过煤矿采空区地面瓦斯抽采钻井施工技术

李亚辉

（1.河南省煤田地质局，河南 郑州 450016；2.河南省能源钻井工程技术研究中心，河南 郑州 450016；3.河南豫中地质勘察工程公司，河南 郑州 450016）

1 项目区基本概况

本项目位于晋城矿区，矿区位于山西沁水盆地东南缘，整体处于太行山南段与中条山北缘的结合部，地势东南低、西北高，地形以低山一丘陵为主，断裂构造较少，地层走向总体为北北东向，倾向为东西向，两翼基本对称，多以褶皱构造发育为主，断层总体较少。构造总体特征较为简单。发育地层为寒武系，奥陶系峰峰组(O2f)，石炭系本溪组(C2b)和太原组(C3t)，二叠系山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上石盒子组(P2s)和石千峰组(P2sh)，三叠系，侏罗系，第三系和第四系，地层倾角在南北两端相对较小，地层较平缓。该矿区主要煤层为3#、9#、15#煤层， 3#煤埋深500 m左右，煤层厚度5.0 m，15#煤埋深600 m左右，煤层厚度3.0～5.0 m，其中3#煤层为主采煤层，采空区放顶影响深度为煤层厚度的5～8倍。3个主采煤层对甲烷均具有较强的吸附性能，平均吸附容量为42.33 m³/t；储层渗透率大多小于0.1×10-3μm2，属于中-低渗；储层压力平均为3.73 MPa，属于低压；煤层气饱和度分别为117%、96.4%、107%，基本处于过饱和或饱和状态。经过多年的探索试验，该区煤层气开发达到商业化规模，成效显著。

2 项目施工目的和难点

2.1 施工目的

根据施工要求，在原有地面抽采煤层气老区，选择合适井位，穿过已开采的3#煤层采空区，钻穿底部15#煤层底板60 m后完钻，下入技术套管，采用水泥固井，经水力压裂后，开发抽采利用9#、15#煤层赋存的煤层气。

2.2 施工难点

（1）该项目矿区3#煤层已经被开采，形成采空区，500 m以浅区域因采矿地下水已经疏干，地面绝大多数钻井施工都面临钻井液的大量漏失的技术难点。

（2）3#煤层采空后的塌陷时间较短，需要快速钻进并下入套管把塌陷段碎石挡住，避免因井内坍塌造成钻井事故。

（3）下部井段因上部采空区的影响，会出现钻井液全部漏失情况。

3 钻井方案的确定

3.1 井身结构设计

根据项目区地层情况和钻井技术难点，该井设计为三开钻井结构，一开钻头程序Φ444.5 mm，深度为0～60.0 m；二开钻头程序Φ311.1 mm，深度60.0～500.0 m；三开钻头程序Φ215.9 mm，深度500.0 m至15#煤层以下60 m。套管方案确定如下，一开：下入深度0～60.0 m，尺寸Φ339.7×8.38 mm，下入深度视基岩深度而定，原则上进入完整基岩不少于1.0 m，水泥固井，上返至地面；二开：深度3#煤层塌陷冒落段，套管长度40.0～60.0 m，尺寸Φ244.5×8.94 mm，下深400～500 m，挡住冒落段即可；三开：深度500 m至15#煤层以下60.0 m，下入尺寸Φ139.7×9.17 mm套管，水泥固井完井。井身结构详见图1。

图1 井身结构图

3.2 设备优选

钻井设备需要满足工程施工设计的井身结构，即完井井径Φ215.9 mm，井深1000 m的施工能力，同时满足空气潜孔锤钻井的技术要求。优选主要设备情况如表1。

表1 主要设备情况表

3.3 钻井方法优选

本项目设计一开采用钻井液钻进，二开、三开采用空气潜孔锤钻进。

一开：0～60 m，井径 444.5mm，采用Φ444.5mm三牙轮钻头钻进，并配备Φ177.8mm钻铤，下入Φ339.7×9.65mm套管，固井水泥返至地面。钻压选择为0.5～20 kN，转速为10～20 r/min。采用钻井液作循环介质，配方：钠膨润土+纯碱（NaCO3）+羧甲基纤维素（HV-CMC），性能要求：比重 1.10～1.30g/cm3，粘度25～30 s，失水量8～10mL/30min，泥皮厚1.5～2.0mm，含砂量＜0.4%，pH 值 8～8.5。

二开：60 m至3#煤层顶板，井径311.1 mm，采用Φ311.1 mm空气潜孔锤钻进，上部用一台压风机，根据钻进情况，适时并联两台压风机潜孔锤作业。空气潜孔锤钻进时，井口采用特殊装置密封（自主设计的实用新型专利），并连接导管至远离井口，同时在井口注入小排量水液，防范井下安全并利于排砂，防止上返岩屑四处乱溅，钻至3#煤层底板。然后，下入规格Φ244.5×8.94 mm套管，长度40.0～60.0m，下至煤层冒落段，深度400.0～500.0m，挡住冒落段，水泥封固套管底口，候凝。钻压选择为16～28 kN，转速为10～30 r/min，风量控制在 3.0～3.5 MPa，采用流量 20～30 m³/min。

三开：500 m至15#煤层底板（500.0～800.0m），井径215.9mm，采用Φ215.9mm空气潜孔锤钻进，钻穿15#煤层底板50m完钻，下入Φ139.7×9.17mm套管，固井水泥返深至3#煤层采空区底板，候凝完井。钻压选择为10～19 kN，转速为10～30 r/min，风量控制在3.0～3.5 MPa，采用流量 20～30 m³/min。

3.4 钻具组合的确定

根据地质情况、井身结构及钻井方法，采用以下钻具组合。见表2。

（1）钻头：采用Φ444.5 mm三牙轮钻头、Φ311.1mm冲击潜孔锤钻头、Φ215.9mm冲击潜孔锤钻头。

（2）钻杆：选用Φ127mm普通钻杆、Φ177.8mm钻铤、Φ158.8 mm钻铤。

3.5 供风量的确定

二开之后均采用空气作为循环介质，合理科学计算供风量对安全钻进十分重要。该项目供风量确定方法如下：

式中：

Q-压风机的供风量，m³/min；

v-上返速度，一般取15～25 m/s；

D-井径，m；

d-钻杆外径，m；

K1-孔深校正系数（由于孔深环状间隙压力损失增大，导致流量减少），一般孔深在100～200 m时，K1=1.05～1.1；孔深在 500 m 时，K1=1.25～1.3；

K2-孔内有涌水时的风量增加系数，与涌水量有关，中、小涌水量时，K2=1.5。

本项目三开井径为215.9mm，钻杆外径为127.0mm；最大井深为800m，K1取1.5；无涌水，K2取1.0；上返速度取15 m/s。因此：Q≥32.31m³/min，即空压机供风量应不低于32.31m³/min，才能保证排出岩屑。本项目投入的英格索兰XHP1070WCAT空压机单台最大供风量为30.3m³/min，必要时两台空压机并联使用，完全可以满足施工需要。

4 结论及建议

（1）空气潜孔锤钻井技术有效解决了钻遇采空区出现钻井液大量漏失的技术难题，实现了安全高效钻进。

（2）在二开钻进时，要随时监测井口气量、浓度，如果符合钻井安全要求，二开结束后在井口表层套管与生产套管的环形钢板之间外接一个排气管路，用来释放3#煤层排出的煤层气，避免井口瓦斯聚积发生事故。如果二开钻井阶段钻遇采空区时气量达到可采气流，则完钻完井，直接抽采利用3#煤层采空区煤层气。

（3）如果二开采用Φ311.1 mm钻头空气潜孔锤钻进达不到预定深度，则换用Φ215.9 mm钻头潜孔锤作业至完钻，如果直径采用Φ215.9 mm钻头仍然无法完成空气潜孔锤作业，则换用常规钻井液钻进至完钻。

（4）钻进过程中，还应注意几点。地层接近采空区时，随时注意掉钻的发生；无论采取何种工艺钻井，一定要多滑眼，防止采空区上部地层掉块卡钻；空气潜孔锤钻进时，自井口一定要注清水至井内。