五礦花河峪地面大口徑瓦斯管路鉆孔設計

程 賀，鄭微微，楊櫻花

(河南省資源環境調查一院，河南 鄭州 450000)

研究區域位于山西省陽泉市平定縣冶西鎮陽煤五礦花河峪風井工業場地內，共布置2個大口徑瓦斯抽采管路鉆孔，兩孔間距約7 m，覆蓋層厚3～4 m，本設計為2號孔。位于太行山脈北段西側，廟梁及綠巖腦分水嶺以南，地勢北部、西北部高，南部桃河低。為了有效降低陽煤集團五礦工作面原始瓦斯含量，在保證安全的前提下，加快礦井掘進速度。本文研究了五礦花河峪地面大口徑瓦斯管路鉆孔設計及事故預防措施，設計鉆井1個，井徑1 200 mm，孔深500 m，下入外徑820 mm，厚度16 mm無縫鋼管，連接方式為焊接，透巷中靶，全孔固井。施工過程中嚴格按照操作規程及鉆進技術要求進行，對可能發生的孔內事故做到“早發現，早預防”。對發生的事故采取有效的方法措施及時處理，確保工程施工的順利開展。通過新型鉆井設備施工地面大口徑瓦斯管路鉆孔，為陽煤集團五礦提供安全生產保證。

1 地質概況

1.1 礦井地層與可鉆性分析

施工區域內基巖呈半裸露特征，出露地層大部為二疊系上、下石盒子組，東南部邊緣有零星二疊系下統山西組和石炭系上統太原組地層出露。礦區地層表及風險提示見表1。

表1 礦區地層及風險提示Tab.1 Mining area stratum and risk reminder

現綜合地表出露和鉆孔揭露情況，將施工區域地層由老至新簡要敘述如下。

(1)奧陶系中統峰峰組(O2f)。施工區域內無出露，據鉆孔揭露，巖性為深灰色、灰色、青灰色厚層狀石灰巖，頂部往往因鐵質浸染呈褐紅色，且含黃鐵礦晶體。裂隙充填方解石脈，揭露厚度30.00 m。本組厚度一般大于100 m。該地層屬于老地層，巖性硬度大，可鉆性差。

(2)石炭系中統本溪組(C2b)。施工區域內未見出露，平行不整合于下伏奧陶系峰峰組石灰巖侵蝕面上，為一套海陸交互沉積，巖性主要為深灰、灰黑色砂質泥巖，局部相變為砂巖、灰色鋁質泥巖，夾一層薄層海相灰巖，沉積厚度24.80～36.50 m，平均厚30.19 m。鉆遇該地層時，應注意鉆孔在該層位的防垮、防漏。

(3)石炭系上統太原組(C3t)。為一套海陸交互相含煤建造，零星出露于施工區域東南部，與下伏本溪組呈連續沉積，全組厚度113.71～137.77 m，平均厚125.53 m，厚度從東往西逐漸變薄。巖性主要由灰黑色泥巖、深灰—灰黑色粉砂巖、灰白—深灰色砂巖、深灰色石灰巖及煤層組成。含煤8～12層，自上而下為6、7上、7下、8、9、11、12、13、14及15號，其中15號煤層全區域可采，為施工區域主要可采煤層，14號煤層為大部可采煤層；施工區域內9號煤層普遍含1層炭質泥巖夾矸，因夾矸厚度較大，大部煤層分叉，該煤層可采范圍很小，無可采價值，為不可采煤層；其余煤層均為不可采煤層；含石灰巖3～6層，以K2、K3、K4較穩定，具各種層理類型，下部泥巖中富含大量黃鐵礦結核，動植物化石豐富。根據巖性，巖相特征，全組可分為3段。鉆遇該地層時，應注意地層的防垮、防漏以及煤層的防塌。

(4)二疊系下統山西組(P1s)。K7砂巖底至K8砂巖底，連續沉積于下伏太原組之上，為施工區域主要含煤建造之一，巖性由深灰、灰黑色泥巖、砂巖泥巖及灰色各粒級砂巖和煤層組成，施工區域東部邊緣有零星出露，平均厚度35.00 m。鉆遇該地層時，應注意地層的泥巖的掉塊以及煤層的防塌。

(5)二疊系下統下石盒組(P1x)。K8砂巖底至K10砂巖底之間為一套陸相沉積，廣泛出露于施工區域中部及南部，與下伏山西組呈連續沉積，平均厚度160.08 m，根據巖性特征，可將本組地層劃分為上下2段。鉆遇該地層時，應注意抑制地層造漿、泥巖因水化膨脹而產生的坍塌，以及由于巖性破碎而導致泥頁巖剝落掉塊。

(6)二疊系上統上石盒子組(P2s)。連續沉積于下伏地層之上，廣泛出露于施工區域大部，平均厚度約190.00 m，為本組中下部下、中段地層。鉆遇該地層時，應注意抑制地層造漿、泥巖因水化膨脹而產生的坍塌，以及由于巖性破碎而導致泥頁巖剝落掉塊。

(7)第四系全新統(Q4)。分布于施工區域溝谷之中。為現代沖洪積物組成，巖性為黃色亞砂土、亞黏土、砂、礫石等，平均厚度3.00 m，與下伏地層呈角度不整合接觸。鉆遇該地層時要注意防止新生界地層漏失及坍塌。地層可鉆性等級分級見表2。

表2 地層可鉆性等級分級Tab.2 Stratum drillability grade classification

1.2 可采煤層特征

施工區域內可采煤層共2層，分別為太原組14、15號煤層，其中15號煤層，全施工區域均達可采，是施工區域內主要可采煤層；14號煤層為大部可采煤層。

(1)14號煤層。施工區域內施工鉆孔11個，共有10個(除SG-01H外)鉆孔穿過該煤層,除201、301、302、402號鉆孔煤層厚度不達可采厚度外，其他均達可采厚度，可采性指數0.60。煤礦井下亦揭露該煤層，據在202號鉆孔附近實測的5個測量點資料看均未達到可采。厚度0.63～1.16 m,平均厚0.84 m，為全施工區域較穩定大部可采煤層。結構簡單，無夾矸。頂板巖性為石灰巖，個別地方有泥巖偽頂。底板巖性為泥巖、細砂巖。石港煤礦在施工區域東南部生產開采15號煤層時采用放頂煤開采方法，15號煤層與14號煤層間距最小僅為4.53 m，15號煤采空后14號煤隨之垮落采出或進入采空區，從而形成采空破壞區。

(2)15號煤層。施工區域內施工鉆孔11個，共有10個(除SG-01H外)鉆孔穿過該煤層，煤礦井下亦揭露該煤層；煤層厚度大，全施工區域均達可采，可采性指數為1。厚度5.93～8.22 m，平均厚7.18 m，穩定煤層，屬主要可采煤層，結構復雜，含夾矸1～3層，巖性為炭質泥巖。頂板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，底板巖性為泥巖、鋁質泥巖。施工區域東南部已大部分采空，采空范圍約1.22 km2。

2 鉆井施工工藝

2.1 施工工藝流程

根據本工程特點，為了便于施工安排，施工工藝流程[1-5]如圖1所示。

圖1 施工工藝流程Fig.1 Construction process

2.2 鉆進施工方法

(1)引導孔施工。采用φ215.9 mm無線隨鉆無線隨鉆測斜儀復合鉆進，及時根據測斜數據處理結果繪制井眼軌跡跟蹤圖，如發現井斜及時調整動力鉆具糾斜，確保精確命中靶點。

(2)擴孔施工。先采用φ700 mm鉆頭一級擴孔，再使用φ1 200 mm鉆頭二級擴孔，使用BMC500型反井鉆機施工，提高擴孔效率。

2.3 鉆具組合

該項目是孔徑φ1 200 mm，孔深500 m，鉆井施工難度較大，鉆探質量要求高。鉆具組合應力求合理，鉆具的垂直性及剛性，按照“長、直、粗、重、剛”的原則，做到下部粗重長直，以利防斜、安全可靠和提高鉆效。在鉆井過程中為了預防井斜，在鉆井過程中嚴格遵守鉆探技術參數規程操作，合理組合擴孔鉆具，按技術要求及時測井斜，以便掌握井斜變化在可控范圍之內，預防井斜超限；根據不同井段地層情況，選用不同的鉆具組合。

(1)引導孔復合鉆進鉆具組合。φ215.9 mm鉆頭+φ159 mm單彎螺桿+φ212 mm扶正器1個+φ159 mm定向接頭+φ159 mm無磁鉆鋌+φ159 mm鉆鋌×8根+φ127 mm鉆桿+φ108 mm方鉆桿。

(2)反拉鉆機擴孔鉆進鉆具組合。一級擴孔：φ700 mm擴孔鉆頭+穩定鉆桿+普通鉆桿+驅動馬達。二級擴孔：φ1 200 mm擴孔鉆頭+穩定鉆桿+普通鉆桿+驅動馬達。

2.4 鉆井參數

(1)引導孔復合鉆進鉆井參數。根據區域地層巖性特點，結合在該區域鉆井實踐及鉆井設備、鉆具配備情況，鉆井機械參數選擇主要以保證井身質量為原則，兼顧機械鉆速。原則上在采用高轉速、大排量時，適當限制鉆壓，以保持井壁的穩定性。鉆井參數見表3。

(2)反拉鉆機擴孔鉆進鉆井參數。導孔鉆透后，拆掉導孔鉆頭，聯接上擴孔鉆頭，由下向上擴孔，擴孔時注意觀察下落的巖屑情況，以便了解地層的變化。擴孔開孔，當擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具。直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉速(59 r/min)旋轉，并慢慢給進、保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，給進一些停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續給進。開始擴孔時，下邊要有人觀察，將情況及時通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴孔鉆進。為保證反井鉆機和滾刀的使用壽命，一般將系統壓力限制在21 MPa內。在擴孔過程中，當巖石硬度較大，可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴孔時，要及時出渣，防止堵孔。擴孔過程，也是拆鉆桿的過程，拆下的鉆桿要進行必要的清理，上油帶好保護帽。

表3 鉆井參數設計Tab.3 Drilling parameters design

2.5 鉆井液設計

引導孔的鉆井液主要以攜帶鉆屑，提高機械鉆速，降低綜合成本為主要目的。根據常年在此區域施工經驗，認為復合鉆井鉆效高，速度快，以及該層有高膨脹黏土層有較強的遇水膨脹現象，故選擇雙聚低固相泥漿，該泥漿具有除砂好、流變性好、在孔壁形成的泥皮薄而堅韌、配制簡單等特點，以防止地層塌坍、縮井。其鉆井液配方以及鉆井液性能參數見表4—表5。

表4 引導孔鉆井液配方Tab.4 Pilot hole drilling fluid formula

表5 鉆井液性能參數設計Tab.5 Drilling fluid performance parameter design

3 測井設計

地球物理測井是準確確定煤巖層深度、厚度以及獲取煤儲層參數，進行煤巖層評價的重要資料來源和手段。地面測井儀必須使用數控測井儀，同時記錄數字文件和模擬曲線。一般可采用常規測井，以滿足五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程項目的基本要求，測井項目及要求如下。引導孔鉆井完鉆后進行第一次測井，占用井場時間約24 h。

3.1 標準測井

在整個二開井段進行標準測井，主要任務是劃分地層和判別巖性。測井項目為深淺雙側向、自然電位、自然伽馬、井徑。深度比例為1∶500。

3.2 綜合測井

(1)在主要地層和甲方現場代表認為有意義的其他井段進行綜合測井，主要任務是劃分煤層及夾矸；劃分和判斷含水層。測井項目為深淺雙側向、微球形聚焦、自然伽馬、自然電位、井徑/井斜、補償密度、補償中子、補償聲波、井溫(連續或點測，點間距20 m)，深度比例為1∶200。

(2)對所有厚度大于0.50 m的煤層都要進行解釋，研究煤層分層厚度、結構特征及裂隙發育程度。

(3)井斜測量：原則上要求全井連續進行井斜測量，包括井斜角和方位角，如進行點測則點間距為25 m。

4 固井設計

4.1 套管安裝

鉆孔裸孔直徑1 200 mm，深度 500 m。擴孔結束后，拆除反井鉆機，利用 350 t吊車進行下放安裝工作 。吊車吊起無縫鋼管焊管入井，入井的套管通過上部橫擔安放在井口，然后起吊下一節套管，將其與已入井套管坡口對焊，隨后將已焊接的套管放入井中并通過橫擔安放在井口，如此循環，直至最后一節套管全部入井。

(1)下管前的技術準備工作。①孔徑檢測。正式下管前，要對立井進行通孔測試，以便判斷能否順利下放套管。下套管前要用鉆具攜帶一根同徑的長套管進行一次通孔，只有通孔一次成功，無阻力后，才能開始下套管作業。②對穿孔精度。套管通過穿孔橫擔起吊，橫擔近100 kg，如果套管兩側的孔心誤差較大，則很難穿孔，所以割孔時，確保對穿孔符合設計要求。③井字梁加固。下管結束時，套管通過橫擔吊在井口，質量近160 t，為了保證其質量更均勻地傳遞到井口混凝土，在混凝土面上安放井字梁，橫擔安放在井字梁上。④導向裝置。反井鉆機施工的立井存在一定的偏斜度，所以必須在第一節套管的端頭安裝導向裝置，以便順利下放套管。⑤對正措施。兩節套管坡口對焊時，由于端口橢圓度存在差異，上下端口難以對齊，必須采取措施。實際施工中，四點限位法方便快捷。⑥輔助千斤頂。在上提立井中的套管時，如果摩擦阻力較大，存在卡管，可以用千斤頂上頂橫擔，輔助吊車。⑦附焊注漿管。⑧孔底混凝土圓柱平臺。下放的套管最終立在孔底混凝土圓柱平臺上，圓臺直徑φ2 000 mm，圓臺高度由巷道高度及單體液壓支柱伸縮長度決定。為了吸收套管豎向變形能量，圓臺上鋪枕木。⑨上端口套管小短接。當計算套管剛出底孔時，停止下管。派人進下端口巷道內，建立上下口聯系。井下人員測出枕木上端面至導向圓臺下端面的距離，套管小短接入井長度根據最后測得的距離確定。

(2)管道起吊方法。下放管道的總質量約158 t，采用穿孔起吊法。利用350 t吊車進行下放安裝工作。在管口上端對稱切割φ230 mm圓孔，穿杠規格φ178—φ213 mm短鉆鋌，用鋼絲繩連接吊車大鉤，吊車吊起無縫鋼管焊管入井，入井的管道通過上部橫杠安放在井口的外方內圓的鋼板上(鋼板規格：1 500 mm×1 500 mm，厚度40 mm，鋼板圓形內徑φ830 mm)，起吊下一節套管，將其與已入井管道坡口對焊，對接焊好后，吊車吊起套管，抽掉橫杠，然后將套管上穿橫杠的孔洞補好后，再將已焊接的管道放入井中并通過橫杠安放在井口，如此循環，直至最后1節套管全部入井。套管安裝后，頂部套管高出地面1.5 m，底部套管出巷道頂部1.5 m。

(3)焊接與檢測。環空充填時，套管要承受充填物的外圍擠壓；安裝結束后，套管要承受巖層水的擠壓。套管在承受負壓及防水的要求下，對焊縫質量要求較高，每道焊縫都要檢測合格。要求套管上所有焊縫為一級焊縫，100%無損探傷和外觀檢查。焊接方法。采用手工電弧焊，將環形焊縫對稱分成兩個區域，兩人同時對稱施焊減小焊接殘余應力。坡口形式。采用Y型坡口，P=2 mm,B=0～2 mm。具體尺寸如圖2所示。

圖2 焊接坡口形式Fig.2 Welding groove form

焊接人員。焊接人員必須具備相應的壓力管道焊接能力，以及焊接專業的資格證書，聘請焊接經驗豐富的師傅。①焊接時焊縫要求平滑，焊縫表面Ⅰ級焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑等缺陷、不得有氣孔夾渣等焊接缺陷，發現缺陷及時修補。焊縫高度一般與鋼板接近，采用斷續焊時，焊縫長度及間隔應均勻一致。②焊縫處不得出現氣孔沙眼現象。③焊接時要求焊縫高度不能小于母材(焊件)的厚度。不同厚度的母材(焊件)焊接時，焊縫高度不能小于最薄母材(焊件)厚度。④焊縫檢測。焊接現場由具有相應資質的專業人員進行100%超聲焊縫檢查，不合格則重新焊接，至合格為止。⑤焊接時要注意接地線的搭接，注意井口瓦斯的監測。

4.2 下端口環空封堵

套管下放結束后，套管和裸孔之間形成環形柱狀空間。環空充填注漿之前，必須將其下端口環空封堵。封堵工具采用鋼板托盤，平面如圖3所示。

圖3 底部環空封堵托盤平面示意Fig.3 Plane diagram of the bottom annulus plugging tray

封堵工具采用雙半圓鋼筒托盤，如圖4所示。

圖4 底部環空封堵托盤Fig.4 Bottom annulus blocking tray

單體液壓支柱撐在托盤和巷道底板之間。用單體液壓支柱將托盤上頂，托盤上部圓筒距環空約50 cm時，將海帶、亞麻等封水材料鋪在托盤上，最后單體液壓支柱將托盤上部圓筒全部頂入環空。用起重葫蘆將托盤通過底部套管的8個卡塊與底部套管鎖死，用錨索通過錨眼將托盤與巷道上部巖巷鎖在一起，起到托盤支撐套管的作用，從巷底向套管底部橫豎交叉碼放數層200 mm×200 mn×1 200 mm道木，進一步使方木起到支撐套管、環空封固水泥的作用。完鉆后依據井下電視情況決定是否安排排水管。

4.3 環空注漿充填

下端口環空成功封堵后，即進行環空注漿充填，這是整個工程最關鍵的工藝，注漿原理采用頂水注漿方法。控制的核心有2點：①盡可能保持套管內外壓力平衡；②充填質量。

(1)水泥漿配方及水泥量。①水泥漿配方：水灰比0.5∶1.0；②商品水泥漿用量為301 m3。

(2)注水泥封固。固井方案：從套管與孔壁間隙自流入水泥漿。固井前，再次向套管灌清水，直至灌滿。①攪拌約3 m3水泥漿，從孔口自流入管壁間隙,2號閥門流出水泥漿；②候凝48 h后，開始灌注商品水泥漿，井下2號閥門流出水泥漿后，關閉2號閥門繼續灌注。共灌注20 m3水泥漿；③候凝24 h后，開始灌注商品水泥漿，井下2號閥門流出水泥漿后，關閉2號閥門繼續灌注。此次灌注120 m3水泥漿；④候凝24 h后，一次性灌注剩余商品水泥漿將管壁間隙全部注滿;⑤固井結束3 d后，下井打開閥門放水。

5 結語

研究通過地面施工大口徑瓦斯管路鉆孔進行瓦斯抽排，以達到工作面煤層瓦斯提前卸壓抽采的目的，有效降低工作面原始瓦斯含量，在保證安全的前提下，加快礦井掘進速度。