采动影响下煤层气井失稳机制及防失稳技术探讨

杨 婧，蔡 峰，封居强

(安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤层气(即瓦斯)是一种赋存于煤层或煤系地层的优质清洁能源，但也是煤炭开采过程中最大的灾害源[1]。因此安全高效抽采煤层气，既能实现煤矿绿色开采，又能做好瓦斯防治工作、消除安全隐患。煤层气抽采多以井下顶板大直径钻孔、高位钻孔抽采和地面钻孔抽采三种方法为主。由于地面钻井的施工及抽采工作不受矿井巷道条件的影响，抽采时间长、产气量大，且地面抽采工作便于管理，因此愈来愈多的应用到实际工程中。

大量学者对地面钻井抽采瓦斯技术进行了研究。廉法宪[2]通过对钻井布置、钻井结构、钻井采气及井底层位、钻井施工技术与管理等因素的研究，在新集一矿应用地面钻井技术抽采被保护层卸压瓦斯以解决突出危险性问题。涂敏[3]通过相似模拟实验分析了卸压开采后的覆岩移动破坏、卸压煤层移动变形、采动裂隙垂向分带和卸压煤层应力分带特征，并提出卸压瓦斯抽采地面钻井的部署方法。张军[4]研究了采场尺寸、顶板管理方法、煤岩层倾角和断层等各主要因素的变化对地面钻井变形破坏的影响规律并相应提出应对措施以提高地面钻井的稳定性。郭忠凯[5]等采用数值模拟研究确定了潘三矿17171(1)工作面瓦斯抽采的“高位环形体”范围及位置，并验证地面钻井布置在“高位环形体”中能有效提高瓦斯抽采效率。武玺[6]通过优化地面采动区布井位置、大井眼地面钻井工艺、优化井身结构降低瓦斯聚集、提高地面井抽采产量及抽采寿命。

淮南矿区煤储层渗透率低、吸附性强且解析速度慢，因此通常采用煤与瓦斯共采的方法。先选择一层薄煤层进行卸压开采，使其他主采煤层卸压膨胀，增加渗透率，再通过地面钻井井下瓦斯抽采，大大增强抽采效果[7]。但随着煤层开采的不断深入，煤层气抽采难度也越来越大。因此弄清采煤工作面上覆岩层运动演变规律、减少其对地面钻井的失稳影响，保持地面钻井稳定性是实现瓦斯高效抽采的关键技术。

1 采煤工作面覆岩“竖三带”运动分析

根据钱鸣高院士的“砌体梁理论”，采场覆岩在垂向上被划分为“竖三带”：冒落带、裂隙带及弯曲下沉带。

1.1 冒落带

冒落带又称垮落带，是指失去连续性、大量不规则岩块或似层状岩块向采空区冒落的岩层。与另两带相比，冒落带运动更为剧烈、裂隙发育更充分且连通性更强。当推进距离逐渐趋于并超过倾向长度时，采空区中部上方冒落带岩层首次发生完全冒落，并重新压实中部，四周岩体未完全垮落，形成“环形裂隙体”[8]。

1.2 裂隙带

裂隙带又称断裂带，裂隙大致分为竖向裂隙和离层裂隙。当岩层竖向位移大小不统一时形成不均匀沉降，在岩层接触面形成水平裂隙(即离层)或使原生裂隙发育，这种裂隙主要是由于岩层间力学性质差异较大产生。随着采煤工作面继续推进，岩层向下弯曲受拉，产生垂直或斜交于岩层的新生裂隙，即竖向裂隙。竖向裂隙可部分或全部穿过岩层，且两侧岩体几乎能保持层状连续性。

1.3 弯曲下沉带

弯曲下沉带又称整体移动带，是指裂隙带顶部到地表的岩层。随着采煤工作面的不断推进，覆岩受到的顶板支撑应力逐渐降低，岩层向采空区弯曲。弯曲是覆岩变形的主要形式[9]，主要发生竖直位移且上下各部分位移差值很小，因此很少出现离层。

采空区覆岩的运动演变形式远不止于此，它由地层岩体结构、采动特点及煤岩体物化学性质等诸多因素共同决定。本文对覆岩运动下的地面钻井失稳机制进行了研究。

2 覆岩运动对地面钻井的失稳影响

地面钻井的直径很小(通常只有200～400 mm)，对岩层运动的敏感度往往很高。钻井在全面开采引起的覆岩剧烈运动中会发生严重破坏。当井眼周围岩石发生破坏，且一旦井壁所受应力超过围岩的强度极限时就会造成井壁失稳[10]。大量现场实践表明，地面钻井主要由于岩层的剪切、压缩和拉伸作用而失效，且这三种失稳模式对覆岩运动的响应机制各有不同。

2.1 剪切失稳

剪切失稳是全面开采区内煤层气井失稳的最主要模式，主要发生于相邻岩层间的弱接触面上。地层的垂向加积方式形成“千层糕式”，且岩层间的物理力学性质存在差异，各岩层在同一采动条件影响下的运动形式不同，包括变形形式和变形量。采动引起的剪切应力集中于相邻岩层间导致其发生剪切滑移，使得穿过其中的地面钻井发生剪切变形，向采空区方向呈“S”形，如图1所示，过大的剪切应力甚至直接拉断煤层气井，造成剪切失稳现象，且大多发生于关键层下方。

图1 地面钻井剪切失稳示意图

2.2 压缩失稳

压缩失稳又分为水平压缩和竖直压缩失稳，如图2所示。随着工作面煤层不断被采出，煤层顶板上覆岩层平衡状态受到破坏，岩层发生滑移、断裂、下沉甚至垮落，井壁受到的荷载也重新分布为不均匀状态。周围岩层的相向运动对井筒造成水平径向或斜向挤压，使井筒断面变形甚至破裂，如图2(a)。另外，由于产气套管直径更小且所接触岩层性质差异明显、软硬岩层分层多，因此对岩层运动更为敏感。部分岩层垮落在采空区中部并逐渐压实时对井筒造成竖直压缩变形，如图2(b),这种失稳机制对于越靠近采空区中部的煤层气井越表现明显。

图2 地面钻井压缩失稳示意图

2.3 拉伸失稳

拉伸失稳多由裂隙带的水平离层产生，且相较于剪切压缩的剧烈失稳现象，拉伸变形对覆岩运动的响应模式稍为含蓄，如图3所示(圈内为对应的拉伸变形区域)。在离层拉伸作用下，地面钻井套管在关键层(组)下发生拉伸变形甚至颈缩失稳。

图3 地面钻井拉伸失稳示意图

除上述三种最为常见的变形和失稳模式以外，还有扭曲失稳、屈曲失稳、蠕变失稳等失稳机制。这些失稳模式的共同特点就是极易发生于相邻岩层间的接触面上，相邻岩层在水平和竖直方向的相对运动对于煤层气井的变形失稳很是关键。

3 地面钻井抽采瓦斯技术的优化完善

针对上述瓦斯抽采过程中可能出现的气井失稳现象，本文从钻孔深度、钻井位置的选择以及钻井结构三个方面综合考虑了地面钻井防失稳技术措施，核心如图4所示。

图4 地面钻井防失稳技术措施

3.1 钻孔深度的选择

煤层开采后，垮落带与采空区大气相通，吸附在煤基质、游离在煤孔隙中的瓦斯气体释放出来，并运移至覆岩运动形成的裂隙及“O”型圈中。若钻孔直接贯通采空区或进入垮落带中，则造成采空区向钻井大量漏风，难以保障抽采瓦斯的体积分数，抽采负压的降低也不利于煤层瓦斯被抽出。距采空区越远岩层卸压程度越低，达不到抽采效果。另外，为避免岩层中的地下水涌入钻井，充填岩层的裂隙空间并封堵瓦斯抽采通道，应将裂隙带作为抽采采动煤层卸压瓦斯及上邻近层瓦斯的最佳区段。这样既能有效抽采工作面采空区内卸压瓦斯，又能避免工作面推过钻井后导水裂隙带波及到钻井，井内积水无法引入井下造成废井。一般地面钻井的终孔垂高H参考公式[11]：

(1)

式中，H1为垮落带高度，m；H2为裂隙带高度，m。

3.2 钻井位置的选择

随着工作面的推进，顶板覆岩运动变形越来越剧烈，为减少覆岩运动对地面井的破坏，钻孔应选在覆岩移动对地面井影响较小的区域。在采场倾向上，采场某一深度处的岩层剪切位移呈“马鞍形”，如图5(a)，且采场中部区域剪切位移最小，沉降拐点附近最大；离层位移呈下凹式“抛物线形”，如图5(b)，越靠近采场中部离层位移越大[12]。因此为保证采空区瓦斯的高效抽采提出“两减”原则：减少在采场边界岩层移动拐点处的钻孔布置，减少在开切眼附近离层沉降拐点区域内的钻孔布置，并尽可能偏向采场内部而避开采空区中部，以延长地面钻井的使用寿命[13]。

图5 采场某深度岩层剪切和离层位移

3.3 井身结构防失稳技术措施

覆岩运动引起的钻井失稳是制约采空区卸压瓦斯高效抽采的关键问题。淮南矿区地面钻井的结构，自上而下分为四个部分：一开护壁套管设置在表土新地层至基岩风化带结合处，二开输气套管设置在地面至被保护层顶板上部，三开生产套管设置在被保护层顶板上方若干米至保护层顶板或底板处，四开裸孔不下套管，如图6左所示，但这类地面钻井经过一段时间的采气之后都发生错断，停止产气。本文对这一问题提出“四增”原则以强化地面钻井井筒结构：

(1) 一增为增加三开产气套管的长度至地面，如图6红线部分所示，延长部分为无筛孔的实体钢管，并在其与生产套管之间注入水泥浆体，在一开区段与输气套管、护壁套管形成三层组合套管，在一开以下的二开区段与输气套管形成双层组合套管。

图6 增加产气套管长度示意图

(2) 二增为增加合适的钢筋横梁于产气套管内壁。目前煤层气井使用的套管主要是N80或J55无缝钢管[14]，可考虑在三开产气套管内壁增加钢筋横梁，如图7所示，其数量和位置的选择可具体根据工程需要定制，以抵抗减少覆岩运动带来的破坏失稳。

图7 增加横梁后钻井示意图

(3) 三增为增加地面钻井套管壁厚与水泥环厚度。地面钻井套管壁厚是进行套管变形防护最易控制的参数，套管壁厚增加时，套管横截面最大剪应力和拉伸应力都呈减小趋势；且当水泥环厚度增大时，岩层运动影响对其产生的位移和应力呈减小趋势[15]。因此增加套管壁厚和水泥环厚度都能缓冲覆岩运动带来的剪应力和拉伸应力，延长钻井使用寿命，如图8所示。

图8 增加套管壁厚和水泥环厚度截面示意图

(4) 四增为增加固井水泥的韧性。常规煤层气井采用的是G级石油井水泥固井套管，可在原本油井水泥体系基础上掺加适当比例的聚乙烯醇纤维韧性复合水泥基材料。聚乙烯醇纤维通过拉拽和应变协调机制使试样均匀分担外部载荷，从而起到能量分散和载荷缓冲的效果[16]。当钻孔受到外界应力的变化产生变形时，套管与水泥之间发生耦合，套管对水泥的反作用力使水泥发生较大的变形，使原本该发生在套管上的变形转移到水泥环上，减小套管被破坏的可能[17]，如图9所示。

图9 增加固井水泥韧性示意图

4 结论

(1)本文分析总结了采动影响下煤层顶板上覆岩层“竖三带”的运动演变形式，并研究了覆岩运动对采空区瓦斯抽采地面钻井的失稳机制，并从地面钻井的钻孔深度、位置选择、井身结构三个方面探讨了防失稳技术措施。

(2)为了增强抽采效果，套管终孔垂高应预设在裂隙带中；对于钻井位置的选择提出“两减”原则：减少在采场边岩层移动拐点处的钻孔布置，减少在开切眼附近离层沉降拐点区域内的钻孔布置；对于井筒结构防失稳措施提出“四增”原则：一增三开套管长度、二增钢筋横梁于产气套管内壁、三增套管壁厚与水泥环厚度、四增固井水泥的韧性。为解决地面钻井瓦斯抽采技术难题提供思路。