晋城矿区穿采空区煤层气钻井技术难点及对策探讨

2022-07-21 15:00:02| 浏览次数：

方案

因为采空区裂隙发育，工程地质条件复杂，目前穿采空区钻井主要采取空气潜孔锤钻井工艺。

1.1 井身结构

采用三开井身结构：一开Φ425mm钻头空气潜孔锤钻井开孔，钻入基岩10～20m完钻，下入Φ377.7mm的表层套管;二开Φ311.1mm的钻头空气潜孔锤钻进至3#煤层底板以下10～20m后完钻，下入Φ244.5mm的技术套管，水泥返高至3#煤层顶板，封固采空区段漏失层段;三开Φ215.9mm钻头空气潜孔锤钻进，钻穿15#煤层底板以下30m后完钻，下入Φ139.7mm生产套管，水泥返高至3#煤层顶板以上100m完井。

1.2 主要技术参数

三开井的主要技术参数如表1所示。

1.2 主要施工难点及技术措施

①采空区裂隙发育，工程地质条件复杂，钻遇时容易出现坍塌、掉块等现象，从而造成卡钻、埋钻事故。为防止事故发生，在钻遇距采空区60m，严密观察井口风量变化及岩屑排出情况，一旦发现漏风或岩屑排出量较少时，降低钻进速度，每钻进3m，快速将钻头提离孔底。根据气体理想状态方程，快速提升钻具，压强变小，体积迅速增大，可大幅度提高环空气体返速，利于岩屑排出孔底。反复操作2～3次，岩屑排出正常或上提无阻力可继续钻进。在钻至采空区时，应缓慢下放钻具，防止有较大空洞，发生大面积坍塌。在钻进采空区底板时，可能发生井口不返风现象，此时岩屑随风进入裂隙，可继续钻进，但应严密控制钻速，每钻进1m反复升降钻具，确保吹净岩屑、上提无阻力再进行钻进。钻进至目的层位后起钻时，应将钻头提离孔底5m后，逐步停止送风，防止岩屑快速下落卡钻[8，9]。

气体理想状态方程为：

[pV=nRT] （1）

式中，[p]表示理想气体的压强;[V]表示理想气体的体积;[n]表示气体物质的量;[T]表示理想气体的热力学温度;[R]为理想气体常数。

②钻至采空区瓦斯溢出，有的甚至有一定压力，出现井喷现象，对施工设备及人员造成危险。为防止事故发生，一方面钻井设备要配置单闸板防喷器，井口安装五合一气体检测仪，正对井口安装大功率鼓风机，配置灭火器、沙堆等消防工具及应急救援器材;另一方面，加强现场管理，现场严禁烟火，易燃易爆品要远离井口，井口严禁用电或用防爆电器，井口严禁铁器敲击。一旦发现有瓦斯或其他有害气体超标时，若溢出量较小时，可打开鼓风机，浓度降至安全范围方可继续施工;若溢出量较大或压力较大，应及时关闭防喷器，安装井口装置，排采至安全范围时，再继续施工。

③采空区煤自燃。纯空气钻井，空气与采空区瓦斯气体混合，锤头与岩石的敲击及高压、快速的气流致使孔底产生高温，具备燃烧条件，安全隐患大。目前，防止采空区自燃采取的主要措施是采用氮气作为循环介质进行施工。该工艺能有效降低区域温度、防止煤层自燃，提高施工安全性。氮气施工除了空气钻井常规配备设备外，还需要配置制氮机、增压机等专用设备，极大地增加了施工成本[10，11]。

穿采空区钻井施工时，通过加注水或泡沫也可有效降低钻头区域温度，防止煤层自燃，且施工成本较低，也是在施工中普遍采用的技术方法。该方法的关键点在于加注水或泡沫剂的量，量少会造成湿黏的岩屑附着在井壁上，造成卡钻、埋钻等孔内事故;量大不利于碎岩及岩屑排出。加注水量使孔口排除岩屑与水气能明显分离，且岩屑比较干净，钻井效果最佳。同时，通过加注水或泡沫还能防止扬尘，减少污染。

④防尘及防环境污染。空气钻井，破碎的岩屑粉随高速气体排出，容易产生扬尘，对施工现场环境及周边环境造成影响。一方面，排渣口安装大型旋流除尘器，防止扬尘;另一方面，加注水或泡沫消除扬尘。

3 现场实践及施工效果

2018年，河南省煤田地质局二队共在该区域施工穿采空区钻井20余口，均采用注水空气潜孔锤钻井施工工艺，其中SHCK-181井出水量较大，其余井均为漏失。

现场采用的钻井设备有XSC400型徐工车载钻机和TSJ2000型水源钻机;空气动力设备是40m3/3MPa空气压缩机;注水和泡沫设备是ZKSY100-150型双缸双液注浆机（工作压力0～16MPa，最大注浆量10m3/h）。

SHCK-181井设计井深463.00m，3#煤层位置337.00m至342.00m，已采空。一开Φ444.5mm钻头钻进24.77m入基岩10m完钻，下入Φ377.7mm套管。二开用Φ311.1mm钻头钻进至288.00m左右开始地层含水，随着井深水量逐渐增大，钻进至310.00m时，补给量每小时约40m3，静止时水头高度约240.00m。钻进时，先将钻头下至距井底3～5m，用2台空压机送风，将钻孔底部水吹出井外，当出水量明显降低时，再加压进行钻进。钻进过程中不仅不影响效率，而且排岩屑效果较好。二开钻进至370.00m（穿过采空区28m）完钻，下入Φ244.5mm套管，固井，水泥浆返至259.00m（3#煤顶板以上78m），凝固后，用Φ215.9mm钻进至463.00m，下入139.7mm套管，固井完井。

其余穿采空区井钻进时均不含水，施工时通过加注水或泡沫剂进行施工。在二开Φ311.1mm直径钻头钻进时，采用2台空压机，风量60～80m3/min，注水量5～7m3/h，上返岩屑效果较好（见图1）;三开Φ215.9mm直径钻头钻进时，采用1台空压机，风量30～40m3/min，注水量3～5m3/h，上返岩屑效果较好。

通过加注水施工，现场均未出现煤层自燃现象，且现场无扬尘，施工效果较好。与氮气施工相比，消耗水量较多，但制氮机、增压机等设备投入降低，每口井降低施工成本20余万元，经济效益较高。

4 结论

①采用空气潜孔锤钻井工艺施工煤层气穿采空区井，可有效解决因#3煤层采空后顶板垮落造成裂隙较大、井漏和井涌等难题，实现下部15#煤层瓦斯抽排。

②在空气潜孔锤钻井过程中通过调整加注水量，实现井口排出岩屑、水及气体自然分离，既提高钻井效率，又防止煤层自燃，减少现场扬尘，施工效果良好。

③采用加注水进行穿采空区施工与用氮气进行穿采空区钻井相比，可降低生产成本，提高经济效益。

参考文献：

[1]冀涛，杨德义.沁水盆地煤与煤层气地质条件[J].中国煤田地质，2007（5）：28-30，61.

[2]穆福元，王红岩，吴京桐，等.中国煤层气开发实践与建议[J].天然气工业，2018（9）：55-60.

[3]李铭轩.中国煤层气开发利用现状和发展趋势[J].中国石油和化工标准与质量，2018（15）：80-81.

[4]齐治虎，曹伟，张晓昂，等.空气钻井在穿采空区煤层气井中的应用[C]//第十八届全国探矿工程（岩土钻掘工程）学术交流年会论文集.2015.

[5]李亚辉.过煤矿采空区地面瓦斯抽采钻井施工技术[J].山东煤炭科技，2018（10）：115-117.

[6]李俊峰.晋城矿区过采空区钻井抽采煤層气可行性分析[J].能源技术与管理，2014（3）：4-6.