欠平衡鉆井工藝在煤礦地面采空區(qū)水位觀測(cè)孔施工中的應(yīng)用

習(xí)通 張記飛 景嬋

摘 要：通過(guò)對(duì)穿采空區(qū)井常用的鉆井工藝進(jìn)行研究，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)、施工地地質(zhì)條件等，選用合適的欠平衡鉆井工藝應(yīng)用于煤礦地面采空區(qū)水位觀測(cè)孔鉆井施工。將研究中獲取的煤層頂板裂隙帶高度、保持井底清潔的最小氣量計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際施工，分析經(jīng)驗(yàn)公式的不足和優(yōu)點(diǎn);將跟管鉆進(jìn)技術(shù)與空氣動(dòng)力鉆井技術(shù)相結(jié)合，解決穿采空區(qū)井施工中套管難以下入的難題。為其他煤礦地面采空區(qū)水位觀測(cè)孔或需要穿越采空區(qū)的井型施工提供有益參考。

關(guān)鍵詞：欠平衡鉆井;穿采空區(qū);頂板裂隙帶;最小氣量;水位觀測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE249 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）11-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.012

Application of Underbalanced Drilling Technology in Construction of Water Level Observation Hole in Goaf

XI Tong1，2? ? ZHANG Jifei1? ? JING Chan1

（1.The Second Institute of Resources and Environment Investigation of Henan province， Luoyang 471000，China;2. Henan Provincial Fracturing Engineering Technology Research Center， Luoyang 471000 ，China）

Abstract： According to the characteristics of the project and the geological conditions of the construction site， the appropriate underbalance drilling technology is selected and applied to the drilling construction of the water level observation hole in the goaf. The calculation results of crack zone height of coal seam roof and minimum gas volume to keep bottom clean are applied to practical construction， and the shortcomings and advantages of the empirical formula are analyzed. The combination of casing drilling technology and aerodynamic drilling technology solves the difficult problem of casing running in goaf well construction. It provides useful reference for other coal mine surface water level observation hole or well type construction that needs to pass through the goaf.

Keywords： underbalanced drilling; pass through the goaf; roof fissure; volume flow rate; water level observation

0 引言

由于煤礦煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育，在穿越煤層采空區(qū)時(shí)常規(guī)水基鉆井液鉆井技術(shù)無(wú)法使用，采用欠平衡鉆井技術(shù)施工穿越煤礦采空區(qū)成為一個(gè)可行的方案。早期的欠平衡鉆井采用的循環(huán)介質(zhì)是空氣，后相繼開(kāi)展試驗(yàn)以氮?dú)狻⑴菽⒉裼蜋C(jī)尾氣等作為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井工藝技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)已應(yīng)用于施工的穿越采空區(qū)的主要鉆井工藝為水基鉆井液常規(guī)鉆井技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)、氮?dú)忏@井技術(shù)和跟管鉆井技術(shù)，施工過(guò)程中也暴露了一些問(wèn)題。在實(shí)際鉆井施工中，需要根據(jù)施工位置的地質(zhì)條件、工期、成本等各方面因素，將各種鉆井工藝組合使用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能快速、安全地解決施工難題，完成施工任務(wù)。

1 工程概況

磴槽礦受鄭州“7.20”暴雨影響，礦區(qū)內(nèi)二1和一3煤層采空區(qū)內(nèi)有積水，為查清兩煤層采空區(qū)的積水情況、富水性，為礦井復(fù)工復(fù)產(chǎn)做準(zhǔn)備，在地面施工一個(gè)采空區(qū)水位觀測(cè)孔。根據(jù)需要，該井需要穿越二1、一3煤層采空區(qū)，鉆穿一3煤層采空區(qū)后3～5 m完鉆。設(shè)計(jì)井深530 m，二1煤層采空區(qū)厚約5 m，一3煤層采空區(qū)厚約1 m。工期要求為15 d。

在施工前勘查現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件并結(jié)合施工成本、施工工期分析，因?yàn)榫^深，工期較短，且需要穿越采空區(qū)，選用欠平衡鉆井工藝進(jìn)行施工方能解決施工工期短、地下地質(zhì)條件復(fù)雜的問(wèn)題;因該區(qū)域二1、一3煤層采空區(qū)均已有通道與地面溝通，采空區(qū)內(nèi)瓦斯含量較少或沒(méi)有，采用空氣鉆井工藝即可，不用擔(dān)心空氣鉆井過(guò)程引發(fā)采空區(qū)內(nèi)瓦斯自燃或爆炸。

2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因需要穿過(guò)二1、一3煤層兩層采空區(qū)，故選擇三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)。

一開(kāi)：0～20 m，采用Φ311.15 mm鉆頭無(wú)芯鉆進(jìn)至基巖下20 m左右;下入Φ273 mm套管，用425#硅酸鹽水泥加速凝劑固井，水泥漿返出地面。

二開(kāi)：20～500 m，穿過(guò)二1煤采空區(qū)，進(jìn)入太原組上段灰?guī)r0.5 m左右完鉆。采用Φ241.3 mm空氣潛孔錘鉆頭無(wú)芯鉆進(jìn)至太原組上段灰?guī)r0.5 m左右。二開(kāi)結(jié)束后下入40 m左右的Φ203 mm襯管保護(hù)二1煤采空區(qū)及其頂板冒落帶，下入襯管后固井候凝，一方面保護(hù)孔壁，另一方面封閉二1煤采空區(qū)及其底板含水層。D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9

三開(kāi)：500～530 m，鉆進(jìn)到一3煤空區(qū)底板以下3～5 m完鉆，采用Φ171.5 mm鉆頭無(wú)芯鉆進(jìn)一3煤底板3～5 m（下余2 m口袋），施工結(jié)束后進(jìn)行測(cè)井，測(cè)井結(jié)束后下入Φ139.7 mm×7.72 mm套管530 m。

3 設(shè)備選型

本次施工的水位觀測(cè)孔井深530 m，選用徐工集團(tuán)XSZ-800Ⅱ型履帶式鉆機(jī)配合2臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行施工，選用的主要設(shè)備見(jiàn)表1。

4 鉆井參數(shù)研究及應(yīng)用

4.1 采空區(qū)頂板裂隙帶高度

煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂板會(huì)出現(xiàn)下沉、垮落和來(lái)壓現(xiàn)象[1]，上方會(huì)產(chǎn)生冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。就鉆井施工而言，因裂隙帶和彎曲下沉帶會(huì)導(dǎo)致地層產(chǎn)生裂隙，空氣鉆進(jìn)時(shí)因裂隙漏風(fēng)而影響氣體攜巖能力，因此需要計(jì)算采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶的高度，在鉆進(jìn)到此位置附近時(shí)要增加氣體鉆井的氣壓和氣量。

冒落帶高度計(jì)算公式采用《筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》（安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號(hào)）[2]中硬覆巖巖性的計(jì)算公式為式（1）。

[Hk=100M4.7M+19±2.2]? ? （1）

裂隙帶高度采用《煤礦專(zhuān)門(mén)水文地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 40130—2021）[3]中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）和唐山煤科院中硬覆巖巖性的兩個(gè)計(jì)算公式（2）（3）。

[Hf=100M0.26M+6.88±11.49]? ?（2）

[Hf=20M+10]? ? ?（3）

式中：[Hk]為冒落帶高度，m;[Hf]為裂隙帶高度，m;M為煤層采厚，m。

二1煤層采空區(qū)厚度5.00 m，一3煤層采空區(qū)厚1.00 m。根據(jù)公式（1），計(jì)算得二1煤層采空區(qū)頂板冒落帶高度為13.96 m，一3煤層采空區(qū)頂板冒落帶高度為6.42 m;二1煤層采空區(qū)頂板裂隙帶高度為72.61～110.00 m，一3煤層采空區(qū)頂板裂隙帶高度為25.50～30.00 m。

在本井實(shí)際空氣鉆井施工中，二1煤層采空區(qū)頂板110.00 m前已發(fā)現(xiàn)井下有漏風(fēng)現(xiàn)象，二1煤層采空區(qū)頂板裂隙帶大于110.00 m;一3煤層采空區(qū)的頂板裂隙帶小于25.00 m。

4.2 最小氣量

空氣鉆井技術(shù)是采用空氣來(lái)代替鉆井液將井底鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑運(yùn)移出井外。空氣量不足，會(huì)導(dǎo)致巖屑不能順利返出井外，逐漸堵塞在井底發(fā)生事故;空氣量過(guò)大，會(huì)增加井底壓力，降低機(jī)械鉆速，并造成額外的鉆井成本。因此要根據(jù)井深和井徑的大小等因素，計(jì)算出能夠?qū)⒕讕r屑運(yùn)移出井外的最小氣量，確保井底清潔。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界逐漸形成了井底清潔的三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即最小動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)、最小速度標(biāo)準(zhǔn)和最小井底壓力標(biāo)準(zhǔn)，這三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)都是基于攜帶巖屑標(biāo)準(zhǔn)提出的[4-8]。第一類(lèi)是由施工現(xiàn)場(chǎng)成功完井的空氣鉆井實(shí)例總結(jié)而來(lái)，但未考慮氣固兩相之間的相互作用;第二類(lèi)考慮了氣固兩相之間的相互作用;第三類(lèi)考慮因素較單一。井底清潔程度第二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)理論上具有先進(jìn)性，因此本次計(jì)算最小氣量采用第二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)——巖屑沉降末速度標(biāo)準(zhǔn)[9]。

沉降末速度是指巖屑在流速為Va的上升氣流中，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)巖屑相對(duì)于氣流的速度。按照巖屑沉降末速度理論，只要保證空氣的流速一直在巖屑沉降末速度Vt之上，就能夠保持巖屑處于上升狀態(tài)。在環(huán)空上升氣流中有Vt=Va-V，即V=Va-Vt，只要保證Va>Vt，巖屑在井壁環(huán)空中就能夠保持上升狀態(tài)。其速度公式以及流量公式如式（4）（5）。

[Vt=4·g·dmax（γc?γg）3·F·γg]? ?（4）

[Q=Vt·s=Vt·π4（D?2?Dp2）]? （5）

式中：[g]為重力加速度，m/s2;[dmax]為巖屑的最大特征尺寸，m;[γc]為井底巖屑重度，N/m3;[γg]為空氣的重度，N/m3;F為繞流阻力系數(shù);Q為最小空氣流量，m3/s;Dh為井眼直徑，m;Dp為鉆桿直徑，m。

在空氣鉆井環(huán)空巖屑計(jì)算中，認(rèn)為巖屑是圓球形的，環(huán)空氣體處于紊流狀態(tài)，此時(shí)F=0.44[10];巖屑尺寸取井底巖屑尺寸的1/3～1/2;根據(jù)施工區(qū)使用空氣鉆井的數(shù)據(jù)分析，返排巖屑的相對(duì)密度為2.4 g/cm3，鉆鋌外徑為165 mm，鉆桿外徑為127 mm，井眼直徑為241.3 mm、171.5 mm，假設(shè)井底巖屑最大尺寸為25 mm，在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下根據(jù)式（4）、式（5）求出對(duì)應(yīng)的巖屑沉降末速度為40.71 m/s，最小流量分別為59.44 m3/min、25.47 m3/min。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井情況，現(xiàn)場(chǎng)配備兩臺(tái)空壓機(jī)，提供的空氣流量為38～76 m3/min，最小流量分別為59.44 m3/min、25.47 m3/min，現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)能夠滿(mǎn)足施工空氣流量，故能夠?qū)r屑有效地排出井眼。而且由于施工區(qū)上部地層主要是炭質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，一般最大巖屑尺寸小于25 mm，所以該公式的計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。考慮到井壁內(nèi)的氣體與鉆具、井壁的摩擦作用，所以當(dāng)井深增大時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大空氣流量。以上計(jì)算為常規(guī)地層空氣鉆井時(shí)的最小氣量，不考慮地層采空區(qū)裂隙。

在本次水位觀測(cè)孔施工中，在進(jìn)入裂隙帶之前，參照本次計(jì)算的最小氣量，一開(kāi)時(shí)采用1臺(tái)美國(guó)壽力1170P空壓機(jī)，額定排氣量為38.2 m3/min，二開(kāi)、三開(kāi)采用2臺(tái)美國(guó)壽力1170P空壓機(jī)，能夠滿(mǎn)足鉆井時(shí)排除井底巖屑的需要，說(shuō)明最小速度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果可以用于指導(dǎo)實(shí)際鉆井施工。

5 施工中遇到的問(wèn)題及解決辦法

按照設(shè)計(jì)要求，二開(kāi)鉆穿二1煤層采空區(qū)后進(jìn)入太原組灰?guī)r0.5 m完鉆，但在二開(kāi)完鉆后，經(jīng)過(guò)多次通孔，二開(kāi)套管在下至采空區(qū)位置后無(wú)法下入。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為二1煤層采空后，頂板垮落下來(lái)，由于頂板較為破碎，鉆頭可以輕松穿過(guò)，但起鉆后，破碎的頂板巖石又堆積在鉆頭穿過(guò)采空區(qū)的位置，造成二開(kāi)套管無(wú)法下入。D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9

為解決這個(gè)問(wèn)題，快速、順利地將二開(kāi)套管下入，不延誤工期，經(jīng)過(guò)分析研究，認(rèn)為采用跟管鉆進(jìn)通孔的方式能夠解決這個(gè)問(wèn)題。跟管鉆進(jìn)是采用偏心鉆頭（見(jiàn)圖1）鉆至設(shè)計(jì)井深，然后將鉆頭退出套管，將套管留在孔內(nèi)。

單偏心潛孔錘跟管鉆井技術(shù)的主要工作原理為車(chē)載鉆機(jī)頂部動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)力和鉆進(jìn)動(dòng)力，鉆桿、鉆鋌等鉆具重力提供鉆進(jìn)動(dòng)力，空壓機(jī)和增壓機(jī)提供潛孔錘工作的動(dòng)力和返出井底巖屑的循環(huán)介質(zhì)。在鉆進(jìn)時(shí)，車(chē)載鉆機(jī)動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆桿、鉆鋌、套管和單偏心潛孔錘正轉(zhuǎn)，偏心鉆頭在導(dǎo)診器偏心軸的正轉(zhuǎn)帶動(dòng)下張開(kāi)，并被限位。偏心鉆頭旋轉(zhuǎn)張開(kāi)后鉆出的孔徑大于套管的外徑，鉆頭帶動(dòng)鉆具、鉆桿、鉆鋌鉆進(jìn)。當(dāng)鉆至設(shè)計(jì)層位時(shí)，車(chē)載鉆機(jī)動(dòng)力頭緩慢倒轉(zhuǎn)，偏心鉆頭倒轉(zhuǎn)收回，偏心鉆頭收回后倒轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)外徑小于套管內(nèi)徑，帶著鉆具從套管內(nèi)退出，將套管留在孔內(nèi)。

本次采用單偏心跟管鉆具通井和鉆進(jìn)原理相同，在單偏心跟管鉆具下鉆通孔時(shí)，車(chē)載鉆機(jī)動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆具、套管和偏心鉆頭、中心鉆頭正轉(zhuǎn)，偏心鉆頭張開(kāi)，并被限位。在空氣和鉆具的壓力作用下，鉆頭帶動(dòng)套管、鉆具鉆進(jìn)，穿過(guò)二1煤層采空區(qū)至設(shè)計(jì)井深，將車(chē)載鉆機(jī)動(dòng)力頭緩慢倒轉(zhuǎn)2圈，偏心鉆頭收回，帶著鉆具從套管內(nèi)退出，將二開(kāi)套管留在孔內(nèi)，最終順利將二開(kāi)套管下入設(shè)計(jì)層位。

6 結(jié)論及建議

①在實(shí)際鉆井中，純鉆進(jìn)時(shí)間僅72 h，說(shuō)明欠平衡空氣鉆井技術(shù)應(yīng)用于穿采空區(qū)的井型時(shí)，能夠提高效率。

②當(dāng)鉆遇煤層頂板裂隙帶情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的采空區(qū)頂板裂隙帶的高度與實(shí)際裂隙高度偏于保守，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的頂板裂隙帶可供參考，如果需要更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)該地區(qū)的采厚、采空區(qū)面積、頂板管理與采煤方法、頂板巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型、煤層賦存狀況及開(kāi)采深度6個(gè)方面因素對(duì)頂板導(dǎo)水裂隙帶最大度進(jìn)行綜合分析[11]。

③采用井底清潔的第二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)——巖屑沉降末速度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算保持井底清潔的最小氣量，比較符合實(shí)際情況，可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際空氣鉆井施工。

④在選用何種氣體進(jìn)行穿采空區(qū)井的欠平衡鉆進(jìn)方面，應(yīng)根據(jù)施工地的地層、地質(zhì)特征來(lái)進(jìn)行選擇，并可與跟管鉆井等鉆井工藝配合使用，以求快速、安全地完成鉆井施工任務(wù)。

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