大口径瓦斯钻孔穿越煤矿采空区钻井工艺 -.pdf

第 2 7 卷 1 期 2 0 1 5年 1月 中国煤炭地质 COAL GEoL0GY 0F CHI NA Vo 1 ． 2 7 No ． 0 l J a n ． 2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 6 7 4 1 8 0 3 ．2 0 1 5 ．O 1 ． 1 2 文章编号 1 6 7 4 1 8 0 3 2 0 1 5 0 1 0 0 5 5 0 2 大口径瓦斯钻孔穿越煤矿采空区钻井工艺 曹东风 1 ． 河南豫中地质勘察工程公司， 河南 郑州 4 5 0 0 1 6 ； 2 ． 河南省能源钻井工程技术研究中心， 河南 郑州 4 5 0 0 1 6 摘 要 在山西省晋城市某煤矿 1 0 k m范围内， 3 煤层开采形成了采空区， 且在采空区中富含浓度很大的瓦斯混合 气。为了最大限度的利用瓦斯， 运用地面钻井的方法穿越采空区， 继续钻穿下部 1 5 煤层 ， 对采空区中的混合瓦斯 气体以及 1 5 煤层中的瓦斯进行综合排采利用。在钻进过程中， 采用空气潜孔锤钻井和回转钻井工艺相结合的方 法J J , N的穿越了采空区。在空气潜孔锤钻井工艺穿越采空区时 ， 采用大风量冲孔 、 憋压冲孑 L 、 空气泡沫循环等方 法 ， 切实有效的解决了钻孔施工中的掉块、 卡钻等复杂情况， 从而达到最大限度的节约成本 ， 提高钻效 ， 缩短周期的 目的。 关键词 煤矿采空区； 瓦斯抽放孔； 大口径； 潜孔锤 ； 钻井工艺 中图分类号 P 6 3 4 ．5 文献标识码 A Dr i l l i n g Te c h n o l o g y o f La r g e Di a me t e r Ga s Dr a i n a g e Bo r e h o l e t h r o u g h Co a l mi n e Go b Ar e a Ca o Do ng f e n g‘ 1 ． He n a n Y u z h o n g G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g C o mp a n y ， Z h e n g z h o u ， He n a n 4 5 0 0 1 6 ； 2 ． He n a n P r o v i n c i a l E n e r g y D r i l l i n g E n g i n e e ri n g T e c h n o l o g i c a l R e s e a r c h C e n t e r ， Z h e n g z h o u ， He n a n 4 5 0 0 1 6 Ab s t r a c t W i t h i n t h e r a d i u s l O k m r a n g e f r o m a c o a l mi n e i n t h e J i n c h e n g C i t y ， S h a n x i P r o v i n c e ， t h e e x t r a c t i o n o f c o a l No ． 3 h a s f o r me d a g o b a r e a f i l l e d wi t h c o n c e n t r a t e d g a s mi x t u r e ． I n o r d e r t o ma x i mi z e t h e u s e o f g a s ， u s i n g s u r f a c e d r i l l i n g t h r o u g h g o b a r e a a n d d o wn t h r o u g h t h e c o a l No ． 1 5 ， c o mp r e h e n s i v e l y d r a i n e d a n d u s e d t h e g a s mi x t u r e i n g o b a r e a a n d g a s f r o m c o a l No ． 1 5 ． T h e c o mb i n e d a i r D F H h a mme r a n d r o t a r y s y s t e m d r i l l i n g h a v e b e e n u s e d a n d we n t t h r o u g h g o b a r e a s mo o t h l y ． Du r i n g t h e a i r DTH h a mme r d r i l l i n g u s e d t o c u t t h r o u g h g o b a r e a ， u s i n g me t h o d s o f l a r g e a i r flo w r a t e fl u s h i n g ， p r e s s u r e b u i l d u p d r i l l i n g a n d a i r f o a m c i r c u l a t i n g ， t h u s h a v e s o k e d c o mp l e x i s s u e s s u c h a s f a l l b l o c k ， d r i l l t o o l s t i c k i n g e t c ． f e a s i b l y a n d e f f e c t i v e l y ． A c c o r d i n g l y ， o b j e c t i v e s o f ma x i m u m c o s t s a v i n g ， d r i l l i n g e f f i c i e n c y i mp r o v i n g a n d d r i l l i n g c y c l e s h o r t e n i n g a c h i e v e d ． Ke y wo r d s c o a l mi n e g o b a r e a ； g a s d r a i n a g e b o r e h o l e ； l a r g e d i a me t e r ； DT H h a mme r ； d r i l l i n g t e c h n o l o g y 在煤矿井下采空区中富含浓度很大的瓦斯混合 气 ， 为了最大限度的利用瓦斯 ， 提高煤矿井下安全生 产 ， 山西省某煤矿在采空区利用地面钻井 的方法 ， 穿 越采空区 ， 继续钻穿下部 1 5 煤层 ， 对采空 区中的混 合瓦斯气体 以及 1 5 煤层中的瓦斯 ， 进行综合排采利 用 ， 进行 了很好 的尝试 ， 并取得了一定的成功 。 1地质概况及钻孔选定 沁水盆地位于太行山隆起以西 ， 汾渭地堑以东 ， 北起盂县隆起为界 ， 南界为中条 山隆起。盆地是一 个大 型复式 向斜 ， 南 北两端 宽 阔 ， 中部窄 ， 构 造简 单 。含煤 面积约为 2 ． 3 9 万 k m ， 瓦斯 煤层气 资源 量为 6 ． 8 5 x 1 0 m 。主要开采煤层 为3 和 1 5 煤 ， 瓦斯 含量普遍较高， 一般为5 ～ 2 5 m ／ t 。 作者简介 曹东风 1 9 7 O 一 ， 男， 河南新乡人， 钻探工程师， 长期从事 石油、 大口径、 煤层气等各类井的现场钻井管理工作。 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 6 责任编辑 樊小舟 在山西省晋城市某煤矿方 圆 1 0 k m内， 3 煤层经 过开采形成了采空 区， 深度在 3 0 0～3 5 0 m。1 5 煤层 深度在 4 2 04 7 0 m， 部分没有开采 。选定该区进行 采空 区钻孔穿越 的原因是该区采空 区埋深浅 ， 钻孔 完钻后可以进行地面瓦斯抽采 ， 对煤层进行 “ 先抽后 采 ” ， 降低煤层瓦斯含量 ， 确保煤矿井下安全。 2钻孔设计及质量要求 2 ． 1结构设计 一 开q o 4 4 5 m mX 3 0 m， 下人‘ p 3 3 9 ． 7 mmX 3 0 m套管 ； 二 开 ‘ p 3 1 1 ． 1 5 ram X 3 0 0～3 5 0 1T I ，下 入 ‘ p 2 4 4 ． 5 mmX 3 0 0～3 5 0 m石油J 5 5 套管 ； 三 开q 2 1 5 ． 9 min x 4 7 0～5 3 0 IT I ， 下 入q 1 3 9 ． 7 min x 4 6 8 5 2 8 i n 石油J 5 5 套管 。 2 _ 2质量要求 一 开钻遇稳定基岩不得少于 1 0 m， 下人表层套 管后 固井 ， 水泥返至地面 、 候凝。 二开钻穿采空 区后 ， 3 煤层底板钻遇2 0 m， 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 中 国 煤 炭 地质 第2 7 卷 入9 2 4 4 ． 5 mm套管后固井。 _二开钻穿 l 5 煤层后 ， 预留5 0 m口袋完钻 ， 下入‘ p 1 3 9 ． 7 m m套管 ， 套管距离孔底 2 m左右并 固井 ， 水泥 返至 1 5 煤层顶界 以上 2 0 0 m。 钻 孔全 井段 要求垂 直 ， 井斜≤2 。 ， 井底位 移≤ l 5 m。 在钻遇采空区 1 0 0 m之前 ， 随时对井 口瓦斯进行 监测 ， 发现高浓度瓦斯时 ， 钻孔结构进行调整。二开 9 2 4 4 ． 5 ra m套管下端安装‘ p 3 1 l m m分割器 ， 9 2 4 4 ． 5 m m 套管下到采空区顶界坐封， 下部裸眼完井。 3钻井设备选择及钻进参数 受采空区影响， 采空区以上地层会发生沉降， 形 成裂隙， 经过晋煤集团多JL N算， 采空区沉降高度影 响范围为煤层厚度的 1 5～ 4 0 倍 ， 在钻井过程 中钻孔 极易出现漏水现象。考虑到钻孔漏失后 ， 一是供水 不足， 会影 响到钻井效率和延长钻井周期 ； 二是大大 增加井队成本 ， 缩小了利润空间。因此 ， 在漏水严重 地层以及采空区钻井 中， 应采用钻效高 、 用水少的空 气潜孑 L 锤钻井工艺 。在非采空区钻孔段 ， 可采用成 本低 的泥浆钻井工艺 。 3 ． 1 钻机选择 结合两种不同的钻井工艺 ， 施工钻孔深度 、 提升 能 力等综合 因素 ， 确定钻井设备 。选用 T S J 一 2 0 0 0 E 型 水 源 钻 机 ； 2 7 mA型／ 8 0 T井 架 ； 动力 机 1 2 V1 3 5 ／ 2 4 0 HP ； F Z 2 8 2 1 防 喷器 ； 英 格索 兰 1 0 7 0空 压机 2 台 ； 1 2 0 0 ／ 7 泥浆 泵 ； 1 2 ” T S 2 7 5 、 8 ” T S I 8 0 潜孔 冲击 器 。 f 1 2 ” T S 2 7 5 潜孔 冲击器 主要技术参数 工作风 压 ，1 ． 7 2 ． 4 MP a ， 推荐转速 3 0 4 0 r ／ mi n ； 额定 轴压 力 ， 2 5 k N； 耗 风 量 1 ． 7 MP a 一4 5 ． 3 m ／ mi n ， 2 ． 1 MP a 一 54 ． 5m ／ mi n， 2． 4 MPa 一 62 ． 3m。 ／ mi n。 3 _ 2钻具组合 一 开 9 4 4 5 m m三牙轮镶齿钻头 转换接头 ‘ p 2 0 3 m m螺旋钻铤 1 8 m 91 2 7 mm钻杆 方钻杆 ； 二开 ①9 3 1 1 ． 1 5 mm三牙轮钻头 转换接头 ‘ p 1 7 8 m m钻铤 1 8 m 91 5 9 mm钻铤 5 5 m q o 1 2 7 m m钻杆 方钻杆 ； ② 9 3 1 1 ． 1 5 m m冲击钻 头 1 2 ” T S 2 7 5 潜孑 L 冲击 器 91 7 8 mm钻 铤 1 8 m 91 5 9 mm钻 铤 3 8 m9 1 2 7 m m杆 方钻杆 ； 三开 ①9 2 1 5 ．9 m m三牙轮钻头 转换接头 ‘p 1 5 9 m m 钻 铤 7 5 m9 1 2 7 m m钻 杆 方 钻 杆 ； ② 9 2 1 5 ． 9 ra m冲击钻头 T S 1 8 0 潜孑 L 冲击器 9 1 5 9 mm 钻铤 5 5 m 9 1 2 7 mm钻杆 方钻杆。 3 ． 3钻进技术参数 一 开 钻 压 1 03 0 k N； 转速 4 0～6 0 r ／ mi n ； 泵 量 2 0 1 i s ； 泵 压 1 ～2 MP a 。 二开 ①钻压 6 0～8 0 k N； 转速 6 0～1 4 0 r ／ m i n ； 泵 量 2 0 Us ； 泵 压 2～3 MP a ； ② 钻 压 51 0 k N； 转 速 2 04 0 r ／ mi n ； 风量6 0 m ／ mi n ； 风压2 ． 4 MP a 。 三开 ①钻压6 0 8 0 K N ； 转速 6 0 ～ 1 4 0 d m i n ； 泵 量 2 0 I J s ； 泵 压 23 M P a ； ② 钻 压 5～1 0 K N； 转 速 2 0～4 0 r ／ mi n ； 风量5 0 m。 ／ mi n ； 风压2 ． 4 NP a 。 4 工程实例 4 ． 1钻进过程 例 1 S H C ～ 0 0 7 井 ， 采空区深度 3 5 7 ． 4 0 m， 1 5 煤层 未开采 ， 埋深 4 6 3 ． 5 m。该孔 二开采 用 泥浆常规 钻 井， 井深1 2 0 m开始钻井液漏失， 开始使用空气潜孔 锤钻井 ， 采空区掉钻 1 ． 4 m， 二开井深 3 7 5 ． 6 0 m， 下入9 2 4 4 ．5 ra m J 5 5 石油套管并固井。三开继续使用空气 潜 孔锤钻井 ， 完钻 井深 5 2 4 m。该 井平均钻效 达到 1 4 ． 2 5 m ／ h ， 二开使用空气潜孔锤钻井穿越采空 区， 用 时不足 3 d ， 大大减少 了等水 、 制浆时间， 缩短了施工 周期 。 例 2 S HC 一 0 0 9 井 ， 采空 区深度 3 6 2 ． 5 m， 1 5 煤层 未开采 ， 埋深4 8 0 m。该井二开就采用了空气潜孔锤 钻井 ， 顺利钻遇采空区。井 口发现瓦斯浓度超标 ， 立 即停钻监测 ， 井 口瓦斯流量达到3 0 0 0 m ／ d以上。连 续观察4 d ， 由于井口外溢瓦斯流量大， 且浓度高， 考 虑到安全问题 ， 钻井被迫终止。该井平均钻效达到 1 5 ． 7 m ／ h ， 施工周期 5 d 。 4 ． 2施工中出现的问题及解决方法 采空区钻孔孑 L 径大 ， 使用钻杆细， 造成钻孔环形 空间体积大 ， 2台英格索兰 1 0 7 0 空压机理论总送风 量 6 0 m ， 但受设备使用年限及损耗影响， 实际送风 量 6 0 m ， 致 使 环形 空 间空 气 携 带岩 屑 上返 速 度 低。经现场测算， 实际上返速度≤1 l m ／ s ， 远远低于≥ 1 5 m／ s 的最低 要求 。因此 ， 第 一个 钻孑 L S HC 一 0 0 7 井 出现了排岩屑困难 。岩 屑经过重复研磨 ， 降低 了钻 效。提钻 中还 出现了“ 岩屑环 ” 卡钻事故。 出现岩屑上返 困难 ， 卡钻事故处理后 ， 现场在高 压立柱上外接 了一台泡沫泵 ， 向钻孔内灌注泡沫剂 ， 配合空气泡沫冲孔 ， 解决了排岩屑问题 。 使用泡沫剂虽说能一定程度上解决排岩屑问 题 ， 但是空气泡沫冲孔需要一定的时间 ， 不能最大限 度地提高钻效。在以后的采空区钻井中， 解决问题 的根本是 1 增加空压机数量， 以提高总体供风量； 2 缩小环空体积 ， 使用直径更大 的钻杆 ， 提高 环形空间空气的上返速度 。 环空空气上返速度满足≥l 5 n 1 ／ s 。 下转第7 6 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 76 中 国 煤 炭 地 质 第2 7 卷 同的方式解决底板水带压开采的防治水隐患。 在采用瞬变 电磁进行探测 时注意① 电性干扰 ， 一 是电场干扰 、 二是磁体及导磁导电体的屏蔽 ， 这些 干扰容易使水害异常增加。在具体探查中曾遇到水 害异常区中心钻孔无水 ， 而在异常 区外围钻孔水量 较大。经后期排查产生差异的主要原 因是探查异常 区巷底浮矸下有钢梁屏蔽干扰所致。②探测顶 、 底 板水要分别掌握线 圈方 向， 避免顶底板异常相互干 扰。③利用瞬变电磁法探测可用其他探查方式进行 上接第 5 6 页 综合验证 。 参考文献 [ 1 】 于景 邮． 矿井瞬变电磁法理论 与应用技术研究【 D ] ． 江苏 徐 州 中国 矿业大学， 2 0 0 7 ． 【 2 】 岳建华， 刘树才．矿井直流电法勘探【 M ] ． 江苏 徐州 中国矿业大学 出版社， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 彭 鉴．井 下瞬变电磁法在巷道底板含水性探测的应用【 J 1 ． 中国煤炭 地质 ， 2 0 1 2 ， 2 4 7 ． [ 4 ] 杨振威 ， 李贤 庆 ， 凌标灿 ， 孔 龙玺 ， 等 ． 瞬变 电磁 法在探测 工作面 顶板赋水性 中的应用I J l- 中国煤炭地质 ， 2 0 1 0， 2 2 1 ． 4 ． 3钻孔安全措施 1 泥浆常规钻井 。 钻井 中加强泥浆 观测 ， 记 录钻井液消耗情况 。预防钻孔突然漏失造成钻孔 “ 脱裤子” 的埋钻事故。钻井液中加人 隋性材料堵漏 时 ， 预防钻柱卡钻和埋钻。 2 空气潜孔锤钻井。 ①计算送风量 ， 保证钻 孔环形空间空气上返速度 。时刻观测井 口返屑情 况 ， 及时调整送风量和注入 泡沫剂 ， 防止 因风量不 足 、 上返速度不够 ， 岩粉下落形成卡钻事故 。 ②钻遇采空区时， 控制送绳速度 ， 避免钻孔在采 空 区中偏斜 。钻进 2～3 m时应提起钻具重新划眼 2 次 。 ③加单根或起钻时， 钻头提离孔底之前不能停 止送风 ， 应彻底冲洗井底无残留岩屑 ， 钻头提离孔底 大于 5 m后 ， 逐步减少送风量 ， 直至停止送风。避免 突然停止送风后 ， 孔 内悬浮岩屑骤然下落， 卡死潜孔 冲击器造成事故。 ④空气潜孑 L 锤钻井易在钻孔井壁上粘敷岩屑 ， 形成“ 岩屑环” 致使钻孔孔径缩小 。因此 ， 起钻遇阻 时禁止强拉猛提卡住钻头， 避免卡钻事故。应上下 串动为主 ， 并 向井内送风倒划眼， 缓慢提出钻具 。 5 技术效果 经过 2 个钻孑 L 的施工取得 了良好的效果。井深 0～ 2 0 0 m采用常规泥浆钻井 ， 成本低 、 利润高 。 易实 施； 采空区以及上部漏失严重段 ， 钻孔采用空气潜孔 锤钻井工艺 ， 钻效高， 避免 了等水 、 制浆时间， 施工周 期短 ， 与常规泥浆钻井工艺相 比， 施工周期缩短三倍 以上； 生产中用水少 ， 降低 了生产成本 。同地 区、 同 层位 。 有两部井队采用常规泥浆钻井工艺 ， 每 口井的 施工周期 均在 4 5 d以上 ， 而且堵漏成本极 高。而采 用常规泥浆钻井工艺和空气潜孔锤钻井工艺相结合 钻井的井 队， 每 口井 的施工周期都在 7～l O d 。两种 不 同钻井工艺相结合 ， 显示了很好 的经济效益和社 会效应。 参考文献 [ 1 ] 李 云峰． 沁水 盆地煤 层气 钻井工 艺方法 『 J ] ． 中国煤 田地质 。 2 0 0 5 ， 0 6 ． f 2 ] 姬玉 平． 空气 潜孔锤 钻井工 艺在煤层 气井 中的应 用[ J 1 ． 中国煤 层 气 ． 2 0 1 2 ， 0 3 ． 上接第 7 1 页 1 以单／ 双井微测井的浅表层速度结构调查方 法， 可以查明有利激发层位分布范围和特征， 再结合 药柱长度 ， 保证在相对高速层 中激发 ， 有利于提高碳 酸盐岩山区单炮的信噪比。 2 在 以单炮信噪 比为核心的逐点井深设计基 础上 ， 采用适合检波器组合技术 ， 可以更好 的压制干 扰 ， 从而更有利于提高碳酸盐岩山区单炮信噪 比。 3 采用井 、 检组合 ， 可进一步提高激发能量 、 压 制干扰， 提高碳酸盐岩山区单炮信噪比。 4 针对页岩气 目标层 ， 采用小道距 、 高覆盖等 观测技术 ， 有利于进一步提高碳酸盐山区的剖面信 噪比及分辨率。 参考文献 『 1 ] 湖南省地质矿产局． 湖南省区域地质志l M ] ． 北京 地质出版社， 1 9 88 ． [ 2 】 游先军， 戴塔根 ， 息朝庄 ， 等． 湘西北下寒武统黑色岩系地球化学 特征l J l _大地构造与成矿学 ， 2 0 0 9 ， 3 3 2 3 0 4 3 l 1 ． [ 3 ] 蒋 裕强 ， 董大忠 ， 漆麟 ， 等 ． 页岩气储层 的基 本特征及其评 价【 J 1． 天 然气工业， 2 0 1 0 ， 3 0 1 0 7 - 1 2 ． f 4 】 刘振武， 撒利明， 杨晓， 等． 页岩气勘探开发对地球物理技术的需 要 石油地球物理勘探 ．2 0 1 1 , 4 6 5 8 1 0 8 1 8 ． f 5 ] 武建军， 贺建明， 曾维望． 黄土塬区煤田三维采区地震勘探采集技 术在王家岭矿区的应用[ J ] ． 中国煤炭地质 ， 2 0 1 2 ， 2 4 1 ． f 6 ] 蔺国华 ， 倪新辉， 杨文强． 煤田采区高分辨j维地震勘探激发参 数的优选l J 】 ． 中国煤炭地 质 ， 2 0 1 1 ， 2 3 1 O ． 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