晋城矿区穿采空区煤层气钻井技术难点及对策探讨

李国红

摘 要：本文主要研究分析了晋城矿区穿采空区煤层气钻井技术难点及对策。通过分析可知，采用空气潜孔锤钻井工艺施工煤层气穿采空区井，可有效解决因晋城矿区#3煤层采空后顶板垮落造成裂隙较大、井漏及井涌等难题;利用气体压力变化，可清除井内岩屑，防止坍塌掉块造成卡钻、埋钻事故;钻进时，通过调整注水量，实现岩屑、水、气自然分离，可有效防止采空区煤自燃，消除井口返渣扬尘，提高钻井效率，降低生产成本，实现下部15#煤层煤层气抽采。

关键词：煤层气采空区;钻井;晋城矿区

中图分类号：TE37 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）14-0086-03

Technical Difficulties and Countermeasures of CBM Drilling

Through Goaf in Jincheng Mining Area

LI Guohong

（The No.2 Team of Henan Coalfield Geological Bureau，Luoyang Henan 471023）

Abstract： This paper mainly studied and analyses the technical difficulties and countermeasures of CBM drilling through goaf in Jincheng mining area. Through analysis， it can be concluded that the application of air DTH hammer drilling technology in the construction of coal bed methane through goaf wells can effectively solve the problems of large fissures， well leakage and well gushing caused by roof collapse after goaf mining in Jincheng mining area. By adjusting the water injection rate， the natural separation of cuttings， water and gas can effectively prevent spontaneous combustion of coal in goaf， eliminate dust and slag return at wellhead， improve drilling efficiency， reduce production costs， and realize the extraction of coalbed methane from lower 15 # coal seam.

Keywords： CBM;goaf;drilling;Jincheng mining area

晉城矿区地处山西省沁水煤田南段，含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组，厚141m，共含煤7—11层（山西组1—3层，太原组6—8层），煤层总厚13.5m。其中，全区或局部可采煤层有6层，主要可采煤层为3#、9#和15#，15#煤层埋深500～600m。该矿区煤变质程度高，大部分为高煤级的贫煤和无烟煤，是我国优质无烟煤生产基地。该区煤层含气量高，煤层隔离、裂隙发育，煤的原生结构和割理保存好;同时，煤层气资源量较大，产出地质条件良好，也是我国煤层气开发最有成效的地区之一[1-5]。随着3#煤的采空，9#和15#煤层成为开采目标，但9#和15#煤层瓦斯含量较高[6]。晋城矿区矿井主要采用“垮落式长壁开采工艺”和“一次采全高”采煤工艺开采3#煤，采空后形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，高度可达60m，对穿越3#煤层采空区钻井施工带来极大困难[7]。

1 穿采空区钻井技术方案

因为采空区裂隙发育，工程地质条件复杂，目前穿采空区钻井主要采取空气潜孔锤钻井工艺。

1.1 井身结构

采用三开井身结构：一开Φ425mm钻头空气潜孔锤钻井开孔，钻入基岩10～20m完钻，下入Φ377.7mm的表层套管;二开Φ311.1mm的钻头空气潜孔锤钻进至3#煤层底板以下10～20m后完钻，下入Φ244.5mm的技术套管，水泥返高至3#煤层顶板，封固采空区段漏失层段;三开Φ215.9mm钻头空气潜孔锤钻进，钻穿15#煤层底板以下30m后完钻，下入Φ139.7mm生产套管，水泥返高至3#煤层顶板以上100m完井。

1.2 主要技术参数

三开井的主要技术参数如表1所示。

1.2 主要施工难点及技术措施

①采空区裂隙发育，工程地质条件复杂，钻遇时容易出现坍塌、掉块等现象，从而造成卡钻、埋钻事故。为防止事故发生，在钻遇距采空区60m，严密观察井口风量变化及岩屑排出情况，一旦发现漏风或岩屑排出量较少时，降低钻进速度，每钻进3m，快速将钻头提离孔底。根据气体理想状态方程，快速提升钻具，压强变小，体积迅速增大，可大幅度提高环空气体返速，利于岩屑排出孔底。反复操作2～3次，岩屑排出正常或上提无阻力可继续钻进。在钻至采空区时，应缓慢下放钻具，防止有较大空洞，发生大面积坍塌。在钻进采空区底板时，可能发生井口不返风现象，此时岩屑随风进入裂隙，可继续钻进，但应严密控制钻速，每钻进1m反复升降钻具，确保吹净岩屑、上提无阻力再进行钻进。钻进至目的层位后起钻时，应将钻头提离孔底5m后，逐步停止送风，防止岩屑快速下落卡钻[8，9]。

气体理想状态方程为：

[pV=nRT]                                   （1）

式中，[p]表示理想气体的压强;[V]表示理想气体的体积;[n]表示气体物质的量;[T]表示理想气体的热力学温度;[R]为理想气体常数。

②钻至采空区瓦斯溢出，有的甚至有一定压力，出现井喷现象，对施工设备及人员造成危险。为防止事故发生，一方面钻井设备要配置单闸板防喷器，井口安装五合一气体检测仪，正对井口安装大功率鼓风机，配置灭火器、沙堆等消防工具及应急救援器材;另一方面，加强现场管理，现场严禁烟火，易燃易爆品要远离井口，井口严禁用电或用防爆电器，井口严禁铁器敲击。一旦发现有瓦斯或其他有害气体超标时，若溢出量较小时，可打开鼓风机，浓度降至安全范围方可继续施工;若溢出量较大或压力较大，应及时关闭防喷器，安装井口装置，排采至安全范围时，再继续施工。

③采空区煤自燃。纯空气钻井，空气与采空区瓦斯气体混合，锤头与岩石的敲击及高压、快速的气流致使孔底产生高温，具备燃烧条件，安全隐患大。目前，防止采空区自燃采取的主要措施是采用氮气作为循环介质进行施工。该工艺能有效降低区域温度、防止煤层自燃，提高施工安全性。氮气施工除了空气钻井常规配备设备外，还需要配置制氮机、增压机等专用设备，极大地增加了施工成本[10，11]。

穿采空区钻井施工时，通过加注水或泡沫也可有效降低钻头区域温度，防止煤层自燃，且施工成本较低，也是在施工中普遍采用的技术方法。该方法的关键点在于加注水或泡沫剂的量，量少会造成湿黏的岩屑附着在井壁上，造成卡钻、埋钻等孔内事故;量大不利于碎岩及岩屑排出。加注水量使孔口排除岩屑与水气能明显分离，且岩屑比较干净，钻井效果最佳。同时，通过加注水或泡沫还能防止扬尘，减少污染。

④防尘及防环境污染。空气钻井，破碎的岩屑粉随高速气体排出，容易产生扬尘，对施工现场环境及周边环境造成影响。一方面，排渣口安装大型旋流除尘器，防止扬尘;另一方面，加注水或泡沫消除扬尘。

3 现场实践及施工效果

2018年，河南省煤田地质局二队共在该区域施工穿采空区钻井20余口，均采用注水空气潜孔锤钻井施工工艺，其中SHCK-181井出水量较大，其余井均为漏失。

现场采用的钻井设备有XSC400型徐工车载钻机和TSJ2000型水源钻机;空气动力设备是40m3/3MPa空气压缩机;注水和泡沫设备是ZKSY100-150型双缸双液注浆机（工作压力0～16MPa，最大注浆量10m3/h）。

SHCK-181井设计井深463.00m，3#煤层位置337.00m至342.00m，已采空。一开Φ444.5mm钻头钻进24.77m入基岩10m完钻，下入Φ377.7mm套管。二开用Φ311.1mm钻头钻进至288.00m左右开始地层含水，随着井深水量逐渐增大，钻进至310.00m时，补给量每小时约40m3，静止时水头高度约240.00m。钻进时，先将钻头下至距井底3～5m，用2台空压机送风，将钻孔底部水吹出井外，当出水量明显降低时，再加压进行钻进。钻进过程中不仅不影响效率，而且排岩屑效果较好。二开钻进至370.00m（穿过采空区28m）完钻，下入Φ244.5mm套管，固井，水泥浆返至259.00m（3#煤顶板以上78m），凝固后，用Φ215.9mm钻进至463.00m，下入139.7mm套管，固井完井。

其余穿采空区井钻进时均不含水，施工时通过加注水或泡沫剂进行施工。在二开Φ311.1mm直径钻头钻进时，采用2台空压机，风量60～80m3/min，注水量5～7m3/h，上返岩屑效果较好（见图1）;三开Φ215.9mm直径钻头钻进时，采用1台空压机，风量30～40m3/min，注水量3～5m3/h，上返岩屑效果较好。

通过加注水施工，现场均未出现煤层自燃现象，且现场无扬尘，施工效果较好。与氮气施工相比，消耗水量较多，但制氮机、增压机等设备投入降低，每口井降低施工成本20余万元，经济效益较高。

4 结论

①采用空气潜孔锤钻井工艺施工煤层气穿采空区井，可有效解决因#3煤层采空后顶板垮落造成裂隙较大、井漏和井涌等难题，实现下部15#煤层瓦斯抽排。

②在空气潜孔锤钻井过程中通过调整加注水量，实现井口排出岩屑、水及气体自然分离，既提高钻井效率，又防止煤层自燃，减少现场扬尘，施工效果良好。

③采用加注水进行穿采空区施工与用氮气进行穿采空区钻井相比，可降低生产成本，提高经济效益。

参考文献：

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[6]李俊峰.晋城矿区过采空区钻井抽采煤層气可行性分析[J].能源技术与管理，2014（3）：4-6.

[7]李兵，张永成，王森.穿越采空区氮气钻井工艺应用研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2019（2）：35-39.

[8]王廷.穿越多层采空区成井工艺在阳泉矿区的应用研究[J].能源与节能，2017（10）：167-168，192.

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[10]王森.注氮过采空区钻井技术研究[J].煤，2018（6）：66-68.

[11]闫泊计.过采空区井施工中煤体自燃问题的解决方案：以晋煤集团3号煤采空区为例[J].山西科技，2018（2）：105-107.