松軟煤層瓦斯抽采鉆孔沖洗液應用研究

王建強

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著我國煤礦開采量的日益增加，松軟煤層所占比例越來越大，導致松軟煤層瓦斯治理問題越來越突出，尤其是松軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工過程中存在的塌孔，導致鉆孔深度達不到要求，制約著煤層瓦斯的高效治理。近年來國內外專家學者在該方面也作了大量研究，其中最具代表性的主要包括：水力排渣鉆進工藝、低風壓空氣鉆進工藝、中風壓空氣鉆進工藝、干式螺旋鉆進工藝、反循環鉆進工藝、泡沫鉆進工藝和保壓鉆進工藝[1-6]，以上研究成果對提高松軟煤層瓦斯抽采鉆孔成孔深度都起到了重要作用。但沖洗液技術在煤層瓦斯抽采鉆孔中的應用研究還比較缺乏。有鑒于此，借鑒石油鉆井工程中的沖洗液技術，針對煤層瓦斯抽采鉆孔自身特點，配制了相應沖洗液，并通過對鉆具性能影響測試和現場試驗應用，試驗結果表明該沖洗液有助于提高孔底馬達回轉扭矩和轉速，有助于提高松軟煤層鉆孔深度，其中，在趙莊礦進行的回轉穿層鉆孔現場試驗中，鉆孔煤中進尺由1～3 m提高到9～17 m；在成莊礦進行的順層定向鉆孔現場試驗中，單孔平均鉆孔深度可以提高約10 m。

1 煤層瓦斯抽采鉆孔用沖洗液

煤層瓦斯抽采鉆孔用沖洗液與石油鉆井用沖洗液要求不同，前者要求沖洗液不能影響鉆孔瓦斯抽采，不能降低煤層的透氣性，不能堵塞瓦斯解吸通道，為此，針對煤層瓦斯抽采鉆孔的自身特點，特配制了粉基和液基2種沖洗液，其中，液基沖洗液具有自動降解功能，粉基沖洗液雖然沒有自動降解功能，但是在使用時通過加入生物酶，可實現降解功能。

1.1 粉基沖洗液

粉基沖洗液主要由鉆屑高效懸浮劑、防滲成膜劑、增黏劑、降失水劑、分散穩定劑、減阻劑和滲透率恢復劑組成。完全成漿時的鉆井液性能主要參數為：表觀黏度 40 mPa·s，切力 18 Pa，失水量 14 mL/30 min，密度1.02 g/cm3，潤滑系數0.28，動塑比0.67，后期可降解至初始黏度的30%。

1.2 液基沖洗液

液基沖洗液主要由PCM、TCA、乳化劑、分散劑、消泡劑、引發劑組成。完全成漿時的鉆井液性能主要參數為：表觀黏度 17 mPa·s、塑性黏度 13 mPa·s、動切力4 Pa，靜切力1.5/2.5(1′/10′)Pa，流性指數0.7，稠度指數 0.14。

2 沖洗液對試驗鉆具影響分析

煤層瓦斯抽采鉆孔鉆進技術主要有常規回轉鉆進技術和定向鉆進技術，其中，煤礦井下用定向鉆進技術采用孔底馬達為孔底動力驅動鉆頭回轉碎巖，所以鉆進過程中對沖洗介質性能要求較嚴格[7-9]，為了確保定向鉆進技術中采用的孔底馬達性能不受沖洗液影響，在室內進行了沖洗液對孔底馬達性能影響測試。

測試在螺桿鉆具性能測試試驗臺上進行，測試用泵的排量為194 L/min，分別選取清水、粉基沖洗液（體積比2%）、液基沖洗液（體積比0.3%）和液基沖洗液（體積比0.5%）進行測試，主要測試在入口壓力一定的條件下，孔底馬達輸出扭矩和輸出轉速的變化。

在同樣入口壓力條件下，觀察馬達輸出扭矩變化，沖洗液對孔底馬達輸出扭矩影響曲線如圖1。由圖1可知，其中入口壓力在1.6～4.1 MPa范圍，輸出扭矩由大到小依次為：液基沖洗液（體積比0.5%）、液基沖洗液（體積比0.3%）、粉基沖洗液（體積比2%）和清水。由此可以得出，液基和粉基沖洗液都可以提高馬達輸出扭矩，從提高的幅度來看液基沖洗液（體積比0.5%）效果最好。馬達輸出扭矩越高，則馬達對地層適應范圍越廣，相應鉆頭碎巖能力越高，有助于提高鉆進效率。

圖1 沖洗液對孔底馬達輸出扭矩影響曲線圖

在同樣入口壓力條件下，觀察轉速變化，沖洗液對孔底馬達輸出轉速影響曲線圖如圖2。由圖2可知，入口壓力在1.4～4.3 MPa范圍，轉速由大到小依次為：液基沖洗液（體積比0.5%）、液基沖洗液（體積比0.3%）、粉基沖洗液（體積比2%）和清水。由此可以得出，液基和粉基沖洗液都可以提高馬達轉速。馬達轉速越高，則可以提高單位時間鉆頭碎巖次數，即可提高鉆進效率。

圖2 沖洗液對孔底馬達輸出轉速影響曲線圖

3 沖洗液現場試驗

為了測試沖洗液實際應用效果，先后在趙莊礦和成莊礦進行現場試驗，其中在趙莊礦采用回轉鉆進技術施工穿層鉆孔，在成莊礦采用定向鉆進技術施工順層定向鉆孔。

3.1 沖洗液在回轉鉆進技術現場試驗

在趙莊礦1307-2底抽巷進行現場試驗，試驗煤層為3#煤層，該煤層平均厚度4.60 m，煤層松軟，堅固性系數為0.23～0.65，采用回轉鉆進施工瓦斯抽采穿層鉆孔常常發生塌孔、卡鉆和不返水，導致鉆孔煤層中進尺少。

試驗設計6個穿層鉆孔，各鉆孔巖孔段全部采用清水作為沖洗介質，鉆遇煤層后分別用清水和沖洗液作為沖洗介質進行對比試驗。試驗選取粉基沖洗液，試驗前需要把配料與水按質量比15‰～25‰的比例配置成漿液，配好的漿液在使用前需要按質量比0.35‰～0.4‰的比例加入生物酶。趙莊太回轉鉆進試驗數據統計見表1，1#～3#鉆孔實鉆軌跡如圖3，4#～6#鉆孔實鉆軌跡如圖 4。

通過分析現場試驗數據可以發現，6個鉆孔煤層段用清水鉆進孔深在1～3 m，平均煤中進尺1.8 m，而用沖洗液鉆進孔深在9～17 m，平均煤中進尺13 m。分析其中原因，首先，沖洗液具有一定黏度，有助于提高其排渣能力[10]，通過現場試驗現象也發現，用沖洗液鉆進時返出的煤渣中，有部分直接呈漂浮狀，而用清水鉆進時只有少量煤粉呈漂浮狀，煤渣都沉淀在底部；其次，該沖洗液是由各種高分子聚合物組成，能夠吸附在煤層孔壁表面，從而起到一定膠結作用，可以在一定程度上提高煤層孔壁的穩定性。

表1 趙莊礦回轉鉆進試驗數據統計表

圖3 1#～3#鉆孔實鉆軌跡

圖4 4#～6#鉆孔實鉆軌跡

后期通過對各試驗鉆孔與對比鉆孔瓦斯抽采數據監測（圖5和圖6），試驗鉆孔平均瓦斯抽采濃度在50%～90%，對比鉆孔平均瓦斯抽采濃度在30%～80%；試驗鉆孔平均日瓦斯抽采量在50～80 m3/d，對比鉆孔平均瓦斯抽采濃度在20～60 m3/d。從數據分析試驗鉆孔平均瓦斯抽采濃度和平均瓦斯日抽采量與相鄰對比鉆孔效果相近甚至略好，從而表明該沖洗液的使用不會堵塞瓦斯解析通道，不會影響鉆孔瓦斯的正常抽采。

圖5 試驗鉆孔與對比鉆孔平均瓦斯抽采濃度曲線

圖6 試驗鉆孔與對比鉆孔平均日瓦斯抽采量曲線

3.2 沖洗液在定向鉆進技術現場試驗

在成莊礦13071巷，試驗煤層為15#煤，該煤層軟硬不均、節理裂隙發育多、膠結性差、夾矸多，在定向鉆進施工過程中存在的主要問題是塌孔，導致鉆孔深度淺。為此，采用液基沖洗液進行試驗。

試驗鉆孔為2#定向鉆孔，為了觀察沖洗液的使用效果，只在異常孔段使用沖洗液。沖洗液質量配比為1‰～5‰，該鉆孔累計孔深531 m，累計煤中進尺447 m，沖洗液鉆進累計進尺74 m，成莊礦定向鉆進試驗數據2#鉆孔見表2，實鉆軌跡圖如圖7。

表2 成莊礦定向鉆進試驗數據統計表

通過分析現場試驗數據可以發現，該鉆孔1個主孔，6個分支孔，使用沖洗液使得各鉆孔煤層中進尺有不同程度增加，增加3～15 m，單孔平均深度提高約10 m，該沖洗液的使用在一定程度上提高了順層定向鉆孔的深度。

圖7 2#鉆孔實鉆軌跡圖

分析原因主要是由于該沖洗液的加入可以顯著提高沖洗介質的黏度，從而可以提高沖洗介質攜粉排渣能力。在松軟煤層中施工順層定向鉆孔，往往由于煤層松軟導致塌孔產生的大量煤渣不能及時排出，導致煤渣在孔內慢慢積聚，最終堵塞排渣通道，通過使用沖洗液，可以有效提高沖洗介質的排渣能力，對于輕微塌孔產生的煤渣相對較少，能夠及時排出孔外，不至于堵塞排渣通道，從而在一定程度上可以提高鉆孔深度。

4 結論

1）通過室內試驗，證明該沖洗液能夠滿足定向鉆進用孔底馬達工作性能要求，不會對其工作性能產生不利影響，反而有助于提高孔底馬達輸出扭矩和輸出轉速。

2）通過現場試驗，證明該沖洗液能夠提高沖洗介質的黏度，從而可以顯著提高沖洗介質排渣能力，在一定程度上有助于提高鉆孔深度；該沖洗液具有可降解性，使用后不會堵塞瓦斯解析通道，不會影響鉆孔瓦斯正常抽采。

3）為了更好的發揮沖洗液的作用，避免不必要的浪費，建議研發煤礦井下泥漿固控裝置，實現沖洗液的循環利用。