煤矿瓦斯预抽采地面水平井与井下连通技术探讨

徐培远，张晓昂

(1.河南省煤田地质局，郑州 450000； 2.河南省能源钻井工程技术研究中心，郑州 45000)

0 引言

随着我国煤炭行业的进一步发展，浅层煤炭资源日益减少，煤炭开采正逐步向深部发展，瓦斯治理方法也不断改变。目前煤层瓦斯预抽方式基本分为井下抽采和地面钻井抽采两大类[1]。其中井下抽采主要包含井下钻孔抽采和巷道抽采等，地面钻井抽采多采用多分支水平井技术，通过定向钻井技术在入煤点进入煤层后，井眼以煤层走向为基准延伸或者穿层而过，通过主支和分支大幅度增加瓦斯解吸面积，将地面多分支水平井通过井下钻孔接入煤矿瓦斯抽采管路，利用地面泵站的负压抽采目的煤层及相邻煤层中的瓦斯，从而达到高效治理的目的[2-3]。地面多分支水平井瓦斯预抽采技术具有覆盖面积大，采出瓦斯体积分数高，且施工效率高的优点[4-7]，现已广泛的应用于各个地区煤矿瓦斯治理中。本项目充分利用地面多分支井控制面积大和井下便于集中抽采的优势，提高煤矿瓦斯治理及开发利用效率。

1 工程概况

该项目位于山西柳林沙曲矿，主要任务是通过由地面施工多分支水平井，水平段进入煤层后分别沿3+4#煤层钻进，与井下瓦斯抽采钻孔实现对接(图1)，由井下进行负压预抽采，以达到工作面煤层瓦斯提前卸压抽采的目的，有效降低工作面原始瓦斯含量，加快矿井巷道掘进速度，缓解矿井工作面衔接紧张的局面，以创造安全和经济双效益，为同类型煤矿区工作面瓦斯超前治理提供经验。本项目自2018年9月3日开钻，11月2日完钻开始排采。

图1 井上与井下对接示意

2 工作区地层

工作区内地层由上至下依次为：第四系，二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组，石炭系太原组、本溪组，奥陶系峰峰组。

3+4#煤赋存于山西组中下部，上距2号煤10.34m，下距4号煤0～16.99m。含夹石1～4层，夹石厚度在0.06～0.20m居多，个别达0.50m，结构复杂，夹石岩性以炭质泥岩和泥岩为主。煤层上部为弱玻璃光泽，暗淡型煤，下部为粉末状，强玻璃光泽，光亮型煤。顶板为深灰色泥岩，含少量植物碎片化石，厚度约2.2m；底板为深灰色砂质泥岩，脉状层理，富含白云母碎片及植物化石，厚度4m左右。顶板以粉砂岩和砂质泥岩为主，泥岩、细粒砂岩次之；底板为砂质泥岩和粉砂岩，含一定量的细粒砂岩和泥岩。顶板为中—细砂岩、砂质泥岩、泥岩；底板为砂质泥岩和粗碎屑岩。

3 钻孔结构设计

井下瓦斯钻孔设计仰角30°钻进，孔径φ153mm，下入φ108mm钢管，固井。

地面多分支水平井设计1主支、3分支，主支水平段长1 100m，分支长300m左右。井身结构为：一开孔径φ311.15mm，钻至稳定岩层，下入φ244.5mm×8.94mm套管并固井；二开孔径φ215.9mm，钻至目的层，下入φ177.8mm×9.19mm套管并固井；三开孔径φ152.4mm，主支与分支完成后，主支与井下对接抽采钻孔连通，主支下入φ89*7mm玻璃钢筛管并洗井。井身结构示意图见图2。

图2 多分支水平井井身结构示意

4 施工工艺

4.1 主要钻井设备

本次多分支水平井对接井施工主要采用XSC-1000车载钻机。泥浆泵采用3NB1000型泥浆泵，采用φ150～170mm缸套，流量、压力可满足钻井要求。连通仪器采用的是中国地质调查局勘探技术研究所自主研制的“慧磁”高精度定向对接系统。

4.2 钻具组合

钻具组合见表1。

表1 钻具组合

4.3 钻井参数

一开主要钻进表土层，钻压40～60kN，转速60～80r/min,排量20～30L/s;清水钻进。

二开钻进直井段和定向段，钻压50～80kN，排量30～40L/s，泵压4～8MPa；采用低固相泥浆体系。钻井液性能：密度1.05～1.15g/cm3，黏度(马氏漏斗粘度计)28～40s，失水<0.5ml/30min。

三开水平段钻进，钻压50～100kN，排量20～30L/s，泵压5～8MPa；采用无固相泥浆。钻井液配方：清水+(2%～3%)KCL+(1%～2%)黄原胶+(0.1%～0.2%)防水锁剂、钻井液性能：密度1.03～1.08g/cm3，黏度35～45s，失水<0.2ml/30min。

4.4 连通施工

本项目共进行了三次连通施工。第一次在地面多分支水平井主支钻进至1 235.00m，距原设计连通点井深(1 315.00m)80m时，分别下入强磁接头和测量探管，钻进至1 293.00m，距原设计连通点距离为22.00m时，井下仪器显示异常，经研究判定一直未获取真实磁信号，决定停止施工，第一次连通失败。起钻讨论研究后，重新测算靶点坐标，井深调整为1 359.00m，进行第二次连通。下钻正常钻进至1 342.00m时，连通仪器接收到磁信号，经测算方位偏差42°，距离相差59.50m(与原测算靶点相距17.00m)，已无调整空间，第二次连通失败。起钻后讨论研究决定以连通仪器显示数据为准，自井深1 342.00m处退后165.00m，从井深1 177.00m开始侧钻(带强磁接头)定向钻进，方位由256°扭向274°，进行第三次连通施工。钻至井深1 323.00m，井下瓦斯孔下入连通仪器，接受到强磁信号，引导钻进至距靶点11.00m时，井下起出连通仪器；钻进至井深1 383.60m，泵压由10.00MPa降至4.00MPa，井口钻井液失返20s，失返钻井液共计2.00m3，判定水平井钻进对接连通成功。井眼轨迹如图3所示。

图3 井眼轨迹投影

4.5 下玻璃钢套管

连通后下入用89.00mm钻杆连接顶送外径89.00mm玻璃钢筛管85根，躲过三个分支侧钻点及1 177.00m连通侧钻点，顺利下入主支井段673.88～1 383.60m，段长709.72m，使用清水30m3开泵循环洗井，洗井结束后从钻杆内下入钢珠开泵加压至8MPa，在钻杆连接玻璃钢筛管的液压丢手工具处憋开，起出钻杆，完井。

5 施工效果及建议

井组施工完成后，井下瓦斯孔及地面多分支井均有瓦斯气体溢出，在未抽采的情况下，井口压力高达3MPa，达到了项目预期。该项目的实施对实现瓦斯治理和高效开发利用具有示范意义。

本井经过三次连通施工最终连通成功，主要原因是井下瓦斯井连通点点位未经实际测量，由井口坐标和钻孔方位、井深计算得出，与实际坐标偏差较大。建议连通井施工中一是尽可能对井下瓦斯孔进行测量，测得精确坐标，二是详细辨别连通仪器测量数据的有效性，及时修正靶点坐标，提高施工效率及连通成功率。