煤矿采空区瓦斯抽采井钻井工艺研究

李瑞寒 陈丽丽

（1.河南省煤层气压裂工程技术研究中心，河南 洛阳 471000；2.河南省资源环境调查二院，河南 洛阳 471000）

0 引言

基于我国能源结构调整和安全生产考虑，大量中高瓦斯含量的矿井关闭，预计到2030年数量将到达15 000处。据调查，目前的关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t，煤层气（瓦斯）近5 000亿m3，在煤矿采空区进行煤层气开采对我国能源保障和煤矿安全具有重要意义，且具有很好的商业价值与前景。

一定浓度的煤层气（瓦斯）游离于采空区，若进行煤层气再开采，只需要从地面钻井至煤矿采空区直接抽采，不需要像致密（页岩）气开发那样，需要进行大型压裂，从而导致资源浪费和环境破坏［1−2］。

目前，国内采空区瓦斯抽采的主要钻井施工方式有水基钻井液常规钻井技术、空气钻井技术和氮气钻井技术，但在施工过程中也暴露出了一些问题。采用常规钻井技术钻进至采空区裂隙带中上部或采动区附近时，钻井液会发生恶性失返性漏失，由于裂隙尺寸较大，常规桥堵技术无法实现架桥；钻井过程中，大量的钻屑无法正常地携带出井眼，导致卡钻、埋钻等事故的发生。采用空气钻井技术，能基本解决采空区裂隙带钻井液漏失难题。但是，在空气钻进过程中也暴露了一些问题，如地层出水，钻屑返排不畅导致卡钻等。采用欠平衡空气钻进时，采空区有瓦斯自燃甚至爆炸的风险。因此，需要对煤矿采空区瓦斯抽采井钻井工艺进一步研究［3］。

1 采空区瓦斯抽采井井身结构优选研究

根据在山西省施工的多口采空区瓦斯抽采井经验，一层采空区一般采用三级井身结构，二层采空区采用四级井身结构，笔者仅就一层采空区的三级井身结构展开研究。从成本及套管库存考虑，结合施工井型、地质条件及钻井工艺等，优化确定三级井身结构套管与井眼尺寸见图1和表1。

表1 套管与井眼尺寸表

2 施工设备优化组合研究

笔者以空气钻井为例展开研究。优化组合的设备主要有：①采空区瓦斯抽采井的钻井深度多在800 m以上，目前常用的钻机设备一般为车载钻机或TSJ−2000水源钻机，水源钻机应配备2 m底座，以便安装井口防喷器。②气体钻井采用最多的是螺杆式空气压缩机、往复活塞式增压机。应根据实际情况，配备单台或多台空压机和增压机。③空气钻井时，从井口返出的为有压力的空气流体，为安全起见，井口必须安装防喷器。④供气管线上须安装常用的仪表及气体流量计和压力表，还要在井口安装瓦斯检测仪，随时监测井口瓦斯浓度［4−5］。⑤采空区瓦斯抽采井通常采用空气锤钻进，其钻具组合见表2。

表2 钻具组合表

3 钻井循环介质优选研究

采空区瓦斯抽采井主要的钻井工艺为气体钻井技术，故本研究仅探讨气体钻井。

3.1 气体钻井的优势

气体钻井和水基钻井液钻井技术相比，气体钻井技术可降低钻井成本，增加单井产量，还可使钻井速度大幅提高，因此能缩短施工时间；由于气体钻井技术的循环介质不采用水，故不会导致井壁水化坍塌等事故的发生。

3.2 气体钻井的局限性

气体钻井会导致井壁不稳定；会使岩屑在钻杆、井壁或钻铤顶部上的台阶处堆积形成泥饼圈；会导致井壁坍塌、井径扩大等一系列问题；会导致井内发生失火甚至燃烧爆炸等事故，为降低井内失火、燃烧爆炸的可能性，可采用雾化钻井技术［6−8］。

3.3 钻井循环介质优选

通过分析研究，采空区瓦斯抽采井基本以气体钻井作为主要钻井工艺，考虑施工成本、施工效率、施工安全等方面，再配合水基钻井液、气体泡沫钻井工艺，以此来解决穿过采空区顶板裂隙带、采空区等一系列难题。钻井循环介质优选如下。

3.3.1 一开井段，优选循环介质为水基钻井液和空气。当一开的地层为黄土覆盖层时，可优选水基钻井液作为循环介质钻进；当一开的地层为裸露基岩时，可优选空气作为循环介质钻进。

3.3.2 二开井段，优选循环介质为空气和空气泡沫。一般情况下，优选空气作为循环介质钻至二开完钻；当钻遇出水地层，且出水量>10 m3/h时，优选空气泡沫作为循环介质钻至二开完钻。

3.3.3 三开井段，优选氮气作为循环介质钻穿采空区后完钻。

4 钻井工艺参数优选研究

4.1 最小气量选择

通过采用Angel的混合均匀流模型来计算气体钻井井筒的压力可得出，井筒中气体流速的最低值不在井底，而是在钻杆与钻铤的相接处，这说明携屑最困难的位置是环空中过流截面由小变大处，因此需要计算钻杆与钻铤相接处的最小气量。利用井底清洁程度第二类标准选择井底状况下的最小气量和钻杆与钻铤连接处的最小气量，选择两者中的大值作为最终选定的最小气量。

根据以上分析，可计算出气体钻井在标准状态下不同井眼尺寸所需的最小气量［9−10］。

4.2 空气钻井钻压和转速的选择

气体钻井中，钻压的确定主要取决于井身质量控制。钻进中不管使用何种钻具组合，钻压要控制在粗径钻具一次临界弯曲钻压以内，以防止井斜过快增长。

转速主要由扭矩的控制、胶芯的磨损、所选用气动潜孔锤合理的转速范围等因素确定。从这些方面考虑，转速宜控制在60～70 r/min［11］。

5 完井工艺优化研究

对于采空区瓦斯抽采井而言，采用的完井方法主要是裸眼完井和筛管完井。由于采空区瓦斯抽采井主要抽采采空区内聚集的瓦斯气体，单井完井后不再进行压裂、酸化等其他增产作业。从理论上说，相较于裸眼完井，筛管完井能够保证井筒在采空区内的稳定性，方便修井，有利于清除井筒内的煤粉，更有利于后期的瓦斯抽采。

但在大规模布置采空区瓦斯抽采井进行施工时，发现筛管完井的问题较多：一是施工工艺复杂、难度大，三开钻穿煤层采空区后，由于采空区顶板垮落，地质条件复杂，造成筛管难以下入，施工工艺复杂、难度大，完井较困难；二是施工成本高，相比裸眼完井，筛管完井增加了三开套管，在下入三开套管时需要反复通井，增加了不少钻井完井成本；三是施工工期长，筛管完井增加了三开下套管工序，三开完钻后需要多次通井才能下入筛管，有时多次通井仍无法下入，要采用跟管钻具通井并将筛管下入设计位置，施工工期比裸眼完井要长得多。根据相关的采空区瓦斯抽采井施工经验，采用裸眼完井取得了较为不错的抽采效果。因此采空区瓦斯抽采井的完井方法优选裸眼完井［12］。

6 现场应用试验研究

6.1 现场应用

磴槽煤矿受郑州“7.20”暴雨影响，矿区内二1和一3煤层采空区内有积水，需要在地面施工一个采空区水位观测孔，查清两煤层采空区的积水情况、富水性，为矿井复工复产做准备。根据现场地质条件并结合其他因素分析，选用欠平衡空气钻井工艺，三开井身结构，选用XSZ−800Ⅱ型履带式钻机，配合2台空压机进行施工。

6.2 现场应用试验结论

①本井纯钻进时间仅72 h，说明与水基钻井液相比，欠平衡空气钻井技术应用于穿采空区的井型时，能够提高钻井效率。

②根据本井钻遇煤层顶板裂隙带情况，发现通过经验公式计算的采空区顶板裂隙带的高度与实际裂隙高度相比偏于保守，采用经验公式计算的顶板裂隙带可供参考，如果需要更准确的数据，应根据本地区的采厚、采空区面积、顶板管理与采煤方法、顶板岩层结构类型、煤层赋存状况及开采深度六方面对顶板导水裂隙带进行综合分析。

③采用井底清洁的第二类标准——岩屑沉降末速度标准，来计算保持井底清洁的最小气量，比较符合实际情况，可以用来指导实际空气钻井施工。

④气体钻井最小注气量的计算，选择保证井底清洁的第二类标准——岩屑沉降末速度标准，与实际情况更为接近。

⑤目前浅层煤层气钻井，施工现场多未配备井控设备，但在采空区瓦斯抽采井钻井时，必须配备双闸板防喷器和旋转控制头。