晉城礦區采空區煤層氣井施工問題及對策分析

郭文水

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司)

煤礦采空區是地下煤炭被采出后形成的空洞區，受落煤、保護煤柱、圍巖、鄰近煤層瓦斯解吸和運移影響，多數采空區內富含瓦斯資源，是我國煤層氣開發的潛力區域[1-3]。不過受采空區地層復雜影響，造成在地面鉆井過程中普遍存在井漏、掉塊卡鉆、下套管遇阻、固井質量差等一系列問題，嚴重制約了煤礦采空區煤層氣資源開發的進度[4-6]。隨著近幾年國內對清潔能源需求的快速增長，為挖掘自身開發潛力，煤層氣作為非常規天然氣的重要組成部分，是下一步開發的熱點[7]。因此，對制約采空區鉆井施工的難點開展分析和對策研究迫在眉睫。

1 晉城礦區采空區煤層氣井施工現狀

煤礦采空區煤層氣開發涉及資源評價、區塊優選、鉆井施工等多個方面，綜合開發難度較大，目前在國內尚處于起步階段。山西晉城礦區的3#煤層資源賦存條件好、埋深淺，采后形成的采空區內煤層氣普遍儲量大、濃度高，是我國現階段煤礦區煤層氣資源開發的示范區。因此，下面以晉城礦區為例，介紹目前采空區鉆井施工的現狀。

晉城礦區針對采空區地層的鉆井施工分為采空區煤層氣井(簡稱采空井)和穿采空區煤層氣井(簡稱穿采空井)2種模式[8]，井身結構示意圖見圖1。

綜合分析圖1可以看出，晉城礦區采空井的目的是開發3#煤層采空區內富集的煤層氣資源，目標層位是采空區裂隙帶中下部地層；穿采空井的目的是穿過3#煤層采空區開發下組煤的煤層氣資源，目標層位是15#煤層。雖然2種開發模式之間存在較大差異，但是都涉及到采空區復雜地層的鉆井施工，是目前的難點所在。

圖1 晉城礦區煤層氣井開發形式

受采空區地層裂隙發育影響，當鉆進到裂隙帶時，普遍會發生嚴重井漏，而現場多數采用泥漿加鋸末、核桃殼、棉籽殼等橋塞材料或者注水泥漿工藝進行堵漏施工，因無法滿足大裂縫地層的堵漏要求，往往效果較差，造成基于常規堵漏施工的泥漿鉆井工藝無法適用于采空井鉆進。后期為滿足采空區煤層氣資源開發需要，鉆井隊將沖洗液由泥漿調整為空氣，實現了欠平衡鉆井，解決了鉆井液漏失嚴重的問題，同時還因空氣來源充足和便利特點，成為采空井施工的最適用工藝。不過隨著該工藝的推廣應用，空氣鉆井暴露出一個重大安全隱患：因空氣鉆井采用潛孔錘作為動力鉆具，利用沖擊回轉方式進行碎巖，當釬頭沖擊巖石表面時會產生熱量，加上空氣循環供氧，使得采空區存在遺煤自燃或煤層氣燃燒的風險，安全性無法保障[9]。為此，綜合考慮空氣鉆井的安全風險和欠平衡鉆井的技術優勢，現場施工時又將沖洗液由空氣調整為氮氣，成功解決了安全問題[10-11]，目前已成為晉城礦區鉆進采空區裂隙地層的主要鉆井工藝。不過隨著氮氣欠平衡鉆井工藝的推廣應用，因需要單獨配置制氮機、增壓機等設備，該工藝暴露出作業成本高的問題。

綜合來看，晉城礦區的采空井和穿采空井施工工藝先后經歷了泥漿堵漏鉆井、空氣欠平衡鉆井、氮氣欠平衡鉆井的優化過程，并且經過現場的不斷完善，形成了成熟的鉆井工藝流程：針對未漏失地層，采用常規泥漿鉆井或空氣鉆井工藝施工，完鉆后下套管并固井；針對裂隙發育地層，將沖洗液由泥漿或空氣調整為氮氣，鉆至煤層底板，如果是采空井則提鉆裸眼或下篩管完井，是穿采空井則下套管固井，封隔采空段，常規工藝三開鉆至15#煤層底板。截止目前，該鉆井工藝已支撐了幾百口采空井和穿采空井的施工。不過隨著環保作業要求的提高，欠平衡鉆井過程中的揚塵、噪聲等問題開始顯現，已成為當下鉆井施工的一個短板。

2 煤礦采空區地層特征

目前在煤礦采空區地層施工鉆井時問題多、難度大，究其根本是受采空區特有的地層條件決定的，尤其是地層裂隙對漏失的影響，是制約鉆井工藝的關鍵。因此，開展鉆井難度分析和對策研究，前提是對采空區地層特征有所了解。

當工作面回采時，煤層上覆巖層會經歷變形—破斷—垮落的過程，到采煤結束后，將逐步形成一種穩定的地層形態。根據經典的礦壓理論[12-13]，對采場圍巖變形空間劃分方法，采場上覆巖層會形成“三帶”分布特征，從下到上依次是底部的冒落帶、中部的裂隙帶及上部的彎曲下沉帶，見圖2所示。

圖2 采空區分布特征

由圖2可知，冒落帶位于最底部，是巖層變形程度最劇烈的區域，形成的裂縫尺寸大、分布廣、導通性好；裂隙帶位于冒落帶之上，相比而言，其裂縫的尺寸減小很多，但裂隙在橫向和垂向依然十分發育，裂隙之間連通性良好；彎曲下沉帶從裂隙帶頂部至地表，其裂隙發育程度非常低，只有底部存在較小的離層裂隙。綜合來看，采空區地層的裂隙呈現出上小下大的變化形態，在裂隙帶和冒落帶層段，橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙連通性較好，是目前發生井漏的地層段。

通常在油氣井堵漏施工時，漏失地層的準確位置、深度、漏層特征等是設計堵漏工藝的基礎依據。因此，針對煤礦采空區鉆井，為了分析施工的難點和研究適用對策，首先需要明確采空區裂隙地層的位置和深度，即“三帶”的準確分布范圍。因晉城礦區的3#煤層普遍賦存穩定、變化不大，所以本文參照晉煤集團寺河煤礦的頂板巖層條件(中硬砂巖為主)，選用經驗公式計算上覆巖層裂隙在垂向上的發育范圍。

其中，冒落帶高度為

(1)

式中，Hm為冒落帶高度，m； ∑M為累計開采煤層厚度，m。

裂隙帶高度HL為

(2)

寺河煤礦的3#煤層平均厚度為6.0 m，采煤工藝為一次采全高，由此計算得到冒落帶和裂隙帶高度分別為Hm=10.5～14.9 m，HL=39.9～51.1 m。按最大值取值，則冒落帶高度范圍：0～14.9 m，裂隙帶高度范圍14.9～66.0 m。

綜合上述分析和計算可以得出，在采空區鉆井時，開始發生井漏的大概位置在煤層以上66 m，整個漏層段長度約為66 m，鉆進過程中漏失最嚴重的區域是從煤層底板到14.9 m高度范圍的冒落帶。

3 采空井施工問題分析及對策

3.1 采空井施工問題分析

從前述分析可知，煤礦采空區地層呈現出典型的“三帶”分布特征，不僅地層裂隙普遍發育，而且裂隙發育的地層段長度比較長，由此對后期的鉆井施工造成嚴重影響，產生眾多施工難題，主要表現在以下幾個方面。

(1)井漏問題。采空區地層是原始狀態被破壞后形成的一種類似“構造地層”，其中巖層間存在大量離層和破斷裂隙，由此導致地層壓力非常小，當循環介質的壓力大于地層壓力時，循環介質將進入地層的裂隙通道，從而發生漏失。鉆井液因密度大，形成的正壓差大，所以泥漿鉆井漏失最明顯，而當采用空氣或氮氣鉆進時，受壓差小影響，發生漏失的嚴重程度較泥漿減輕許多。不過在冒落帶地層，因裂隙通道尺寸大，鉆進過程中空氣或氮氣也會漏失，出現井口不返屑的現象。

(2)井壁失穩問題。采空區地層在經歷垮落或下沉過程中，不同巖層間因位移變化不同，造成后期的巖體分布多呈碎塊狀，使得地層的結合強度低。當鉆進到該地層時，鉆具的擾動和循環介質的沖刷將造成井筒周圍地層發生失穩，進而導致掉塊或井壁坍塌。此外，因套管外徑大，在完鉆下套管時，套管易與井壁發生刮擦，進而加重破碎地層失穩，最終導致下套管遇阻。

(3)安全問題。目前晉城礦區施工采空井形成了成熟的技術，即空氣+氮氣欠平衡鉆井工藝，其中為了控制成本，一般一開和二開鉆進選用空氣循環，當鉆進到采空區時再更換為氮氣循環。由于空氣鉆井是利用沖擊方式進行碎巖，井底會產生熱量，加上循環供氧，當鉆進到裂隙帶上部揭露采空區時，存在煤層氣被鉆燃的風險，具有非常大的安全問題。

(4)固井問題。目前晉城礦區施工采空井，一般二開完鉆的層位以發生漏風為界限，導致了二開固井時井底存在漏失問題，而采用堵漏施工將污染下部的產氣層，造成二開固井效果難以保證；當施工穿采空井時，二開完鉆的層位是煤層底板以下22 m左右，這導致固井時水泥漿只能上返到底板，技術套管下部的有效固井段只有22 m左右，影響二開固井的效果。

(5)完井問題。目前晉城礦區針對采空井，多數采用裸眼或下篩管的方式完井，由于采空區地層裂隙發育、膠結強度低，當采用裸眼完井時，抽采過程中面臨井壁失穩坍塌堵塞井筒的問題；當采用篩管完井，篩管本體強度難以匹配地層變化時將發生擠壓變形，此外抽采過程還存在篩眼被堵塞的問題。

3.2 采空井施工對策研究

通過前述分析可知，受采空區這種特殊的地層形態影響，在采空區施工鉆井存在一系列問題，因此為滿足采空區煤層氣大規模開發的需求，急需對制約施工的行業難題進行攻關，結合多年來積累的現場經驗，提出以下幾個方面的研究對策。

(1)基于空氣或氮氣鉆井施工采空區地層的技術優勢，研究霧化或泡沫鉆井工藝，改變循環介質類型，不僅降低鉆進過程中沖洗液的漏失壓力，還可以解決安全風險難題。

(2)借鑒油氣井套管鉆井技術，實現邊鉆邊下套管，解決常規工藝下套管時因井壁失穩導致的遇阻難題。

(3)結合采礦學理論，準確判別裂隙帶高度范圍，進而優化井身結構，確保二開完鉆層位在裂隙帶之上，保證二開固井不發生漏失。

(4)通過分析采空區地層被擾動后井筒四周巖體的穩定性情況，對比優化完井工藝，設計高強度的完井篩管。

4 結論與建議

4.1 結 論

(1)針對采空區煤層氣井施工，目前晉城礦區經過不斷摸索，已形成一套成熟的鉆井工藝，即空氣+氮氣鉆井技術，但該工藝面臨施工安全、鉆井成本高、環境污染等問題。

(2)通過研究晉城礦區的采空區地層可知，采空區裂隙在垂向發育范圍0～66 m，深度范圍大，導致后期鉆井時存在井漏、井壁失穩、鉆完井工藝不匹配等問題。

(3)基于當前晉城礦區采空區煤層氣井施工現狀，急需通過優化鉆完井工藝，解決制約行業發展的難題。

4.2 建 議

隨著國家對采空區煤層氣資源的高度重視，在采空區規劃施工的鉆井數量將越來越多，因此，希望通過對制約目前采空井施工難題的宏觀分析，為國內外研究機構提供一個明確的研究方向，以期推動采空區鉆井技術的行業發展。