地面垂直采空区抽采钻井井口连接装置故障处理及改进

沈忠武

(铁法能源有限责任公司,辽宁 112700)

1 引言

铁法矿区煤层属于低透气性、高瓦斯含量复合煤层,煤层透气性系数介于1.10×10-5～3.49×10-2m2/MPa2·d之间,煤层瓦斯压力介于0.85～3.92MPa之间。为解决采煤工作面回采期间瓦斯超限的问题及提高瓦斯抽采率,基于对低透气性煤层顶板受采动影响下的移动规律的研究,铁法矿区于1995年通过联合国UNDP项目率先在国内应用地面垂直采空区钻井进行了地面瓦斯抽采技术的示范。通过16年的实践,证明这项技术在铁法矿区瓦斯抽采和利用中应用非常成功,产气效果较好,单井抽采量在15m3/min左右,抽采浓度40%～70%。到目前为止,全矿区共有100口此类钻井,均布置在高瓦斯含量区。图1为该种结构钻井的设计图。

但是,这种结构的钻井初期井口连接装置,如图2所示,当厚煤层的采煤工作面采过后,由于地层的下沉,钻井中的技术套管下沉量超过地层的下沉量,将井口连接装置损坏,使井下瓦斯抽采量和浓度降低,严重的影响瓦斯利用。如大兴矿S5-711采场3#钻井的技术套管在一个多月内下沉三次,下沉量达500mm,将井口连接装置严重损坏,瓦斯浓度由50%降到20%。

针对钻井初期井口连接装置易损坏的现象,通过对损坏的井口连接装置的故障处理,对钻井井口连接装置按薄、厚煤层钻井进行了改进,取得了明显的效果。

2 抽采钻井井口连接装置的故障处理方法

钻井井口连接装置的故障处理方法根据现场损坏程度及部位的不同处理方法也不同,本文列举两种典型的故障处理方法来说明。

图1 地面垂直采空区抽采钻井设计示意图

图2 地面垂直采空区抽采钻井初期井口连接装置示意图

2.1 胶管连接火电焊处理法

在处理大兴矿S5-711采场3#抽采钻井井口连接装置故障时采用了此方法。施工过程如下：

①用钢锯将技术套管上的坏弯头锯掉;

②将导气装置下入技术套管内 (如图3所示),导气装置的上部灌入一定量的水,让钻井立孔内的瓦斯通过导气装置的导管排至作业坑外,使导气装置的上部及作业坑的瓦斯浓度不超过0.5%,满足施火焊的条件;

③用一长800mm的短管与技术套管的锯口进行焊接,焊完后抽出导气装置,再用φ200mm的胶管与横管的弯头相连接 (如图4所示)。

处理前,抽采钻井井口连接装置为硬连接,地面管路与立孔技术套管间的连接由伸缩节、阀门和弯头连接。此连接在垂直方向上没有伸缩量,如技术套管下沉将损坏伸缩节或弯头。

图3 钻井井口连接装置故障处理时导气示意图

处理后,抽采钻井井口连接装置为软连接,地面管路与立孔技术套管间的连接由弯头、阀门和胶管连接。由于胶管留出足够量,在垂直方向上有一定的伸缩量,如技术套管下沉不会损坏抽采钻井井口连接装置。

图4 抽采钻井井口连接装置故障处理后示意图

施工整个过程除动火焊期间作业地点风流中无瓦斯外,其他施工过程作业地点风流中存在一定浓度的瓦斯,存在安全隐患。

2.2 不动火电焊插接处理法

在处理晓明矿N2-403抽采钻井井口连接装置故障时采用了此方法。其方法是 (如图5所示)：钻井技术套管外管径为 φ177.8mm,内管径为φ163mm,重新制作井口连接装置,与技术套管连接的管采用φ159mm的管路,采用插接法,重叠部分为800mm。修复时,将损坏三通连接装置取下,用导气装置将钻井内的瓦斯先引到工作现场以外,新井口连接装置φ159mm的管路底部用防水胶带缠好,缠绕三段,圈数由下至上逐段增加,最大圈的直径不超过立孔管φ177mm的内径 (φ163mm),然后将缠好胶带的φ159mm的管路插入钻井技术套管φ177mm内800mm深,最后在两管路缝隙间灌入大量冷补胶,将管路缝隙封严。

图5 抽采钻井井口连接装置采用插接式故障处理后示意图

在施工现场不需要动用火电焊焊接断口,杜绝了作业时引发火灾的危险,确保工作现场的安全,保证了人身安全。

3 抽采钻井井口连接装置的改进

针对钻井初期设计的井口连接装置易损坏的弊端,我们对地面垂直采空区抽采钻井井口连接装置进行了改进。对于施工在厚煤层的地面垂直采空区抽采钻井,考虑到钻井中的技术套管下沉量大,采用了如图5的井口连接方式。钻井完孔后,钻孔没有受到采动影响,钻井内还没有瓦斯涌出,在钻井技术套管上端焊一法兰,再接一个带取样阀的三通,三通与地面管路间的连接由胶管和阀门连接,由于胶管留出足够量,在垂直方向上有一定的伸缩量,既防止了技术套管下沉不会损坏抽采钻井井口连接装置,又解决了修复损坏钻井井口连接装置过程中火焊引起瓦斯燃烧或爆炸及人员窒息的危险。

图6 地面垂直采空区抽采厚煤层钻井井口连接装置示意图

图7 地面垂直采空区抽采薄煤层钻井井口连接装置示意图

对于施工在薄煤层的地面垂直采空区抽采钻井,如小青矿W2采区各采场,采高为1.4m左右,考虑到钻井中的技术套管下沉量很小,采用了如图6的井口连接方式。

4 结语

对地面垂直采空区抽采钻井井口连接装置进行改进后,近一年没有发生抽采钻井井口连接装置损坏现象。改进后的井口连接装置大大提高了安全可靠性,但是,我们不能忽视地面垂直采空区抽采钻井的检查,发现抽采浓度降低、负压降低和泵站抽采量突然增大,要对系统内每一个抽采钻井井口连接装置及管路进行仔细检查。另外,在进入抽采钻井的阀门井检查井口连接装置或取样前,必须由外到里逐步检查井内的瓦斯浓度不超过0.5%,方可进入阀门井内进行检查。

[1] 李国君,刘正国.铁法矿区煤层气甲烷资源开发的理论基础 [J].铁法科技,2011,1：3-5.

[2] 沈忠武.原始煤层压裂井采气中的技术管理 [J].中国煤层气,2010,7(1)：26-29.

[3] 中华人民共和国建设部.城镇燃气运行.维护和抢修安全技术规程 (CJJ51-2006)[Z].2006-11-29.

[4] 国家安全生产管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程 [Z].2011-1-25.