采动影响区抽采钻井井身固化及抽采效果考察

高 翔

（霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西 霍州 031400）

对于低透气性煤层，施工地面瓦斯抽采钻井，不仅可以抽采采空区瓦斯，也可以抽采邻近煤层瓦斯，是解决回采工作面瓦斯超限的有效手段[1-3]。地面钻井作为治理瓦斯的主要技术之一，在世界范围内得到广泛应用，我国淮南、淮北、晋城、平顶山、唐山、潞安等矿区进行地面钻井抽采采动影响区瓦斯，并取得丰硕的成果[4-6]。

山西焦煤霍州煤电集团李雅庄煤矿在2-605工作面施工了地面钻井，主要对采空区瓦斯抽采，钻井施工参数参照2-612工作面地面钻井试验结果。在1#～3#钻井抽采过程中存在钻井稳定差，抽采浓度及纯量较低，不能有效发挥应有的瓦斯抽采作用。为了提高地面钻井瓦斯抽采效果，采取了直接窥视、影响因素分析和固孔技术改进等措施，抽采效果得到明显改善。

1 2-605工作面概况

李雅庄煤矿位于山西省南部临汾盆地北缘，系霍州矿区北端的一个井田，处在灵石隆起之什林挠褶断裂带北盘和霍山断裂带之西。该矿井为高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为41.91 m3/min。

李雅庄煤矿2-605工作面为1#、2#煤层合并开采区域，平均煤层厚度为3.35 m，节理较为发育，一般含1层夹矸，夹矸厚度0.14～0.4 m，夹矸以泥岩、炭质泥岩为主。煤层顶板覆岩以砂质泥岩和细粒砂岩互层为主，分层较多，部分区段煤层顶板50 m范围内分层多达34层。

2-605工作面煤层透气性系数为0.4625 m2/MPa2·d，钻孔流量衰减系数为0.043 d-1，属于可以抽采煤层。煤层原始瓦斯压力为0.696 MPa，原始瓦斯含量为6.314 m3/t，可解吸瓦斯量为5.08 m3/t。虽然经过本煤层顺层钻孔预抽瓦斯，但受工作面煤层松软、钻孔塌孔严重及透气性差等原因影响，本煤层钻孔预抽效果较差。在回采前工作面煤层瓦斯含量仍达5.564 m3/t，可解吸瓦斯含量达4.33 m3/t，残存瓦斯含量为1.234 m3/t，瓦斯压力为0.475 MPa。

图1 2-605工作面地面钻井布置

2 原钻井井身结构及抽采效果

2.1 原钻井井身结构

钻井整体结构为三次钻井设计，井身结构参见图2。一开采用Φ480 mm牙轮钻头，下D377 mm×10 mm无缝钢管，封固地表疏松层，水泥返高至地面，终孔位置钻过风化带岩层至基岩以下10 m位置。二开采用D311 mm钻头钻进至2#煤层顶板40 m处终孔，下D244 mm×8.94 mm套管，水泥返高至终孔以上200 m。三开采用Φ215 mm钻头扫孔，钻进至2#煤层底板5 m结束。确保钻井井身畅通。

2.2 原钻井抽采效果分析

2-605工作面1#～3#地面钻井抽采情况见表1。

表1 1#～3#钻井抽采情况

从表1可以看出，1#～3#地面钻井抽采效果较差，抽采浓度和抽采纯流量较低，没有发挥地面钻井应有的抽采效果。其中抽采效果相对较好的3#井，抽采浓度最大仅为9.6%，最大纯流量为8.34 m3/min，并且抽采时间和有效抽采距离短。而抽采效果较差的2#井，最大抽采浓度为2.8%，最大抽采纯流量为1.4 m3/min，有效抽采距离仅为14.2 m。由于抽采时间和有效抽采距离较短，存在抽采空白区，两个钻井不能有效接替，不能保证工作面的安全回采。

3 影响因素分析

由地面抽采钻井的布置方式和抽采原理可知，地面抽采钻井稳定性主要受外界客观因素和钻井自身结构的影响。外界客观因素包括地质条件、开采方式、覆岩移动等。由于钻井为采动后抽采采空区瓦斯，因此覆岩移动影响更为突出。钻井自身参数包括钻井位置、井筒直径、护井方式、井体结构等，钻井结构和位置的影响尤为重要[7]。

3.1 煤层顶板岩性分析

为对2-605工作面顶板岩性进行分析，采用YCJ90/360型矿用钻孔测井分析仪对各钻井进行直接观察，通过钻头顶部的摄像仪实时观看钻孔内裂隙发育、岩性变化等情况，通过自然伽玛射线放射原理对顶板钻孔进行岩性分析，结合测斜数据分析计算出各岩层厚度及层位。

分析4#钻孔2#煤层顶板地质剖面解释成果，回采工作面煤层顶板覆岩以砂质泥岩和细粒砂岩互层为主，分层较多。4#钻井所在区域煤层顶板50 m范围内分层多达34层，并且砂质泥岩层占主要地位。首先，软岩和硬岩分层较多，钻孔穿过其结合面时容易产生飘钻，严重影响钻孔轨迹的正确性。另外，地面抽采钻井施工在松软破碎泥岩层中，泥岩遇水易膨胀变形，钻井的稳定性易遭到破坏，严重影响钻孔的施工进度和成孔质量。

3.2 钻井窥视分析

对比分析2-605、2-612工作面地面钻井抽采情况，发现在同一采区不同工作面即使钻井布置位置相似的情况下抽采效果相差很大。为了对其进行分析，对2-605工作面各钻井使用期间进行窥视和测井，部分窥视及测井结果见表2。

表2 1#～3#钻井窥视及测井结果分析

从表2地面钻井窥视结果和层位描述可以看出，钻井变形破坏出现在厚而硬的细粒砂岩和薄而软的砂质泥岩的结合界面处，并且随着时间的推移其破坏结合界面存在由下向上发展的趋势。根据钻井测井报告及关键层的相关理论，可以将该层厚而硬的细粒砂岩作为关键层。

3.3 关键层影响效应分析

由关键层的相关知识可知，关键层对其上覆岩层起着很强的控制作用，其在变形破坏之前控制上覆岩层的下沉离层量。且由于关键层的存在上覆岩层结构的坚固程度得到一定的增加，使得采动影响半径增大，在关键层未破坏前会使其上覆岩层层间滑移位移量相对减少，即关键层之上部分套管发生剪切变形破坏的可能性减少。但正是由于关键层的存在导致其与下部软岩结合面容易发生破坏。主要是由于关键层和下部较软岩层在应力作用下发生离层下沉、滑移量是不同的，关键层下沉、滑移量小于其下部岩层，所以，关键层未遭到破坏时在其和下部岩层的结合面出现较大的离层、滑移，钻井的稳定性极易遭到破坏[8]。因此，进行钻井窥视时在关键层和下部软岩的结合面会呈现套管变形、孔径错位坍塌等现象。窥视结果也证实了利用关键层理论解释钻井变性破坏的准确性。

同时，根据2-605工作面“三带”发育高度研究，裂隙带高度在46 m左右，而2-605工作面关键层多在煤层顶板40 m左右，位于裂隙带的上部，随时间推移其稳定性易遭到破坏，使得离层、滑移量加剧。由动力学的理论可知，在动态作情况下起破坏作用更强，地面钻井套管也越容易发生破坏。关键层破坏后，上覆岩层离层、滑移加剧向上发展直至到上一关键层，钻井套管呈现和下一关键层相似的破坏形式。所以，在进行窥视时呈现工作面推过钻井不久，钻井在下部关键层和软岩结合面遭到破坏，而间隔一段时间再进行窥视时，钻井破坏发生在上一关键层和下部软岩结合处。

4 钻井结构优化及效果分析

根据以上分析可知，地面瓦斯抽采钻井抽采效果较差，主要是由于在煤层顶板关键层处生较大的离层下沉和滑移，而该层位一般位于三开阶段，为裸孔施工，钻孔的抗破坏能力较弱。另外，三开区段岩性变化较大，软岩和硬岩分层较多，受采动影响容易发生离层，进一步加剧井身变形破坏。为提高井身结构强度，减少因钻井变形破坏对抽采效果的影响，对三开的结构进行了改进，将三开裸孔施工改为下筛管加固，并根据4#钻井窥视结果（筛管有变形），对5#钻井三开筛管进行优化，在筛管内增加横梁支撑，进一步加强筛管的抗破坏能力，见图2。

图2 5#钻井井身结构

4#钻井和5#钻井的抽采情况见表3。从表3可以看出，地面钻井三开结构改进后，抽采浓度和抽采纯量均大幅的提高，抽采时间和有效抽采距离也明显增加，有效发挥了地面钻井应有的抽采效果。抽采平均浓度提高了1.5～4.5倍，抽采纯量提高了1.5～5 倍，回风隅角瓦斯浓度由0.62%降低至0.48%，回风流瓦斯浓度由0.54%降低至0.38%。钻井布井间距由60 m增加至100 m。有效抽采距离大幅度增加，能够接替至下一钻井。在减少工作面地面钻井数量，降低瓦斯治理成本的同时，瓦斯抽采效果显著提高，保证了该工作面后期的安全高效回采。

表3 4#～5#钻井抽采情况

5 结语

地面瓦斯抽采钻井受地质条件及采动影响，在关键层和软硬岩结合面易发生离层、滑移，井身易遭到变形破坏，不能有效发挥抽采效果。

在地面钻井三开下筛管后，抽采浓度和纯流量大幅提高，抽采时间和有效抽采距离显著增加，能和下一个钻井有效接替，降低了瓦斯治理成本，保证工作面安全回采。