晉城礦區穿采空區煤層氣鉆井技術難點及對策探討

2019-09-10 07:27:20李國紅

河南科技 2019年14期

李國紅

摘要：本文主要研究分析了晉城礦區穿采空區煤層氣鉆井技術難點及對策。通過分析可知，采用空氣潛孔錘鉆井工藝施工煤層氣穿采空區井，可有效解決因晉城礦區#3煤層采空后頂板垮落造成裂隙較大、井漏及井涌等難題;利用氣體壓力變化，可清除井內巖屑，防止坍塌掉塊造成卡鉆、埋鉆事故;鉆進時，通過調整注水量，實現巖屑、水、氣自然分離，可有效防止采空區煤自燃，消除井口返渣揚塵，提高鉆井效率，降低生產成本，實現下部15#煤層煤層氣抽采。

關鍵詞：煤層氣采空區;鉆井;晉城礦區

中圖分類號：TE37 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0086-03

Technical Difficulties and Countermeasures of CBM Drilling

Through Goaf in Jincheng Mining Area

LI Guohong

（The No.2 Team of Henan Coalfield Geological Bureau，Luoyang Henan 471023）

Abstract： This paper mainly studied and analyses the technical difficulties and countermeasures of CBM drilling through goaf in Jincheng mining area. Through analysis， it can be concluded that the application of air DTH hammer drilling technology in the construction of coal bed methane through goaf wells can effectively solve the problems of large fissures， well leakage and well gushing caused by roof collapse after goaf mining in Jincheng mining area. By adjusting the water injection rate， the natural separation of cuttings， water and gas can effectively prevent spontaneous combustion of coal in goaf， eliminate dust and slag return at wellhead， improve drilling efficiency， reduce production costs， and realize the extraction of coalbed methane from lower 15 # coal seam.

Keywords： CBM;goaf;drilling;Jincheng mining area

晉城礦區地處山西省沁水煤田南段，含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組，厚141m，共含煤7—11層（山西組1—3層，太原組6—8層），煤層總厚13.5m。其中，全區或局部可采煤層有6層，主要可采煤層為3#、9#和15#，15#煤層埋深500～600m。該礦區煤變質程度高，大部分為高煤級的貧煤和無煙煤，是我國優質無煙煤生產基地。該區煤層含氣量高，煤層隔離、裂隙發育，煤的原生結構和割理保存好;同時，煤層氣資源量較大，產出地質條件良好，也是我國煤層氣開發最有成效的地區之一[1-5]。隨著3#煤的采空，9#和15#煤層成為開采目標，但9#和15#煤層瓦斯含量較高[6]。晉城礦區礦井主要采用“垮落式長壁開采工藝”和“一次采全高”采煤工藝開采3#煤，采空后形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，高度可達60m，對穿越3#煤層采空區鉆井施工帶來極大困難[7]。

1 穿采空區鉆井技術方案

因為采空區裂隙發育，工程地質條件復雜，目前穿采空區鉆井主要采取空氣潛孔錘鉆井工藝。

1.1 井身結構

采用三開井身結構：一開Φ425mm鉆頭空氣潛孔錘鉆井開孔，鉆入基巖10～20m完鉆，下入Φ377.7mm的表層套管;二開Φ311.1mm的鉆頭空氣潛孔錘鉆進至3#煤層底板以下10～20m后完鉆，下入Φ244.5mm的技術套管，水泥返高至3#煤層頂板，封固采空區段漏失層段;三開Φ215.9mm鉆頭空氣潛孔錘鉆進，鉆穿15#煤層底板以下30m后完鉆，下入Φ139.7mm生產套管，水泥返高至3#煤層頂板以上100m完井。

1.2 主要技術參數

三開井的主要技術參數如表1所示。

1.2 主要施工難點及技術措施

①采空區裂隙發育，工程地質條件復雜，鉆遇時容易出現坍塌、掉塊等現象，從而造成卡鉆、埋鉆事故。為防止事故發生，在鉆遇距采空區60m，嚴密觀察井口風量變化及巖屑排出情況，一旦發現漏風或巖屑排出量較少時，降低鉆進速度，每鉆進3m，快速將鉆頭提離孔底。根據氣體理想狀態方程，快速提升鉆具，壓強變小，體積迅速增大，可大幅度提高環空氣體返速，利于巖屑排出孔底。反復操作2～3次，巖屑排出正常或上提無阻力可繼續鉆進。在鉆至采空區時，應緩慢下放鉆具，防止有較大空洞，發生大面積坍塌。在鉆進采空區底板時，可能發生井口不返風現象，此時巖屑隨風進入裂隙，可繼續鉆進，但應嚴密控制鉆速，每鉆進1m反復升降鉆具，確保吹凈巖屑、上提無阻力再進行鉆進。鉆進至目的層位后起鉆時，應將鉆頭提離孔底5m后，逐步停止送風，防止巖屑快速下落卡鉆[8，9]。

氣體理想狀態方程為：

[pV=nRT] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[p]表示理想氣體的壓強;[V]表示理想氣體的體積;[n]表示氣體物質的量;[T]表示理想氣體的熱力學溫度;[R]為理想氣體常數。

②鉆至采空區瓦斯溢出，有的甚至有一定壓力，出現井噴現象，對施工設備及人員造成危險。為防止事故發生，一方面鉆井設備要配置單閘板防噴器，井口安裝五合一氣體檢測儀，正對井口安裝大功率鼓風機，配置滅火器、沙堆等消防工具及應急救援器材;另一方面，加強現場管理，現場嚴禁煙火，易燃易爆品要遠離井口，井口嚴禁用電或用防爆電器，井口嚴禁鐵器敲擊。一旦發現有瓦斯或其他有害氣體超標時，若溢出量較小時，可打開鼓風機，濃度降至安全范圍方可繼續施工;若溢出量較大或壓力較大，應及時關閉防噴器，安裝井口裝置，排采至安全范圍時，再繼續施工。

③采空區煤自燃。純空氣鉆井，空氣與采空區瓦斯氣體混合，錘頭與巖石的敲擊及高壓、快速的氣流致使孔底產生高溫，具備燃燒條件，安全隱患大。目前，防止采空區自燃采取的主要措施是采用氮氣作為循環介質進行施工。該工藝能有效降低區域溫度、防止煤層自燃，提高施工安全性。氮氣施工除了空氣鉆井常規配備設備外，還需要配置制氮機、增壓機等專用設備，極大地增加了施工成本[10，11]。

穿采空區鉆井施工時，通過加注水或泡沫也可有效降低鉆頭區域溫度，防止煤層自燃，且施工成本較低，也是在施工中普遍采用的技術方法。該方法的關鍵點在于加注水或泡沫劑的量，量少會造成濕黏的巖屑附著在井壁上，造成卡鉆、埋鉆等孔內事故;量大不利于碎巖及巖屑排出。加注水量使孔口排除巖屑與水氣能明顯分離，且巖屑比較干凈，鉆井效果最佳。同時，通過加注水或泡沫還能防止揚塵，減少污染。

④防塵及防環境污染。空氣鉆井，破碎的巖屑粉隨高速氣體排出，容易產生揚塵，對施工現場環境及周邊環境造成影響。一方面，排渣口安裝大型旋流除塵器，防止揚塵;另一方面，加注水或泡沫消除揚塵。

3 現場實踐及施工效果

2018年，河南省煤田地質局二隊共在該區域施工穿采空區鉆井20余口，均采用注水空氣潛孔錘鉆井施工工藝，其中SHCK-181井出水量較大，其余井均為漏失。

現場采用的鉆井設備有XSC400型徐工車載鉆機和TSJ2000型水源鉆機;空氣動力設備是40m3/3MPa空氣壓縮機;注水和泡沫設備是ZKSY100-150型雙缸雙液注漿機（工作壓力0～16MPa，最大注漿量10m3/h）。

SHCK-181井設計井深463.00m，3#煤層位置337.00m至342.00m，已采空。一開Φ444.5mm鉆頭鉆進24.77m入基巖10m完鉆，下入Φ377.7mm套管。二開用Φ311.1mm鉆頭鉆進至288.00m左右開始地層含水，隨著井深水量逐漸增大，鉆進至310.00m時，補給量每小時約40m3，靜止時水頭高度約240.00m。鉆進時，先將鉆頭下至距井底3～5m，用2臺空壓機送風，將鉆孔底部水吹出井外，當出水量明顯降低時，再加壓進行鉆進。鉆進過程中不僅不影響效率，而且排巖屑效果較好。二開鉆進至370.00m（穿過采空區28m）完鉆，下入Φ244.5mm套管，固井，水泥漿返至259.00m（3#煤頂板以上78m），凝固后，用Φ215.9mm鉆進至463.00m，下入139.7mm套管，固井完井。

其余穿采空區井鉆進時均不含水，施工時通過加注水或泡沫劑進行施工。在二開Φ311.1mm直徑鉆頭鉆進時，采用2臺空壓機，風量60～80m3/min，注水量5～7m3/h，上返巖屑效果較好（見圖1）;三開Φ215.9mm直徑鉆頭鉆進時，采用1臺空壓機，風量30～40m3/min，注水量3～5m3/h，上返巖屑效果較好。

通過加注水施工，現場均未出現煤層自燃現象，且現場無揚塵，施工效果較好。與氮氣施工相比，消耗水量較多，但制氮機、增壓機等設備投入降低，每口井降低施工成本20余萬元，經濟效益較高。

4 結論

①采用空氣潛孔錘鉆井工藝施工煤層氣穿采空區井，可有效解決因#3煤層采空后頂板垮落造成裂隙較大、井漏和井涌等難題，實現下部15#煤層瓦斯抽排。

②在空氣潛孔錘鉆井過程中通過調整加注水量，實現井口排出巖屑、水及氣體自然分離，既提高鉆井效率，又防止煤層自燃，減少現場揚塵，施工效果良好。

③采用加注水進行穿采空區施工與用氮氣進行穿采空區鉆井相比，可降低生產成本，提高經濟效益。

參考文獻：

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