地面钻井抽采卸压瓦斯技术与应用研究

摘 要：文章以地面钻井抽采卸压瓦斯的原理及煤与瓦斯共采理论依据，结合地面钻井施工关键环节及施工要点，以卸压瓦斯地面钻井抽采工程实践取得的大量资料为依据，提出了卸压瓦斯地面井井位、井身优化设计方案。研究结果对实现地面井长期稳定高效抽采和煤与瓦斯共采意义显著。

关键词：地面钻井；煤与瓦斯共采；钻井工艺；井位部署

淮北矿区瓦斯突出矿井众多，瓦斯灾害严重，为实现煤与瓦斯共采并保障煤矿安全高效开采[1]，利用地面钻井抽采卸压瓦斯，具有抽放浓度高、抽采率高和施工条件好等优点。考虑到地面钻井成本较高、施工复杂，为使钻井能够充分发挥作用，必须合理确定钻井参数，以达到高产、高效、安全经济开采瓦斯和区域性瓦斯治理的目的。因此文章以煤储层卸压改造和井孔稳定性理论为依据，合理优化地面钻井的时空分布关系并提出地面井井位选择、井身优化设计的方案。

1 卸压瓦斯抽采原理和地面井井位选择

淮北矿区煤层具有瓦斯含量高、瓦斯压力大，煤层透气性低，预抽效果较差等特点，很容易诱发煤与瓦斯突出事故。因此选择合理有效的瓦斯抽采方法才是现阶段消除瓦斯灾害最经济最实用的技术手段。近年来国内外的实践表明，通过开采保护层的卸压作用，可以使上覆煤岩体产生显著的卸压增流效应，其透气性相对卸压前可增加数千倍。因此，通过保护层开采的卸压作用进行地面井抽采，可以取得很好的效果[2]，矿井得以安全高效开采。

根据矿山岩石力学理论，刘天泉院士提出：保护层开采后，采场上覆岩层冒落、下沉、移动变形，沿煤层顶板垂向上不同岩层的裂隙发育程度不同，采空区上方形成三带：即冒落带，裂隙带和弯曲下沉带[3]。由于顶板岩层的垮落、移动，产生大量层间裂隙，上覆被保护煤层中的瓦斯卸压解吸后，由吸附状态变成游离状态。由于游离瓦斯具有易上浮移动和渗流特性，使采空区上方环形裂隙区内汇集大量瓦斯，因此在环形裂隙区内布置地面抽采钻孔，能够获得最理想的抽采效果[4]。

地面钻井位置选择应遵循两点：一是能够大面积、高浓度地进行抽采瓦斯，因此地面井的布置应在卸压范围内，卸压区瓦斯会在浓度差和压力差的作用下流向钻井，在抽采负压作用下，能实现很好的抽采效果。二是为保证瓦斯抽采稳定长效，避免井孔受影响而破坏，应优化井位的选择和井管的设计方案。然而，在抽采实践中，卸压地面井抽采瓦斯面临严重的井孔稳定性问题，这甚至是影响地面井抽采效果的决定性因素。以往对地面井的井位部署而使井孔过早破坏而停止产气。针对该问题，文章讨论了保护层开采后卸压范围及其控制的卸压瓦斯抽采地面井位部署，在实现高透气性高效抽采的同时，实现瓦斯的持续抽采[5]。

以往的研究表明，工作面中部是地面钻井布置的合理位置，因为工作面中部离层裂隙发育最早，煤层透气性最好，最易于瓦斯抽采，然而这一观点忽略了在采动影响下，工作面中部水平位移量最先达到最大，膨胀变形量和沉降速度也最大，钻井最易受到破坏；相反在倾向上近回风巷的煤层卸压程度虽小于工作面中部，但其膨胀变形相对变小，水平位移量较晚达到最大，因此在布靠近工作面回风侧置钻井稳定性较好，钻井服务时间长。此外由于采空区卸压瓦斯的运移和流动，使得靠近回风巷处的瓦斯更易积聚和富集。因此结合地面井布置实践经验，地面井应布置在倾向上近工作面回风巷50～70米之间的位置，走向上距离始采线40米以外，从而实现瓦斯高效、持续、稳定的抽采。

2 钻井结构

一开地面至冲积层下30m（基岩风化带下），孔径φ311mm， 下入φ244.5×11.03mm护壁套管，护壁管外空间用水泥浆封固。

二开地面至6煤层顶板3～5m，孔径为φ216mm，下入φ177.8×9.19mm套管。套管外壁空间用水泥浆封固。

三开至10煤顶板上10m，用直径φ152mm钻头钻进，下花管φ139×9.17mm，煤层段花管孔径φ14mm，岩石段花管孔径φ18mm，孔间距100×100mm，花管与二开重叠8m，一开、二开套管连接用外接箍。

三开下，用直径φ94mm钻头钻进，进入10煤层不少于2m，并下φ95mm木塞；套管钢级为N80。钻井结构示意图如图1所示。

3 钻进工艺

孔口一开采用φ311mm牙轮钻头钻至基岩风化带下，见稳定岩层后，测井，下入φ245mm护壁套管，待固井、候凝，止水检查合格后，二开钻进。二开采用φ216mm潜孔锤钻进，钻进至63煤层项板3～5m处，测井，下入φ177.8mm护壁套管、固井、候凝，止水检查合格后，三开钻进。三开采用φ152mm潜孔锤钻进，钻至10煤顶板10m处，测井，然后用φ94mm钻头扫孔至10煤底板下2m，测井，下φ95mm木塞，然后，下入φ139mm花管，不固井，花管底口不封闭。

3.1 钻具组合及钻进参数

立轴+φ89mm钻杆+φ159mm钻铤+φ178mm钻铤+φ311mm（φ216mm、φ152mm、φ94mm）钻头。

3.2 管材的下入及洗井

套管在空气中的自重均小于30吨， TSJ-2000钻机提升能力可达40吨，能满足下管要求，可直接将前二路套管下到设计位置。对于下入的φ139mm花管和φ95mm木塞，可用钻具将其送入孔内设计层位。

下入φ95mm木塞封堵四开井段后，用焦磷酸钠溶液浸泡洗井。

4 关键环节及施工要点

4.1 泥浆的选用

由于瓦斯井孔径大，施工地层冲积层厚，岩层不稳定，护壁至关重要，因此选用优质PHP-HPAN泥浆进行护壁，该泥浆具有失水量小、流变性好、护壁能力强等特点。

表2 泥浆配方表

泥浆性能：密度1.03～1.08，粘度20～24秒，失水量小于12～15ml/30min，PH值8～9。视地层情况可随时调整泥浆性能。在漏失层中可以加入惰性材料。

4.2 防斜、纠斜管理

瓦斯钻井要求最大偏斜≤5‰，孔底水平位移≤2.5m，钻孔防斜必须遵循“以防为主，纠偏为辅”的方针。

第一、钻孔测量定位后，将地盘夯实，车载钻机就位找平，保证安装质量，开孔前认真找正“三点一线”。把好开孔、换径关，开孔使用的粗径钻具要直，连接后应同心，扩孔时应采用带导向的塔式钻具组合。

第二、采用合理的钻具结构和正规的操作程序规程。采用钻铤加压，钻铤重量应大于井底所需钻压，中和点应落在钻铤上，使钻杆柱处于拉直状态；正常情况下，三班的操作参数要保持一致，压力要均匀，换层时要减压钻进，扩孔时要用钻具作引导，导向钻具与扩孔钻具连接后要保持同心。

钻进中及时测斜是预防钻孔弯曲的有效手段，要求每钻进30～50米测斜一次，每次测斜要认真做好记录，绘制井身轨迹图。

发生孔斜时要及时纠斜，新地层钻进出现钻孔顶角上漂，使用钟摆钻具，使钻孔下垂。钻孔偏斜过大时，使用螺杆钻具进行纠斜，定向纠斜钻具组合为：钻头+螺杆钻具+无磁钻铤+钻铤+钻杆+立轴。

纠斜前，首先对螺杆钻具进行检查，调试，一切正常方可入井；纠斜过程中，转盘传动轴要锁紧，非定向技术人员不能随意转动；纠斜钻进过程中，每钻进一至二个单根测斜一次，了解顶角和方位角的变化，适时做出调整。

4.3 固井作业及木塞下入

一开和二开固井作业，一是为了护壁和减小采动对钻井的破坏，同时为了隔绝冲击层及煤层顶板各含水层的水涌入钻井内，影响瓦斯抽采效果和井下安全生产。

固井设备为TBW850/60泥浆泵一台，清水泵1台，10m3搅拌桶，水灰混合器。固井前应对固井设备进行检查，确保固井工作顺利进行。固井采用425#水泥，水泥、水和替浆量要准确计算。

下入φ245mm、φ177.8mm套管至孔底后，用稀泥浆冲孔，至孔内泥浆比重降为1.05左右为止。固井浆液水灰比为0.56，由人工下灰于水灰混合器漏斗，开动清水泵闸阀，使水、灰同步进入混合器，混合器的浆液流入储浆池，开动搅拌机，取浆测定比重，使比重为1.45～1.7，固管期间连续测试比重。当搅拌浆液比重达到要求，即可放浆入泵浆池，开动泥浆泵将水泥浆注入孔内，灌注时中间不能停顿，直到水泥浆由井口返出，即可停泵。泵浆完成后进行替浆，准确计算替浆量；固井完，待水泥凝72小时，并且查看水泥浆样品符合硬度要求时，换泥浆钻进到层位，观测管内水位变化，评定固井止水效果。

三开以下用94mm钻头钻进到煤层内2米，因三开花管不固结，故缩径造台阶预防花管坠入井下，用钻具下入木塞至目的层位10煤层内2米，木塞直径95mm，总长不少于12m，下入木塞的目的一是为了防止煤系地层顶底板水大量涌入井下采煤工作面，二是为了在确保采煤作业时能及时发现钻井的准确位置，保证安全回采。

5 地面钻井抽采效果评价

地面钻井抽采卸压区瓦斯浓度高，流量大，是一种行之有效的瓦斯综合治理方式，因其安全高效，已被越来越多的煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井所采用。

图2 地面钻井瓦斯抽采浓度及混合流量曲线

图2为淮北杨柳煤矿瓦斯抽采监测曲线，平均抽采瓦斯浓度85%，最大抽采瓦斯浓度92.25%，混合瓦斯流量平均24m3/min，最大混合瓦斯流量28.07m3/min，纯瓦斯流量20.4m3/min，高浓度高流量瓦斯确保地面瓦斯电厂发电，经济效益、社会效益和安全效益显著，研究结果对瓦斯高效、持续、稳定的抽采和煤与瓦斯共采意义重大。

参考文献

[1]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34（1）：1-8.

[2]张树川.地面钻孔抽采被保护层卸压瓦斯技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2008.

[3]刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J].煤炭学报，1995，20（1）：1-5.

[4]武杰，桑树勋.淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地质与勘探，2010，38（3）：13.

[5]黄华州.远距离被保护层卸压煤层气地面井开发地质理论及其应用研究-以淮南矿区为例[D].徐州：中国矿业大学，2010.

作者简介：韩丹（1986-），女，陕西渭南人，助理工程师，2008年毕业于安徽理工大学，现从事地质勘查方面的工作。

4.2 防斜、纠斜管理

瓦斯钻井要求最大偏斜≤5‰，孔底水平位移≤2.5m，钻孔防斜必须遵循“以防为主，纠偏为辅”的方针。

第一、钻孔测量定位后，将地盘夯实，车载钻机就位找平，保证安装质量，开孔前认真找正“三点一线”。把好开孔、换径关，开孔使用的粗径钻具要直，连接后应同心，扩孔时应采用带导向的塔式钻具组合。

第二、采用合理的钻具结构和正规的操作程序规程。采用钻铤加压，钻铤重量应大于井底所需钻压，中和点应落在钻铤上，使钻杆柱处于拉直状态；正常情况下，三班的操作参数要保持一致，压力要均匀，换层时要减压钻进，扩孔时要用钻具作引导，导向钻具与扩孔钻具连接后要保持同心。

钻进中及时测斜是预防钻孔弯曲的有效手段，要求每钻进30～50米测斜一次，每次测斜要认真做好记录，绘制井身轨迹图。

发生孔斜时要及时纠斜，新地层钻进出现钻孔顶角上漂，使用钟摆钻具，使钻孔下垂。钻孔偏斜过大时，使用螺杆钻具进行纠斜，定向纠斜钻具组合为：钻头+螺杆钻具+无磁钻铤+钻铤+钻杆+立轴。

纠斜前，首先对螺杆钻具进行检查，调试，一切正常方可入井；纠斜过程中，转盘传动轴要锁紧，非定向技术人员不能随意转动；纠斜钻进过程中，每钻进一至二个单根测斜一次，了解顶角和方位角的变化，适时做出调整。

4.3 固井作业及木塞下入

一开和二开固井作业，一是为了护壁和减小采动对钻井的破坏，同时为了隔绝冲击层及煤层顶板各含水层的水涌入钻井内，影响瓦斯抽采效果和井下安全生产。

固井设备为TBW850/60泥浆泵一台，清水泵1台，10m3搅拌桶，水灰混合器。固井前应对固井设备进行检查，确保固井工作顺利进行。固井采用425#水泥，水泥、水和替浆量要准确计算。

下入φ245mm、φ177.8mm套管至孔底后，用稀泥浆冲孔，至孔内泥浆比重降为1.05左右为止。固井浆液水灰比为0.56，由人工下灰于水灰混合器漏斗，开动清水泵闸阀，使水、灰同步进入混合器，混合器的浆液流入储浆池，开动搅拌机，取浆测定比重，使比重为1.45～1.7，固管期间连续测试比重。当搅拌浆液比重达到要求，即可放浆入泵浆池，开动泥浆泵将水泥浆注入孔内，灌注时中间不能停顿，直到水泥浆由井口返出，即可停泵。泵浆完成后进行替浆，准确计算替浆量；固井完，待水泥凝72小时，并且查看水泥浆样品符合硬度要求时，换泥浆钻进到层位，观测管内水位变化，评定固井止水效果。

三开以下用94mm钻头钻进到煤层内2米，因三开花管不固结，故缩径造台阶预防花管坠入井下，用钻具下入木塞至目的层位10煤层内2米，木塞直径95mm，总长不少于12m，下入木塞的目的一是为了防止煤系地层顶底板水大量涌入井下采煤工作面，二是为了在确保采煤作业时能及时发现钻井的准确位置，保证安全回采。

5 地面钻井抽采效果评价

地面钻井抽采卸压区瓦斯浓度高，流量大，是一种行之有效的瓦斯综合治理方式，因其安全高效，已被越来越多的煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井所采用。

图2 地面钻井瓦斯抽采浓度及混合流量曲线

图2为淮北杨柳煤矿瓦斯抽采监测曲线，平均抽采瓦斯浓度85%，最大抽采瓦斯浓度92.25%，混合瓦斯流量平均24m3/min，最大混合瓦斯流量28.07m3/min，纯瓦斯流量20.4m3/min，高浓度高流量瓦斯确保地面瓦斯电厂发电，经济效益、社会效益和安全效益显著，研究结果对瓦斯高效、持续、稳定的抽采和煤与瓦斯共采意义重大。

参考文献

[1]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34（1）：1-8.

[2]张树川.地面钻孔抽采被保护层卸压瓦斯技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2008.

[3]刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J].煤炭学报，1995，20（1）：1-5.

[4]武杰，桑树勋.淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地质与勘探，2010，38（3）：13.

[5]黄华州.远距离被保护层卸压煤层气地面井开发地质理论及其应用研究-以淮南矿区为例[D].徐州：中国矿业大学，2010.

作者简介：韩丹（1986-），女，陕西渭南人，助理工程师，2008年毕业于安徽理工大学，现从事地质勘查方面的工作。

4.2 防斜、纠斜管理

瓦斯钻井要求最大偏斜≤5‰，孔底水平位移≤2.5m，钻孔防斜必须遵循“以防为主，纠偏为辅”的方针。

第一、钻孔测量定位后，将地盘夯实，车载钻机就位找平，保证安装质量，开孔前认真找正“三点一线”。把好开孔、换径关，开孔使用的粗径钻具要直，连接后应同心，扩孔时应采用带导向的塔式钻具组合。

第二、采用合理的钻具结构和正规的操作程序规程。采用钻铤加压，钻铤重量应大于井底所需钻压，中和点应落在钻铤上，使钻杆柱处于拉直状态；正常情况下，三班的操作参数要保持一致，压力要均匀，换层时要减压钻进，扩孔时要用钻具作引导，导向钻具与扩孔钻具连接后要保持同心。

钻进中及时测斜是预防钻孔弯曲的有效手段，要求每钻进30～50米测斜一次，每次测斜要认真做好记录，绘制井身轨迹图。

发生孔斜时要及时纠斜，新地层钻进出现钻孔顶角上漂，使用钟摆钻具，使钻孔下垂。钻孔偏斜过大时，使用螺杆钻具进行纠斜，定向纠斜钻具组合为：钻头+螺杆钻具+无磁钻铤+钻铤+钻杆+立轴。

纠斜前，首先对螺杆钻具进行检查，调试，一切正常方可入井；纠斜过程中，转盘传动轴要锁紧，非定向技术人员不能随意转动；纠斜钻进过程中，每钻进一至二个单根测斜一次，了解顶角和方位角的变化，适时做出调整。

4.3 固井作业及木塞下入

一开和二开固井作业，一是为了护壁和减小采动对钻井的破坏，同时为了隔绝冲击层及煤层顶板各含水层的水涌入钻井内，影响瓦斯抽采效果和井下安全生产。

固井设备为TBW850/60泥浆泵一台，清水泵1台，10m3搅拌桶，水灰混合器。固井前应对固井设备进行检查，确保固井工作顺利进行。固井采用425#水泥，水泥、水和替浆量要准确计算。

下入φ245mm、φ177.8mm套管至孔底后，用稀泥浆冲孔，至孔内泥浆比重降为1.05左右为止。固井浆液水灰比为0.56，由人工下灰于水灰混合器漏斗，开动清水泵闸阀，使水、灰同步进入混合器，混合器的浆液流入储浆池，开动搅拌机，取浆测定比重，使比重为1.45～1.7，固管期间连续测试比重。当搅拌浆液比重达到要求，即可放浆入泵浆池，开动泥浆泵将水泥浆注入孔内，灌注时中间不能停顿，直到水泥浆由井口返出，即可停泵。泵浆完成后进行替浆，准确计算替浆量；固井完，待水泥凝72小时，并且查看水泥浆样品符合硬度要求时，换泥浆钻进到层位，观测管内水位变化，评定固井止水效果。

三开以下用94mm钻头钻进到煤层内2米，因三开花管不固结，故缩径造台阶预防花管坠入井下，用钻具下入木塞至目的层位10煤层内2米，木塞直径95mm，总长不少于12m，下入木塞的目的一是为了防止煤系地层顶底板水大量涌入井下采煤工作面，二是为了在确保采煤作业时能及时发现钻井的准确位置，保证安全回采。

5 地面钻井抽采效果评价

地面钻井抽采卸压区瓦斯浓度高，流量大，是一种行之有效的瓦斯综合治理方式，因其安全高效，已被越来越多的煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井所采用。

图2 地面钻井瓦斯抽采浓度及混合流量曲线

图2为淮北杨柳煤矿瓦斯抽采监测曲线，平均抽采瓦斯浓度85%，最大抽采瓦斯浓度92.25%，混合瓦斯流量平均24m3/min，最大混合瓦斯流量28.07m3/min，纯瓦斯流量20.4m3/min，高浓度高流量瓦斯确保地面瓦斯电厂发电，经济效益、社会效益和安全效益显著，研究结果对瓦斯高效、持续、稳定的抽采和煤与瓦斯共采意义重大。

参考文献

[1]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009，34（1）：1-8.

[2]张树川.地面钻孔抽采被保护层卸压瓦斯技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2008.

[3]刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用[J].煤炭学报，1995，20（1）：1-5.

[4]武杰，桑树勋.淮南矿区保护层开采卸压范围及瓦斯抽采地面井部署[J].煤田地质与勘探，2010，38（3）：13.

[5]黄华州.远距离被保护层卸压煤层气地面井开发地质理论及其应用研究-以淮南矿区为例[D].徐州：中国矿业大学，2010.

作者简介：韩丹（1986-），女，陕西渭南人，助理工程师，2008年毕业于安徽理工大学，现从事地质勘查方面的工作。