該技術一旦現(xiàn)場試驗成功，必將推動采空區(qū)煤層氣的開發(fā)進度，我國的能源結(jié)構(gòu)也將得到改善。同時，加強采空區(qū)固井完井技術攻關，配合鉆井工藝，實現(xiàn)煤層氣低成本開采的目標。

(3)提出固化堵漏液工藝配合尾管鉆井技術工藝，能使采空區(qū)煤層氣井筒合理重復利用，減少鉆井復雜，降低鉆井投入及成本，符合煤層氣低成本開發(fā)的政策。