“L”型地面鉆井在塔山煤礦中的應用

2022-07-25 09:04:06王曉民

煤炭與化工 2022年6期

王曉民

（中國煤炭地質總局第二水文地質隊，河北邢臺 054000）

0 引言

隨著煤炭開采工作的進行，采空區內逐漸涌出高濃度瓦斯，部分瓦斯從工作面內的回風上隅角位置涌出，導致回風上隅角瓦斯濃度過高，對之后的煤炭回采造成威脅[1-3]。綜采工作面瓦斯超限問題是一個長期困擾我國煤礦安全高效生產的關鍵難題，在塔山礦區現有的瓦斯治理技術研究基礎上，采用了L 型鉆井對工作區頂部縫隙處的瓦斯進行抽采處理[4]，為解決高強度開采情況下瓦斯涌出濃度過大提供了可行方案，消除工作面生產中的瓦斯隱患，為礦井后續瓦斯治理提供借鑒意義。

1 區域地質概況

大同礦區位于山西陸臺北部，北靠內蒙古陸，東部與大同斷陷盆地相鄰，呂梁山脈西石山為礦區西界，南部與寧武煤田相鄰。

大同煤盆地為東南陡斜、西北寬緩的北東向復式不規則向斜盆地。受地層構造影響，礦區軸心發生了一定遷移，其中北東向為主要趨勢。受老阿爾卑斯階段和印支事件的影響，發生了強烈的地質構造活動，導致研究區東部地層陡峭、直立。伴隨著相應的巖漿活動，東部及東南部分地層構造復雜，斷裂較多；北部地層構造則相對簡單，斷層較少，而以單一向斜為主，總體來看大同礦區的地層構造較簡單[5-6]。根據地面勘探鉆孔魏35、A1、T1003、魏601、挖12、T1001、T1002、魏501 與井下探頂鉆孔21201 ～21242、21031、21033、21040、21041 資料，試驗對象主采煤層3-5 號煤層結構復雜、厚度為7.25 ～20.19 m，平均11.17 m，純煤厚為4.30 ～19.34 m，平均10.02 m，含夾矸2 ～10 層，夾矸厚度0.20 ～6.80 m，平均1.15 m，單層厚度0.05 ～1.00 m。夾矸巖性為灰褐色高嶺巖、灰黑色炭質泥巖，泥巖、局部夾深灰色粉砂巖。

影響研究區煤田構造形態主要有以下方面。

（1）內蒙古陸，構成了整個華北石炭二疊系煤田的北部邊界。

（2）受加里東運動的影響，西石山一直處于上升隆起，構成了研究區的西界。

（3）洪濤山背斜呈北西50°，橫亙在大同煤田的南東側。

（4）東界大同—山陰斷裂受喜馬拉雅山運動影響，斷距大，延展長（超過110 km），構成了研究區的南東及東部邊界（圖1）。

圖1 研究區構造形態示意Fig.1 The structural form of the study area

2 井身結構設計與工藝

2.1 L 型鉆井設計軌跡

綜合分析礦區地質情況后，選擇在8216 工作面一個合適的地點開孔施工，向下鉆一段直井（孔深約110 m）。

由直井段落點向靶域方向（8214 工作面內）造斜施工一弧形孔，弧形孔落點至8214 面3-5 號煤層頂板上，距煤層5 倍采高（+1 073.3 m），平面位置內錯8214 面回風巷30 m 左右。

由弧形孔落點向8214 面工作面回采方向施工一近水平孔，水平孔方位角306°（與風巷平行），終孔點距3-5 號煤層頂板3 倍采高（+1 046.0 m），水平段長度不小于200 m（圖2）。

圖2 鉆孔空間投影Fig.2 Spatial projection of borehole

2.2 鉆井工藝

鉆孔全孔使用GZ-2000 水源鉆機采用優質化學泥漿牙輪鉆頭鉆進及牙輪組合鉆頭擴孔成孔。L型井采用3 開井身結構，一開采用φ444.5 mm 鉆頭鉆至基巖面下60 m，下入φ339.7 mm×9.65 mm表層套管、固井候凝；二開采用φ216 mm 鉆頭導向，φ311 mm 鉆頭鉆至480 m，下入φ244.5 mm×8.94 mm 技術套管后固井候凝；三開采用φ216 mm 鉆頭鉆至B 靶點866 m 完鉆，下入φ168.28 mm×8.94 mm 技術套管；孔底200 m 為裸孔。環狀間隙內灌注滿P.O42.5 比重1.75 g/cm3水泥漿。鉆孔結構及下入孔內管材見表1，井深結構示意如圖3 所示。

表1 鉆孔結構及下入孔內管材Table 1 Borehole structure and pipes in borehole

圖3 井身結構示意Fig.3 Wellbore structure

2.3 鉆進方法

0～60 m 采用φ444.5 mm 三牙輪鉆頭鉆進，使用φ203 mm 鉆鋌+φ178 mm 鉆鋌+φ159 mm鉆鋌+φ114 mm 鉆桿+φ89 mm 鉆桿的塔式鉆具。

60～480 m 采用φ311 mm 牙輪鉆頭鉆進，使用φ172 mm 螺桿+φ159 mm 鉆鋌+φ127 mm 鉆鋌+φ114 mm 鉆桿+φ89 mm 鉆桿的塔式鉆具。

480～866.50 m 采用φ215.9 mm 三牙輪鉆頭鉆進，使用φ172 mm 螺桿+φ155 mm 無磁鉆鋌+φ121 mm 鉆鋌+φ114 mm 鉆桿+φ89 mm 鉆桿的塔式鉆具。以上鉆具組合在加壓鉆進及擴孔時，利用不超過鉆鋌總重量的30%～40%加壓。

2.4 鉆井技術參數

鉆壓、轉數、泵量等統稱為鉆井工藝參數。施工中采用三牙輪鉆頭鉆進工藝，參數為中鉆壓、大排量、中低轉速。

此次選取三牙輪鉆頭和螺桿鉆具鉆頭進行施工，牙輪鉆頭采用的鉆壓數值不超過鉆鋌重量的70%，在開孔、換層、地層情況異常時，鉆壓、轉速需減小（表2）。

表2 正常鉆進技術參數Table 2 Technical parameters of normal drilling

3 成井工藝

3.1 下管

該井設計分3 次下管分別為0～60 m 下入一級井管中339.7 mm×9.65 mm 成孔管選用材質J55 石油套管。0 ～480 m 下入二級井管φ244.5 mm×8.94 mm 成孔管選用材質N80 石油鋼管。450～660 m 下入三級井管φ168.28 mm×8.94 mm 成孔管選用材質N80 石油套管。套管采用升降機提吊、吊卡夾持進行下套管。套管之間采用絲扣連接。

在下管前認真檢查了動力設備和輔助設備的完好情況，保證設備在下管過程中性能良好，準備好水泥固井所需要材料、設備、排污場所，調整好泥漿性能。下管前進行充分圓孔，井管探井順利后才進行下管工序。下管時應把井管編號、丈量、計算總長度，依次記錄下入孔內套管的編號，記錄下入孔內的每根管材的長度及位置。并核對下入孔內的井管數量及下入深度與設計是否相符。