大口径瓦斯抽放井的工程实践

李志有

（山西省煤炭地质114勘查院，山西长治 046011）

大口径瓦斯抽放井的工程实践

李志有*

（山西省煤炭地质114勘查院，山西长治 046011）

瓦斯浓度超标是造成煤矿生产过程中事故频发的重要因素，直接威胁煤矿的安全生产，是煤矿灾害防治的重点对象。近年来，高瓦斯矿井开始大规模施工地面瓦斯抽放孔，通过地面抽放的方式降低瓦斯浓度，从而更加有效地保障了煤矿的安全生产。通过潞安集团余吾煤业最大口径1.6m的1号大口径瓦斯抽放井施工为例，详细陈述了大口径瓦斯抽放孔的施工工艺、工序和经验体会，有利于为今后同类工程施工提供借鉴。

瓦斯抽放井；施工工艺；大口径

余吾煤矿是潞安集团投资建设的一座大型现代化矿井，井田面积160.24km2，可采储量6.79×108t，主采3#煤平均厚度6m，设计年生产能力为800×104t。该矿为高瓦斯矿井，为了充分治理和利用井下瓦斯，该矿近年来通过施工大口径瓦斯抽放（管道井）的形式将井下瓦斯集中抽至地面瓦斯抽放泵站进行发电，以更好降低井下瓦斯、保障矿井安全生产。

1 工程概况

该井设计深度550m，钻遇地层包括：第四系50m、二叠系上石盒子组396m、二叠系下石盒子组54m、二叠系山西组30m，井身结构设计为：0～85m井径为Ø1600mm，85～550m井径为Ø1200mm，一开下入规格为Ø1300mm×20mm的螺旋管，二开选用规格为Ø920mm×18mm的直缝焊接的无缝钢管。施工过程中首先采用Ø215.9mm牙轮钻头无芯钻进施工先导井眼，再用Ø400mm、Ø700mm、Ø1000mm、Ø1200mm阶梯扩孔钻头分四级扩孔至终孔，完成下管、固井后，井口预留法兰待接入矿方瓦斯抽放系统投入使用。

2 钻进及扩眼

2.1 钻井液调制

化学处理剂采用钠羧甲基纤维素、腐植酸钾、烧碱和膨润土等材料，全井配置低固相钻井液，密度1.05～1.15g/cm3，粘度22～28s，失水量8～13，pH值8～9。在钻井过程中，要根据井内情况及时调整钻井液性能。

2.2 导向井施工

由于大口径瓦斯抽放井要求井底偏斜非常小，因此为确保井斜最小化、满足设计要求，本次施工分2个阶段进行，首先充分发挥了车载钻机机动性强、安装简便、成井速度快、垂直钻井能力强的优势，利用单位自有的美国雪姆T130XD型液压顶驱式车载钻机施工导向孔，采用Ø215.9mm牙轮钻头+满眼钻具和钟摆钻具无芯钻进施工先导井眼，同时在“吊打”的基础上使用随钻测斜仪进行连续测斜，确保了导向孔孔斜达到了设计要求，最终导向井施工深度达566m。

2.3 护壁钻进

考虑到该井黄土层较厚（50m左右），井径较大，容易发生黄土层垮塌，造成埋钻、孔塌等现象，钻进进入基岩2.0m后下入Ø1300mm×15mm螺旋钢管，并使用水泥浆进行固井封闭。

2.4 扩眼

目前大口径瓦斯抽放井的扩眼一般有2种形式，一种是先导孔与巷道贯通，采用自下而上干井反掘扩孔；另一种是先导孔到壁龛内一定位置（壁龛未挖掘），采用自上而下泥浆护壁扩孔。为了固井方便，我们采用了自上而下泥浆护壁扩孔形式，采用Ø400mm、Ø700mm、Ø1000mm、Ø1200mm组合钻头+塔式钻具组合进行分级扩眼，同时前一级扩孔可作为后一级扩孔的导向井。扩孔过程中，钻具组合采用“扩孔组合牙轮钻头+ Ø203mm钻铤（2根）+Ø600mm扶正器+Ø178mm钻铤（6根）+Ø159mm钻铤10根（90m）+Ø127mm钻杆+主动钻杆”的组合方式，钻进参数选用大水（F500泵）、大压（尽可能大，在机器允许范围内），同时因孔径偏大、外沿速率大，尽量采用中低钻速进行钻进。扩孔施工以ZJ-3200型水源钻机为依托，第一级采用Ø400mm钻头扩孔至566m，第二级采用Ø700mm钻头扩孔至566m，第三级采用Ø1000mm钻头扩孔至566m，第四级采用Ø1200mm钻头扩孔至566m。通过四级扩孔方式有效降低了施工过程中的工作难度，合理节约了材料的支出费用，但一定程度上增加了施工周期。

3 下管

3.1 下管前的准备工作

下管是大口径瓦斯抽放井成井过程中最为关键的环节之一，尤其余吾煤业1号大口径瓦斯抽放井套管规格Ø920mm×18mm、重量288t，对钻机提升能力、设备完好性和下管操作技术措施提出了非常高的要求。为确保下管工作顺利完成，专门成立了以钻探、焊接、采购、协调等人员为主的下管专业工作组，切实将方案设计、技术实施、总体协调、后勤配合等责任全面落实到了人头，实现了职责明确、统一指挥、协作配合的工作格局。

3.1.1 圆井

受GZ-3200型钻机转盘及井架尺寸的限制，扩孔尺寸最终为Ø1200mm，尽管Ø920mm井管与井壁间隙较大，但鉴于孔深较大，必须保证孔的垂直度，因此为保证下管顺利，先用钻头大于原钻进钻头的钻具进行通孔，再利用自制的圆孔器进行圆孔。圆孔器结构为：长度为11m的Ø920mm×18mm无缝钢管，将管体低端200～300mm直径收小20～40mm，并在管体距底端500mm处均布加焊3组保径肋骨合金（肋骨条厚100mm、长300mm，每组6个，每个肋骨条预先均布打眼焊接六方保径合金），探孔器直径小于钻头尺寸30～60mm，螺丝头焊接牢固，螺丝头上连接钻杆长度大于1.5m。通井时，在遇阻段即狗腿度较大处应轻压慢转，加长磨合时间，确保上下畅通无阻，才可继续往下进行，最后用同样程序加长探井器至18m长进行二次通井，保证下套管工作顺利进行。

3.1.2 套管验收和设备检修

通过大口径下管专业工作组、工程甲方和套管供应方共同组成的套管验收组对全部套管的直度、圆度和焊接质量进行了验收，将不合格的套管予以及时更换，验收通过后对套管逐根丈量、编号登记，同时配备定位杆和卡规定位夹具，将工作管预先按要求割好穿杠孔。为了确保下管工作的安全进行，钻机人员详细检查了钻机离合器、升降机制动带、钻塔等部位，同时对天轮、游动大钩、钢丝绳、绳卡、绷绳和拉力表保险绳等使用情况逐一进行了安全检查。

3.1.3 辅助加工

水泥浮塞制作：选1根Ø920mm套管（长度根据水泥浮塞在孔内的最大深度的抗压、抗剪强度外加安全系数来确定），用钢丝刷把套管内壁清理干净后，沿套管内壁焊接Ø8mm排条，增加水泥塞与套管壁的摩擦力，然后把水灰比为1∶8的水泥浆注入套管后凝72h，最后水泥塞上部做成漏斗状,以便于注浆钻具通过。这样做的优点有：一是下管回灌泥浆后，采用略小于套管内径的钻头钻穿水泥浮塞，不需打捞，安全隐患小；二是可以根据水泥浮塞的入井深度，制作时依据经验数据人为增减水泥浮塞的厚度，保证水泥浮塞有足够的摩擦力，以满足下管的需要。

井口帽制作：在钻杆、钢板（厚度大于30mm）、套管三体之间加焊三角钢板焊接加固，钢板上部外端配有压力表（大于10MPa），观察固井过程中水泥的上返和水泥凝固情况，井口帽上部钻杆预留大于1.5m、下部大于0.5m，中间钻杆为Ø127mm。

3.2 下管作业

准备工作结束后正式进行下管作业，由于套管重量高达288t，远远超出ZJ-3200型水源钻机150t的提升能力，为确保下管安全，本次下管依托500t吊车，采用割孔穿杠、下入浮塞、吊车提吊、钢丝绳牵引、对焊连接的综合下管法进行下管。具体根据负压平台高度，在不低于管口700mm处对称切割Ø180mm圆孔，穿入穿杠，用钢丝绳牵引、吊车起吊的方式起吊下管，第一根套管下部收口与顺孔管要求相同，分别在0.5m、1.0m和1.5m处对称预留4个Ø80mm的孔，为固井水泥预留通道，同时在套管外围6m段每隔0.5m处焊Ø6mm排条，为后期井内连接通风管使用用。然后将井管依次下入孔内，每根钢管在端口焊接3～5组扶正片，并通过测绘仪器和重锤法检验对接套管的垂直度，保证管口合缝、同心，然后再用J507焊条进行焊缝连接。同时通过系列计算决定在孔深280m处下入水泥浮塞，以抵消套管自重，确保下管安全。最终通过各方面的紧密配合，仅用4d就将重达288t重的Ø920mm套管下入了孔底。

4 固井

采用“上封口、下敞口”的办法，用双泵车固井。即：工作管到位后，下入Ø127mm钻杆带钻头钻穿水泥塞，并将Ø127mm钻杆下放至套管底部15m处，用圆形井口版封孔后，循环钻井液并洗孔。CTJC40-17Ⅱ电脑控制自动泥浆固井设备和下灰车到位后，依据井场条件合理布置安放位置，检查排浆设备、清水供给、下灰车辆满足固井要求和确保设备正常运转后，使用以上专业固井设备通过钻杆先注入3～5m3低密度前置液试循环，再连续注入比重1.70～1.80g/cm3的水泥浆280m3（与理论用量最终一致），根据井内泥浆返出量、泵压表变化掌握水泥返高情况，待水泥返出井口后，及时注入替浆液，固井程序结束后关闭阀门、憋压候凝24h，压力表指示归零后确定候凝48h后割开井口板，起出钻具，并用相应的钻头扫除水泥塞，观察套管内水位变化并确定止水充分后排水，固井成功。

5 结论与建议

（1）大口径瓦斯抽放井施工作为近几年兴起并大规模实施的工程项目，市场前景十分可观，但施工过程中难度大、风险大，钻井、下管、固井紧密相连，每一个环节都要高度重视，需要在施工过程中组建项目指挥部，实行统一领导、责任到人、服从大局、协同配合，确保施工各项工作顺利推进。

（2）施工过程中我们发现正循环扩孔泥浆上返速度慢、携带岩粉能力差，建议在今后大口径施工过程中采用气举反循环工艺，保证孔底干净、钻进效率高。同时要尽可能合理减少分级扩孔，以缩短工期，提升经济收益。

（3）采用浮力塞下管时，当孔径和孔深较大时，设计选用的套管要取样进行套管的侧向挤压试验，为设计水泥浮塞上部空管段的长度提供依据，以防止套管受压变形。同时确定水泥浮塞最大入井深度和上部空管段时，必须保证水泥浮塞的上部套管外壁受泥浆最大侧向压力小于套管试验的最大侧向压力，水泥浮塞上部空管段浮力的设计，必须保证留有20%的安全提升能力，以防出现特殊情况时可在现有设备范围内进行处理。

[1]王永全，崔秀忠，巩建雨.大口径瓦斯抽放井施工工艺[J].中国煤炭地质，2009，21（1）：65-70.

[2]杨文清，宋宽强，姚正民.大口径瓦斯抽放井施工技术[J].中国煤炭地质，2008，20（8）：77-78.

[3]袁志坚.提吊加浮力塞下管法在大口径瓦斯抽排孔的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2008（1）：27-29.

[4]山西省煤炭地质114勘查院.余吾煤业1号瓦斯抽放孔完井报告[R].山西省煤炭地质114勘查院，2013.

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1004-5716(2016)12-0014-03

2016-03-01

2016-03-07

李志有（1985-），男（汉族），河北崇礼人，现从事水文地质、煤层气施工、瓦斯抽放、灾害治理等方面的管理和技术工作。