碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术研究

龙威成，孙四清，陈 建

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001)

煤炭是我国的主体能源，根据2019 年统计数据，煤炭在一次能源生产和消费结构中分别占68.8%和57.7%[1]。矿井瓦斯一直是煤炭开采的主要致灾因素之一，严重威胁矿井的安全生产，煤体破碎、瓦斯含量高、构造复杂等特征使得矿井瓦斯治理工作变得更加复杂[2-3]。碎软煤层是指煤体结构和坚固性被破坏，破碎成碎片状、碎块状、碎粒状、粉末状、鳞片状，原有的天然裂隙网络系统被毁坏甚至消失，在我国分布广泛，约占我国煤炭资源总量的60%[4-5]。碎软煤层赋存层位多，普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点，钻进时存在易塌孔、喷孔、孔壁失稳，导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞等问题[6-7]，且碎软煤体在变压环境中瓦斯逸散机理尚待深入研究[8]，碎软煤层瓦斯含量测定结果不准的问题已严重影响了煤矿区煤层瓦斯信息的超前大区域探测与评价。煤层保压/密闭取心技术较早在石油及天然气水合物等领域提出[9-10]，中煤科工集团西安研究院针对煤炭与煤层气开采领域煤层赋存相对较浅、储层压力较低、取心要求不高的地质特征和现实需求，研发了煤矿井下长距离密闭取心技术及装置[11-13]，在晋城等中硬煤层矿区进行试验应用，结果表明，煤层长距离密闭取心技术减少了损失气量估算环节，有效提高深孔煤层瓦斯含量测试精度[14-15]。近年来，岩(煤)层深地深孔密闭、保真取心已成相关领域的研究热点[16-17]。针对碎软高瓦斯煤层井下钻孔取心遇水易发生喷孔、塌孔等现象导致难以成功取心的问题，结合矿井钻取干燥煤样的需求(测定煤岩层原始水分含量，如通过测定煤岩层水分变化来考察水力压裂影响范围等)，开展碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术及工艺研究，以期为碎软煤层井下瓦斯含量测定提供技术支撑。

1 井下煤层长距离定点密闭取心装置

1.1 技术思路

煤层长距离密闭取心技术，是指在井下钻孔长距离取心时，利用密闭取心装置和配套的钻探设备钻取煤心，运用高压流体远程控制技术工艺实现密闭取心装置在孔底原位密封煤心，防止煤心在采样过程发生瓦斯逸散，解决瓦斯含量测定过程瓦斯损失量估算不准确的问题，从而提高井下长钻孔取心瓦斯含量测定准确度。基于此思路而研发的密闭取心装置和技术工艺是长距离取心测定瓦斯含量的关键。采取系列方法实现在孔外远程控制孔底的煤心原位密封，包括在密闭取心装置内筒收集煤样后，依托增压系统，经由钻杆内通道注入高压流体至密闭取心装置作为驱动力，迅速远程控制驱动密闭取心装置的两端阀门关闭，保证煤心在退钻、装罐、自然解吸全程被密闭，最大限度减少深孔取心过程的瓦斯逸散量，从而大幅提高煤层瓦斯含量测定准确度。

1.2 取心装置及配套设备

1) 取心装置

煤层密闭取心装置主要由取心外筒总成、压力推动总成、取心内筒总成和取心钻头等四大部分组成，其中，取心外筒总成包括上接头、轴承组和取心外筒；压力推动总成包括液压推动头、打压球座和推动筒；取心内筒总成由内筒筒体、解吸阀和剪切关闭球阀等组成，各部分连接如图1 所示。经过多次升级改造，目前煤层密闭取心装置(含钻头)全长1 300～1 500 mm，取心外筒最大直径有100、93 和89 mm 等多种规格，体积小、质量轻，适用于煤矿井下深孔密闭取心瓦斯含量测定；密闭取心钻头有ø98、ø113、ø120 mm 等多种规格，满足孔径98 mm 及以上钻孔密闭取心需求，可钻取ø38 mm 煤心样品。

图1 煤层密闭取心装置结构Fig.1 Structural diagram of coal seam sealed coring device

2) 配套装备

除煤层密闭取心装置外，井下长距离定点取心瓦斯含量测定，还需配套定向钻探装备(如ZDY6000LD、ZDY12000LD、ZDY15000LD 型等)，实现深孔钻探和钻孔轨迹精准控制等(如YHD3-1500 型)，以及实现深孔投球压力传递功能的、通孔直径不小于20 mm 的取心钻杆，此外还需要配套瓦斯含量现场和实验室测定装备。定向钻机的选取，应在满足定向深孔密闭取心工程试验技术要求的前提下，结合试验现场施工条件和矿井现有钻探设备情况综合考虑。

2 碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺

煤矿井下煤层深孔定点密闭取心技术，既融合了定向钻孔轨迹实时测控和深孔钻进的优点，又体现了煤层密闭取心技术的保压、密封特性，从而提高井下煤层瓦斯含量测定的采样深度和瓦斯含量测定精度，实现井下深孔、定点、精准测定瓦斯含量的目的。

2.1 碎软煤层钻进取心存在的问题

碎软煤层具有煤体破碎、地应力较高、渗透性差等特点，现有的煤矿井下煤层深孔定点密闭取心技术不能满足碎软煤层区域探测瓦斯赋存信息的需求。定向钻孔密闭取心技术是采用高压水作为密闭取心装置的动力源，而水对于碎软高瓦斯煤层钻孔钻进过程易产生不良影响，主要表现在：(1) 碎软煤层钻屑一般为小颗粒状、粉末状，遇水容易形成泥状，不利于排出孔外，造成钻孔堵塞；(2) 碎软煤层区一般构造应力复杂、煤体力学强度低，钻孔遇水容易造成孔壁失稳坍塌，产生夹钻抱钻现象；(3) 碎软煤层一般渗透性差、瓦斯压力高，煤体孔隙发育，水接触碎软煤体初期会产生暂时封堵瓦斯现象，抑制瓦斯解吸，但当煤体内部瓦斯积聚到一定压力时会造成碎软煤体连同高压瓦斯一起喷出，形成喷孔现象；(4) 碎软煤层取心煤心易冲散，取心率较低。基于上述原因，碎软煤层井下密闭取心需要采取措施防止水进入密闭取心装置浸湿煤样，同时也要避免水对后续定向孔施工带来的不利影响。针对碎软煤层特点，提出“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心工艺及技术。

2.2 工艺流程

煤矿井下煤层深孔定点密闭取心，主要包括密闭取心钻孔设计与施工、煤心密闭采样等两个阶段。根据取心目的进行取心钻孔设计、取心孔口(套管)段和无心定向孔段施工、煤心密闭采样、取心内筒及煤心检查等环节。

(1) 密闭取心钻孔设计与施工。取心钻孔设计前，如取心区域煤层赋存等状况不清，则需施工探查孔弄清煤层结构、展布等地质情况。

(2) 煤心密闭采样。该步骤主要包括密闭取心装置及钻具配置、密闭取心装置组装及输送、取心钻进、投球并泵送封堵球、泵注加压剪断并密闭煤心、装置回收及拆卸、取心内筒取出检查及现场解吸等环节。如发现取心内筒漏气、煤心质量不满足测试要求等状况，则需重新组装密闭取心装置，重复密闭取心步骤进行取心；取心内筒检查合格则可直连解吸仪进行现场解吸，并判断该测点是否为最终测点，如若不是，则送入钻具进行无心钻进至下一测点，或可直接密闭取心钻进，之后重复密闭取心步骤直至取心结束。

针对碎软煤层特点，提出“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质井下长距离定点密闭取心技术及工艺(图2)。取心钻进过程采用压风排渣和冷却钻头，确保钻取过程煤心保持干燥状态；投球打压阶段，基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统(图3)，首先采用压风将封堵球送入孔底密闭取心装置内，之后迅速切换为压水系统，高压水压缩钻杆系统内气体并驱动密闭取心装置，以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭，以避免高压水与煤心接触而导致煤样潮湿，同时避免钻孔煤体遇水发生喷孔、塌孔现象。

图2 碎软煤层井下长距离定点密闭取心工艺Fig.2 Long distance fixed-point sealed coring technology in broken-soft coal seam

图3 基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统Fig.3 Long distance dry sealed coring system based on pressurized air sampling drilling

为确保钻取到干燥煤样并及时密闭，需要特别注意如下两点：

(1) 密闭取心装置输送至孔底后，取心钻进前，需要开启压风进行冲洗，一是为了排除在装置输送过程中取心内筒可能积存的钻孔壁岩(煤)层水，防止该煤心浸湿，二是为了排除钻孔内残留钻屑和水，以免产生钻孔堵塞，确保密闭取心过程孔内通畅。

(2) 压风和压水两种打压系统应同时操作切换，确保高压水进入钻杆内部空间时，钻杆内部气体保持正压力；压水系统打压时，密切注视高压泵压力表，当压力升至高点出现骤然下降时立即关停高压泵，泄压使得钻杆内的水逆流排出，防止高压水进入密闭取心装置。

2.3 密闭取心打压系统转换器

为避免钻孔取心过程中发生喷孔、塌孔等问题，碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术使用了压风和压水两种打压系统，用于取心钻进和打压密闭煤心。为了迅速切换打压系统，并在切换打压系统时使得钻杆系统内压力保持，设计了碎软煤层密闭取心打压系统转换器，如图4 所示。打压系统转换器主体为三通结构，分别设计3 个阀门和1 个投球口。取心过程中，将密闭取心装置连接取样钻杆输送至孔底，钻杆尾部由高压管连接至转换器阀门3，转换器一分支(阀门1)连接井下压风系统或空压机，转换器二分支(阀门2)连接钻机配套高压泵和井下压水管路。关闭压水系统阀门，打开压风系统阀门1 和阀门3，采用压风取样钻进，利用压风将钻头研磨破碎的碎渣排出孔外，并利用压风冷却取样钻头。密闭取心内筒收集煤样后，关闭压风系统阀门1 和阀门3，拧掉转换器上的投球口堵头，将低密度封堵球投入投球口并拧紧堵头，然后打开压风系统阀门1 和阀门3，开启压风或空压机将封堵球送入孔内密闭取样装置球座。迅速关闭转换器阀门1，并打开阀门2，切换至高压泵注水系统，持续压入清水直至高压驱动密闭取样装置关闭，由于钻杆内存在压缩气体，高压水不会在取样内筒密闭前进入内筒而浸湿煤样。

图4 密闭取心打压系统转换器结构Fig.4 Structural diagram of pressure system converter for sealed coring

3 工程试验

3.1 试验区地质概况

试验矿井地层自老至新有石炭系太原组、二叠系山西组及石盒子组、第四系，其中石炭系太原组、二叠系山西组及石盒子组为含煤地层。试验目标煤层位于上石盒子组中下部，煤层厚度1.30～8.41 m，平均3.71 m，属厚煤层；煤层结构复杂，部分区域含有2～5 层夹矸，夹矸多为泥岩或炭质泥岩；煤层顶板以砂质泥岩、泥岩为主，基本顶为砂岩，并见煤层冲刷现象；底板主要为泥岩、砂质泥岩。井田总体形态为褶曲构造，发育一纵贯全区的轴向东西转南东向的背斜，其间次级褶曲、断层发育，构造复杂程度中等。矿井生产期间井下实测目标煤层瓦斯含量5.65～15.67 m3/t，瓦斯含量随着煤层埋深的增加而增大的总体趋势显著，且瓦斯含量和断层、煤层埋深都有一定关系；13-1 煤层坚固性系数f值为0.45～0.92，平均0.77，瓦斯放散初速度Δp为9～15；在某断层下盘−800 m 高程实测13-1 煤层瓦斯压力达到6.93 MPa。

3.2 碎软煤层密闭取心钻孔及采样设计

在试验矿井的西翼轨道大巷钻场设计布置4 个穿层定向钻孔，钻孔编号分别为HNX1、HNX2、HNX3和HNX4，钻孔初步设计方位角为220°～245°，开孔倾角为2°～5°，钻孔布置如图5 所示。图5 中灰色线条表示取心钻孔轨迹，钻孔轨迹是根据煤层倾角、起伏和煤厚预想剖面设计的，实际取心钻孔轨迹可根据钻遇地层情况调整。钻孔施工过程，要求钻孔孔壁规则和平滑，严格控制轨迹，并尽可能减少因纠偏而导致的开分支孔情况，以防止密闭取心装置无法准确、快速输送到位。由于施工巷道与目标煤层垂距较小，取心钻孔设计为小角度穿层上仰孔，定向钻孔钻遇目标煤层后在煤层中延伸一定距离再进行密闭取心，设计每个回次取心进尺1.5 m，4 个钻孔共计设计密闭取心样品4 个。

图5 钻孔布置Fig.5 Schematic diagram of borehole layout

3.3 密闭取心及瓦斯含量测定

由于井下取心测试钻场布置在岩巷中，钻孔在钻遇煤层前需要穿过岩层，岩层段采用水力钻进以便于提高钻进效率。当取心钻孔钻遇煤层即停钻，迅速切换至压风系统，然后继续钻进一定距离，开启压风将孔内钻屑和积水排除干净，退出孔内所有钻具。安装密闭取心装置，并依次接续取心钻杆，输送至钻孔孔底，严格按照双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺进行取样。由于钻孔均为上仰孔，为便于压风迅速输送封堵球进入密闭取心装置球座，试验过程中，在满足封堵球打压强度的前提下，采用低密度木质球代替高密度橡胶球作为封堵球使用。据此依次完成钻孔HNX1、HNX2、HNX3 和HNX4 的密闭取样。此外为验证密闭取样效果，采用常规取心方法进行对比取样(干燥煤样)。本次密闭取心样品均为钻孔钻取实体煤，煤心形状以小块状为主，部分样品为颗粒状(表1)，煤样干燥，质量满足井下煤层瓦斯含量测试要求。

表1 井下煤层钻孔取样信息Table 1 Borehole sampling of underground coal seam

煤层密闭取心样品和常规取心样品在现场解吸后，再次检查取心内筒与瓦斯罐的密封完好后，送至实验室进行下一步分析化验。密闭取心样品瓦斯含量(解吸气量和残余气量)测试参照GB/T 23250−2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》执行。试验区域采集的煤层瓦斯含量样品测定结果显示，密闭取心瓦斯含量测值为6.65～7.82 m3/t，常规取心瓦斯含量测值为5.11～6.45 m3/t。总体上密闭取心样品瓦斯含量测值高于常规取心，主要原因是前者避免了煤心在孔底钻取后至装罐前的瓦斯逸散，规避了瓦斯损失量估算环节，使得煤样瓦斯含量测定的各部分气体量均为实测获得，提高了瓦斯含量测定结果准确度。

4 结 论

a.采用现有定向钻孔高压水保压密闭取心技术进行碎软煤层取心时，存在煤心易冲散、孔壁易坍塌、喷孔、取心率低、安全风险大等问题，结合矿井钻取干燥煤样的需求，提出采用“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺，研发了基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统，以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送；以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭。

b.开发了密闭取心配套的打压系统转换器，选配密闭取心与定向钻探装备，开展碎软煤层典型矿井工程试验。布置了4 个穿层定向孔进行长距离定点密闭取样及瓦斯含量测定，密闭取心瓦斯含量测值为6.65～7.82 m3/t，常规取心瓦斯含量测值为5.11～6.45 m3/t，总体上密闭取心样品瓦斯含量测值高于常规取心。

c.碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术，为碎软煤层井下深孔瓦斯含量测定提供了一种新途径，实现碎软煤层井下精准定点、长距离瓦斯含量精确测定，满足碎软高瓦斯煤层井下大区域探测瓦斯赋存信息需求，保障矿井安全高效生产。基于高压水与气体双循环介质联合密闭煤心的碎软煤层井下长距离定点密闭取心工艺，目前仅在上向孔中试验，对于下向孔可能仍存在无法钻取干燥煤样、高压水浸湿孔底煤体的情况。下一步需要研发基于中低压气体驱动的密闭取心技术及装置，研究能够满足各种施工角度的碎软煤层井下长距离定点密闭取心工艺。