采空区地面钻井井身结构优化设计研究

杨树文，华明国，李 云

(山西潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)

采空区地面钻井是将钻孔直接从地面打入采空区上方，主要用于采空区瓦斯抽采，预防瓦斯超限，确保煤矿安全生产[1-2]。该技术是由美国率先研究并应用推广。由于美国煤层埋深较浅且煤质较好，因此，地面钻井技术结合水力压裂等增透方法，极大地提高了采空区瓦斯的抽采效率，取得了很好的经济社会效益。目前，地面钻井瓦斯抽采技术与井下瓦斯抽采技术相比具有三方面明显优势：①施工方便，不受井下巷道环境限制；②施工可采用更大型号的钻机，有效提高瓦斯抽采效果；③地面瓦斯抽采工作易于管理和维护。

我国在地面瓦斯抽采钻井技术上起步较晚，于20世纪70年代末期在抚顺、阳泉、焦作和湖南等煤矿逐步开始工程试点研究，但由于我国煤层地质条件复杂，透气性较低，煤质参差不齐，极大地增加了钻孔技术的难度，即使开展水力压裂等增透措施，瓦斯抽采效果也不理想[3-5]。2021年，以淮南煤矿为例，该矿区共施工40多口地面钻井，但钻孔失败率高达40%.目前,我国对地面钻井抽采技术的研究已积累了一定的工程实践经验[6]，但是在低透气性煤层综放开采条件下如何提高地面钻井施工成功率、满足高强度开采条件下钻井井身稳定性需求等方面研究较少，缺乏理论指导，难以满足煤矿工程实际需求。因此，为解决工作面回采过程中采空区瓦斯抽采困难这一问题，本文研究设计了一种地面钻井方案，并在余吾煤业N2105工作面开展试验研究。

1 工作面瓦斯治理概况

N2105工作面位于余吾煤业北翼采区，主采3号煤层，工作面原始瓦斯含量为10.049 6 m3/t，煤层瓦斯储量5 069.6万m3.该工作面采用“三进一回”的偏Y型通风方式。经现场测量计算，N2105工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为85 m3/min，根据《煤矿安全规程》，绝对瓦斯涌出量超过40 m3/min为高瓦斯矿井，必须进行瓦斯抽采。

2013年7月，余吾矿开始对N2105工作面进行采空区埋管抽采试验研究。初期抽采结果发现，抽采效果较差，瓦斯抽采量仅为0.8 m3/min，不能有效达到采空区瓦斯治理的目的。因此，余吾矿采用地面钻井技术进行采空区瓦斯抽采，并对地面钻井进行优化设计，为解决工作面回采过程中采空区瓦斯抽采提供新思路。

2 地面钻井优化设计

2.1 地面钻井布置

为最大限度地进行采空区的瓦斯抽采，余吾矿将地面钻井布置于靠近回风巷侧，如图1所示，先后完成了3口地面钻井的施工并开展抽采试验研究，分别为CC-1号钻井、CC-2号钻井和CC-3号钻井。这样布置不仅钻孔稳定性较高，还能抽采到“O”型圈裂隙发育区内高浓度的瓦斯，有效提高瓦斯抽采效率。

图1 管路连接示意

根据余吾矿北翼采区上覆岩层三带测量试验，将钻孔布置于裂隙带发育区。各钻井布置参数如表1所示。

表1 N2105工作面地面钻井位置参数

2.2 地面钻井结构优化设计

试验初期，CC-1号与CC-2号钻井均采用了小孔径设计。其中，CC-1号钻井第一次掘进地层钻孔直径为D311.1 mm，下入D244.5 mm套管固井；第二次掘进地层开段钻孔直径D152 mm，下入D127 mm筛管。

CC-1号钻井试验期间，在工作面推过钻井60 m后瓦斯抽采量迅速衰减，直至90 m后由于煤层瓦斯压力剧烈变化导致钻井发生破坏无法继续抽采瓦斯。为此,对CC-2号钻井在CC-1号钻井基础上进行了改进，将第三次掘进地层产气实管连到地面采用双层组合套管。

试验结果发现CC-2号钻井与CC-1号试验结果相似，均在工作面推过钻井60 m后瓦斯抽采量迅速衰减，在100 m后，由于煤层瓦斯压力剧烈变化导致试验过程中钻井出现了不同程度的变形破坏及抽采浓度下降问题。因此,对CC-3号钻井进行了优化设计，增加了钻孔直径，并在外层套管充填水泥。CC-3号大直径钻井的井身结构如下：第一次掘进地层直径D570 mm，下入D508 mm套管固井；第二次掘进地层直径D445 mm，下入D339 mm套管固井；第三次掘进地层直径D266.7 mm，下部下入D219.1 mm筛管，筛管上再加实管至地面；第四次掘进地层直径D177.9 mm，采用裸眼完井。其中二开套管与生产套管采用分段固井，充填水泥环。

3 瓦斯抽采效果分析

为试验1号、2号、3号钻孔瓦斯抽采效果，安装2台瓦斯抽采泵，管路连接如图2所示(抽采泵一用一备)。

图2 瓦斯抽采总量对比

3.1 瓦斯抽采总量分析

3个钻井瓦斯抽采效果如图3和图4所示。1号钻井于2013年10月8日至2013年10月28日进行抽采试验，由于钻井发生破坏，共计抽采天数为21 d，期间瓦斯抽采量总计为19.7万m3；2号钻井于2013年12月28日至2014年1月23日进行抽采试验，由于钻井发生破坏，总计抽采天数为27 d，期间瓦斯抽采量与1号钻井相当，共计为19.56万m3；3号钻井于2014年5月5日至2014年7月9日进行抽采试验，共计抽采天数为66 d，期间瓦斯抽采量总计为39.31万m3.

图3 瓦斯天数对比

图4 纯瓦斯流量范围

由图3和图4可知，3号钻井的瓦斯抽采时间最长，瓦斯抽采总量也最多，这证明增加水泥环的3号钻井管路比1号、2号钻井更坚固、稳定，增加管路直径也能大幅度提高抽采效率，因此3号钻井的抽采技术最优。

3.2 纯瓦斯流量分析

如图5所示，1号钻井的纯瓦斯抽采流量变化范围为0.55～12.94 m3/min，2号钻井的纯瓦斯抽采流量为0.57～9.09 m3/min，3号钻井的纯瓦斯抽采流量为2.70～10.98 m3/min。 纯瓦斯抽采流量平均值1号钻井为6.51 m3/min，2号钻井为5.03 m3/min；3号钻井为4.14 m3/min.

由图5可得，3个钻井的纯瓦斯流量的波动范围为3号钻井最小，其日均纯瓦斯抽采流量最小值为2.70 m3/min，远大于1号钻井、2号钻井的日均纯瓦斯抽采流量最小值。对于平均纯瓦斯流量范围，3号钻井也大于1号和2号钻井，由此可进一步印证在抽采过程中，3号钻井的设计是最优的，其稳定性和防破坏能力是最好的。因此，在钻井设计过程中，只有增加地面钻井管段的强度才能防止抽采过程中的变形破坏，保障地面钻井的高抽采效率。

图5 瓦斯浓度范围

3.3 瓦斯浓度分析

如图6所示，1号钻井的瓦斯浓度范围为11.01%～66.13%，2号钻井的瓦斯浓度范围为3.05%～45.65%，3号钻井的瓦斯浓度9.63%～32.80%.1号钻井瓦斯平均浓度为35.76%，2号钻井平均浓度为25.96%，3号钻井平均浓度为21.08%.瓦斯浓度的波动范围也表现出3号钻井的抽采效果最为稳定；瓦斯浓度最大值和平均值为1号钻井最大，其原因是1号钻井为首采钻井，在初期的瓦斯抽采量最大，但是由于钻孔稳定性较差，导致有效抽采时间很短，在抽采后期瓦斯抽采下限很低。因此，综合考虑分析，3号钻井抽采稳定，抽采设计方案最优。

图6 瓦斯抽采预警次数对比分析

4 地面钻井瓦斯抽采对井下影响

4.1 预警次数对比分析

图7为3个钻井在抽采前后工作面上隅角的日平均瓦斯预警次数。从图7可以得到如下结论：

1) 经过抽采后，3个钻井抽采后的平均报警次数均显著降低。1号钻井抽采后的平均预警次数约为抽采前的二分之一，2号钻井抽采后的平均预警次数约为抽采前的四分之一，3号钻井抽采后的平均预警次数约为抽采前的十分之一。

2) 1号和2号钻井抽采后报警次数虽然下降，但其日平均报警次数仍然维持在两位数，经3号钻井抽采后，其平均报警次数降低约为1次，大大提高了井下安全生产效率，证明3号钻孔的优化设计方案最好。

图7 2号钻井抽采瓦斯涌出量变化

4.2 瓦斯涌出量

对比分析2号、3号钻井抽采前后工作面瓦斯涌出量情况如图8所示。

图8 3号钻井抽采瓦斯涌出量变化

可知，3号钻井抽采前瓦斯涌出量在60 m3/min附近波动，抽采初期瓦斯涌出量迅速降低，瓦斯抽采效果很好，但由于钻孔破坏原因，导致后期瓦斯涌出量回升。3号钻井抽采前瓦斯涌出量峰值在50 m3/min波动，开始抽采后瓦斯涌出量稳步持续下降，没有出现过度反弹迹象，证明3号钻孔抽采效果最优。

5 结 语

1) 余吾矿开展地面钻井抽采瓦斯试验，证明地面钻井是一种较好的瓦斯抽采方法，可有效提高瓦斯抽采率。

2) 经过在余吾矿开展CC-1号、CC-2号、CC-3号钻井优化设计研究证明，CC-3号钻井采用充填水泥环设计，可有效提高钻孔的坚固性，使抽采效果更加稳定。

3) 经过对钻孔抽采量、抽采天数、瓦斯流量、瓦斯浓度、平均预警次数和瓦斯涌出量对比考察，CC-3号钻井效果最好，实验结果表明钻井优化对工作面瓦斯治理具有重要作用。