穿越采空区氮气钻井工艺应用研究

李 兵， 张永成， 王 森

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000； 2.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西 晋城 048000；3.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 晋城 048000；4.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000)

0 引言

传统的多层煤炭开采方法是“先厚后薄、自上而下”的下行式开采程序为主，为降低采空区下伏煤层瓦斯含量，保障下组煤层安全高效开采，国内已经开展了穿越采空区抽采下伏煤层瓦斯地面预抽钻井试验，取得了较好的预抽效果[1-4]。与常规地面预抽井相比，穿越采空区钻井最大的施工难度在于采用清水钻进穿越采空区时钻井液漏失，不能建立正常的循环；采用空气钻进穿越采空区，会将一部分空气注入与采空区瓦斯混合，增加煤矿井下生产安全隐患，如何安全高效穿越采空区钻进值得探讨。近年来，国内外各油田积极推广应用以氮气为循环介质的钻井技术，取得了不错的效果，但在煤层气开发领域，以氮气作为循环介质的钻井技术研究及应用极少[5-7]。为此，以晋煤集团寺河矿区穿越采空区钻井试验为例，首次尝试穿越采空区氮气钻井的工艺方法，来探讨该工艺的可行性。

1 试验区域概况

晋城寺河矿区位于沁水煤田南部，奥陶系灰岩为煤系地层基底。根据寺河矿地质报告，寺河矿主要煤系地层为二叠系下统山西组(P1s)和石炭系上统太原组(C3t)，平均厚度136.02 m。含煤14层，煤层总厚14.67 m，含煤系数10.8%，煤层倾角平均为5°，其中3号和15号为主要可采煤层，3号煤层平均厚度为6.31 m，15号煤层平均厚度为2.5 m，9号为大部可采煤层，平均厚度为1.2 m，其余为不可采煤层。

由于寺河矿采用下行开采顺序采煤，部分地区3号煤层成为采空区，使得这些地区9号、15号煤层瓦斯未进行有效的地面预抽。取心测试结果表明，寺河矿9号煤层平均瓦斯含量为17.84 m3/t；15号煤层平均瓦斯含量为24.10 m3/t。根据国家安全生产的相关要求，高瓦斯矿井必须通过地面预抽将瓦斯降低到国家要求的标准以下方可进行开拓部署[8-9]。因此，考虑穿越3号煤层采空区施工地面预抽井，对9+15号煤层瓦斯采取先抽后采，保障煤矿安全生产，实现瓦斯的高效利用。

2 施工层段的优选

在寺河矿区曾开展过穿越采空区抽采下伏煤层瓦斯地面预抽钻井试验，取得了较好的预抽效果，但在穿越采空区钻井过程中需要解决水钻漏失严重及空气钻安全隐患等相关问题。为完善穿越采空区钻井工艺，开展了穿越采空区氮气钻井试验研究。相对于常规钻井，氮气钻井优势主要表现在能够保护储层、提高机械钻速和减少或避免井漏等多个方面；但是，氮气钻井成本较高，而对于穿越采空区氮气钻井工艺来说，由于开采卸压的影响，采空区附近岩层并不稳定，整个穿越采空区钻井过程存在卡钻具的风险。针对以上劣势，要求优化穿越采空区氮气钻井层段，首先需要对穿越采空区氮气钻井施工层段进行研究。

2.1 “上三带”理论

工作面开采以后，根据“上三带”理论，上覆岩层受采动影响的变形带由下而上的岩层移动分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。其中，垮落带由上覆岩层垮落岩石组成；裂隙带随着工作面的推进发生变形与位移，从而裂隙比较发育；两者与采空区具有直接的导通作用[10-12]。为预防井漏和保障井下安全，穿越采空区钻井过程中，要求进入裂隙带之前开始更换氮气作为介质进行钻进。根据相关研究成果及寺河矿生产地质报告的结论，对寺河矿3号煤层采空区上部裂隙带最大高度进行计算，为氮气钻井层段的选择提供理论依据。相关计算公式如下：

(1)垮落带最大高度

(1)

式中：Hk——跨落带高度，m；∑M——累计采厚，m。

(2)裂隙带最大高度

(2)

式中：Hli——裂隙带最大高度，m。

寺河矿开采3号煤层的平均厚度为6.1 m，取采高∑M=6.1 m，根据(1)式可计算垮落带最大高度为15.00 m(跨落带计算取最大值)，根据式(2)可计算裂隙带最大高度59.40 m。依据上述计算结果可知，氮气钻井穿越采空区层段初始位置选择在煤层顶板74.4 m以上，即钻至煤层顶板74.4 m左右时考虑更换氮气作为介质进行钻井。

2.2 “下三带”理论

国内学者从预防底板突水的角度对采场下伏煤岩体的破坏状态进行了分析，煤层底板的“下三带”为：底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带[13-15]。对穿越采空区钻井来说，钻遇采动导水裂隙带会出现和采空区沟通的情形，这是钻井过程中需要考虑的因素，氮气钻井穿越采空区设计考虑钻穿导水裂隙带后固井，进行封固漏失带，而后更换常规钻井方式至目的层完钻。因此，需要确定采动导水裂隙带的深度来指导氮气钻井穿越采空区工艺。底板导水裂隙带的经验公式为:

h1=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(3)

式中：h1——底板导水裂隙带最大高度，m；H——开采深度，m；a——煤层倾角，(°)；L——工作面的长度，m。

根据研究区的位置考虑取开采深度H为550 m，煤层倾角a为5°，工作面的长度L为200 m，则底板导水裂隙带最大高度为22.73 m。因此，采用氮气钻井穿越采空区层段要求钻至3号煤层采空区底板22.73 m以下进行固井封固采空区，以便后续采取常规方式进行钻进，节约能耗和成本。

通过“三带”理论分析可知，寺河矿区3号煤层采空区顶板以上74.4 m及底板以下22.73 m为受煤矿开采影响的钻井漏失层段，因此考虑在钻遇该层段过程中采用氮气作为循环介质进行钻进，保障安全施工。

2.3 井身结构设计

通过以上研究结果，穿越采空区钻孔要综合考虑地层剖面、采空区及井下复杂情况来设置井身结构。优化设计后的井身结构采用三开井身结构，一开Ø425 mm的钻头常规钻井开孔，钻入基岩10 m完钻，下入Ø377.7 mm的表层地质套管，防止地表粘土坍塌；二开Ø311.15 mm的钻头常规钻进至3号采空区顶板以上75 m，更换钻井方式为氮气钻井至3号煤层底板以下23 m后完钻，下入Ø244.5 mm的套管，水泥返高至3号煤层顶板，封固采空区段漏失层段；三开Ø215.9 mm的钻头钻进，钻穿15号煤层底板以下30 m后完钻，下入Ø139.7 mm的石油套管，水泥返高至3号煤层顶板以上100 m(见图1)。

3 氮气钻井工艺流程

穿越采空区氮气钻井就是以高压氮气作为介质，用空压机对空气进行初级加压，初级加压的空气通过汇总管线输送到制氮机，制氮机分离生产出氮气输送到增压机组，增压机对氮气进行再次增压，通过总管线将高压氮气经立管三通注入钻具内(中间设置单流阀、旁通阀和放空管线)，氮气在流经钻头时冷却钻头，携带钻屑，再通过井口及排砂管线排出，排砂管装置上部接入多参数瓦斯传感器监测装置，下部接入除尘器和除尘水口，最后将岩屑注入到岩屑池，以此实现穿越采空区氮气钻井任务[16-17]。具体流程见图2。

图1 穿越采空区氮气钻井井身结构设计

图2 氮气钻井穿越采空区工艺流程

为使岩粉能顺利吹出井外，注氮气钻进施工时应保证氮气注入量≮100 m3/min，注入压力≮3.0 MPa。根据地面工艺流程设计配套相应的设备方案，选用空压机5台，工作压力为2.1～3.5 MPa，排量为40 m3/min；选用制氮机2台，每台制氮机进气压力为2.4 MPa，排气压力为2.2 MPa，排量为60 m3/min；选用增压机3台，每台增压机进气压力为2.4 MPa，排气压力为6.9 MPa，排量为69 m3/min；此外，要求增压机与钻井设备之间高压软管耐压能力不得低于12 MPa，在此压力下能实现连续稳定工作。主要配套设备参数及数量见表1。

表1 主要配套设备参数及数量

4 现场应用

4.1 应用情况

现以SHCK-X井为例。SHCK-X井是为寺河矿区设计的一口穿3号煤层采空区抽采9+15号煤层气的一口地面预抽井，根据“三带”理论，该井480～583 m层段为受采空区影响的漏失带，对该层段采用氮气钻井施工，施工过程及工艺如下所述。

SHCK-X井于2017年6月12日一开采用空气钻井，一开钻具组合为Ø425 mm潜孔锤钻头+冲击器+Ø159 mm钻铤+转换接头+Ø127 mm钻杆，钻压10～20 kN，转速42～45 r/min，钻进至65.27 m，下入J55-Ø377.7 mm表层套管至65.27 m，固井水泥返深至地面；二开初期采用空气钻进，钻具组合为Ø311.15 mm潜孔锤钻头+冲击器+Ø159 mm钻铤+转换接头+Ø127 mm钻杆，钻压20～60 kN，转速45～66 r/min，钻进至485 m左右出现漏失，分析认为进入了受采空区影响的施工井段，这与以上“三带”理论分析的结论基本吻合，此时启用氮气地面钻井设备系统，更换氮气作为钻井介质，钻压40～80 kN，转速45～72 r/min，氮气钻井钻进至583 m，下入J55-Ø377.7 mm技术套管至579.01 m，固井水泥返深至560.56 m(3号煤层采空区底板位置)；三开钻具组合为Ø215.9 mm潜孔锤钻头+冲击器+Ø159 mm钻铤+转换接头+Ø127 mm钻杆，钻压20～80 kN，转速45～72 r/min，采用空气作为介质钻进至684 m完钻，下入J55-Ø139.7 mm生产套管至681.51 m，固井水泥返深至459.70 m(达到或接近3号煤层顶板以上100 m)，主要钻井工艺参数见表2。氮气钻井工艺在SHCK-X井的成功应用，证明穿越采空区氮气钻井工艺可行，对解决采空区下伏煤层瓦斯治理起到了极大地促进作用，且钻井施工中不会对煤矿井下安全生产造成隐患。

表2 主要钻井工艺参数

4.2 经济效益评价

常规清水钻进穿越采空区会产生严重的井漏，采用单一的堵漏方法难以从根本上解决问题；空气穿越采空区钻井安全隐患较大，特别是对煤矿井下开采会造成不可预知的后果。因此，穿越采空区钻井除了要考虑工程施工成本以外，主要考虑安全风险和隐患，采用惰性气体氮气作为介质实施穿越采空区钻井既保障了施工成功又杜绝了安全隐患。

寺河矿区采用氮气穿越采空区钻井估算单井工程费用按350万元/井计算(含后期相关工程)，根据统计，寺河矿区过采空区抽采9+15号煤层气井单井实现稳产气量可达2000～8000 m3/d，矿井抽采1 m3瓦斯成本约为3.5元，每口井气量按2000 m3/d计算，年生产期按300 d，年生产成本按60万元计，可为企业节约瓦斯抽采费用150万元/年。无论从经济角度还是从社会角度考虑，该技术效益都很显著。

5 结论

(1)由于寺河矿采用下行开采顺序，部分地区3号煤层成为采空区，使得这些地区9号、15号煤层未进行有效的地面预抽。为保障相应煤层开采的安全生产，过3号煤层采空区施工地面预抽井，对9+15号煤层采取地面瓦斯预抽措施甚为必要。

(2)氮气钻井在保护储层、提高机械钻速、减少或避免井漏等方面优势明显，但成本较高，通过“三带”理论分析寺河矿3号煤层采空区顶板以上74.4 m及底板以下22.73 m为受开采影响的漏失层段，采用氮气作为循环介质进行钻井穿越该层段能够实现安全高效地穿越井下采空区。

(3)使用5台空压机并联接入制氮机，制出氮气后通过3台增压机增压进入孔底的施工方案满足工艺要求，保障穿越采空区钻井施工的顺利进行。

氮气钻井工艺在SHCK-X井的成功应用，证明穿越采空区氮气钻井工艺可行，对解决采空区下伏煤层瓦斯治理起到了极大地促进作用，且施工中不会对煤矿井下安全生产造成隐患。