煤矿采动区地面L型瓦斯抽采多分支井钻进关键技术研究

胡焮彭 栗子剑

中煤科工西安研究院（集团）有限公司 陕西 西安 710000

煤矿区瓦斯抽采技术是治理煤层瓦斯灾害的主要途径[1]。针对淮北矿区瓦斯治理问题[2]，各煤矿通常采用井下顺煤层钻孔、高抽巷抽采、地面瓦斯采动直井等常规瓦斯抽采技术，以保障煤矿生命周期全过程开采。但随着开采深度的不断延伸，存在井下治理周期长、采掘工序衔接紧张，地面瓦斯采动直井抽采范围较小、施工场地受限、整体成本较高、抽采效果不佳等问题[3-4]。为解决矿井生产安全和煤与瓦斯突出的矛盾，结合井下高位钻孔及地面直井抽采技术，提出在地面施工L型水平井，将水平段设置在沿煤层走向垂距合适的顶板中，通过煤层采动过程中的卸压增透影响，使上覆岩层裂隙带形成瓦斯释放及抽采通道。但地面L型井抽采技术往往会受到钻井施工质量的影响，也会因传统地面L型采动井覆盖面积的受限，从而影响抽采效率，导致无法充分满足抽采需求。为针对不同矿井对地面L型井井位布置及井身结构优化等方面的现实要求及成井技术难点，利用许疃煤矿某工作面地面L型瓦斯抽采多分支井工程，开展对地面L型瓦斯抽采多分支井高效钻进关键技术的分析研究，对于推动淮北矿区采煤采气一体化发展意义重大。

1 井位及层位优化选择

地面L型多分支采动井井位及井眼层位的优化布设对于煤层卸压瓦斯抽采效果尤为重要。根据矿区工作面具体条件与抽采需求，结合地面L型井稳定性及煤层瓦斯储集分布情况，从井眼钻进轨迹水平投影面及轨迹剖面两个方面对井眼位置布设及层位优选进行研究。

在轨迹水平投影面上，由于L型采动井瓦斯抽采机理与高抽巷瓦斯抽采机理相似，根据覆岩采动裂隙“O”型圈分布特征，将L型井双分支水平段设置在预采工作面“O”型圈范围内，距离回风巷近侧0.2-0.4倍的工作面采宽[5-6]；开孔位置位于工作面外侧，造斜段水平投影位置着陆在预计收作线处，有利于井眼抽采时间的增加和抽采范围的扩大。地面L型分支井平面布置如图1所示。

图1 地面L型井井位平面示意图

在轨迹剖面上，基于工作面采掘过程中覆岩移动规律及采动影响，结合应力扰动使煤层顶板垮落形成的冒落带、裂隙带、弯曲下沉带高度，确定水平段轨迹垂向的布设层位及终孔位置。井眼剖面轨迹层位设置考虑到距煤层顶板较近时，水平段筛管会受到上覆岩层位移影响，导致挤压变形甚至错断，无法形成抽采卸压瓦斯的有效通道；距煤层顶板较远时，裂隙发育程度较小，影响卸压瓦斯进入井筒内，使瓦斯量明显减少。为增加水平段井眼轨迹与裂隙带的接触面积，补充主支水平段的抽采盲区，使水平井的生产影响范围最大化，采用L型双分支结构形式。根据各工作面实际情况及煤层厚度、采高，通过导向钻进将水平段轨迹置于煤层顶板导气裂隙带中，双支下倾平行布置，主孔终孔位置进入冒落带上部，分支孔终孔位置位于裂隙带内，待工作面回采后使裂隙水与运移瓦斯实现分流，从而影响抽采效果。地面L型分支井剖面布置如图2。

图2 地面L型井轨道剖面示意图

2 关键技术优化

2.1 井身结构设计

分析所在区域岩层位移数据，保证直井段能够承受采场覆岩剧烈运动影响的同时，水平井段位于采动后裂隙发育联通区且不会发生垮塌堵塞[7-8]。根据淮北矿区地面采动井实践及邻井施工情况，考虑到采动区的拉剪综合破坏效应，地面L型井采用三开井身结构。一开钻进至基岩面以下30m，下Φ339.7mm表层套管，注水泥浆固井；二开钻进至煤层顶板岩层着陆，下Ф244.5mm技术套管，注水泥浆固井，封固上部不稳定地层及主要含水层；三开施工主支M，钻进至设计井深后，下入Ф168.3mm钢筛管洗井；起钻至设计位置下入可回收斜向器，进行套管开窗作业，开始分支L施工，钻进至设计井深后，下入Ф168.3mm钢筛管洗井，起出可回收斜向器，以保证主分支畅通。地面L型分支井井身结构如图3所示。

图3 地面L型井井身结构示意图

2.2 井眼轨迹优化与控制

井眼轨迹的优化与控制是实现轨道平面投影及剖面上在设计层位中延伸的关键。采用“螺杆马达+LWD/MWD”钻具组合进行定向钻进施工，先钻进小导眼预探标志层及目的层位参数，再结合录井信息及随钻测井数据优化调整二开着陆方案。三开将主、分支水平段轨迹控制在煤层上覆岩层中，根据覆岩垮落特征及“三带”的分布规律，使其在距煤层顶板3-8倍采高范围内延伸。为避免采气通道裂隙水集聚，出现“水锁”现象，影响瓦斯抽采效果，主、分支轨迹姿态均需保持下倾，实时监测各项参数精确控制井斜不得超过90°，使轨迹无过大起伏的同时，严格控制轨迹与煤层顶板的垂向间距。

2.3 侧钻开窗工艺

由于主井眼着陆后需保持水平段在目的层位的控制余量，从而垂距煤层较远，形成一段距离的抽采盲区，为补偿并扩大井眼影响范围，采用套管开窗侧钻技术[9]，节约整体成本的同时，提高瓦斯抽采效率。采用斜向器套管开窗技术[10]，引进可回收式斜向器，斜向器采用液压胶塞座封方式。选择两趟钻开窗工艺，即第一趟钻完成座封作业，第二趟钻下入铣锥完成磨铣套管开窗及修窗作业。开窗时下入铣锥控时钻进，先采用小钻压5-10KN，转速60r/min，根据上返岩屑及丈量开窗工具尺寸判断开窗进度并逐渐加压，确定开窗成功后，进行修窗作业。开窗铣锥技术参数如表1所示。

表1 铣锥技术参数表

2.4 筛管悬挂完井技术

为适应淮北煤田大部分矿井存在含水层的地质情况，以及保证在回采过程中卸压抽采通道的安全和贯通，采用一二开固井，三开悬挂筛管的完井方式，井底连接密封管与筛管引鞋。利用内外双层管柱结构，将筛管连接悬挂器悬挂装置下入裸眼井段，通过机械丢手完成悬挂器中心总成与悬挂装置的脱离。筛管完井管柱示意图如图4所示。

图4 筛管完井管柱结构示意图

筛管内部组合为抛光管（带喷孔）+冲管+悬挂器中心总成，采用拖动分段射流洗井技术，调配适当浓度活性水洗井液通过筛管孔眼流动冲洗筛管外井壁，以及清洗堵塞井筒末端的岩屑，破坏并清除钻井液泥饼，使裂隙瓦斯得到充分释放，并在侧钻点及钻井过程中煤层垮塌严重处进行定点洗井。洗井时间控制约10-12h，完成后用后置液顶替完井。

3 实验效果

以淮北矿区许疃煤矿某采掘工作面为例，进行了地面L型瓦斯抽采多分支井钻进关键技术应用。该工作面开采32煤层，煤层绝对瓦斯涌出量为4.88～8.89m3/min，平均6.20m3/min。将地面L型瓦斯抽采多分支井主、分支眼水平段平面位置布置于工作面回风巷向下65m；主井眼轨迹着陆后距离32煤顶板以上约42m，主井眼着陆后下倾，后延伸至垂距32煤顶约19m，末端进入工作面采空区附近冒落带，主支进尺1836m；分支井眼为弥补主井眼水平段前部抽采缺陷，优选开窗侧钻点为625m，开窗侧钻后使其轨迹落底垂距煤顶板约17m，分支进尺614m。主分支均下入钢筛管，规格为Φ168.3mm×8.94mm×J55，并完成洗井作业，回收斜向器后完井。

该井充分利用煤层卸压增透效应，使用负压抽采工艺，抽采瓦斯浓度平均可达47%，纯量最高达7.2m3/min，平均5.4m3/min，达到良好的瓦斯抽采效果，对工作面采掘过程中瓦斯威胁起到积极作用。

4 结语

（1）针对淮北矿区原有井下抽采措施及地面采动直井优缺点分析，进行地面L型瓦斯抽采分支井钻井关键技术研究，实现高效完钻地面L型多分支瓦斯采动井的施工，为采掘工作面瓦斯涌出问题提出优化解决方案。

（2）通过地面L型瓦斯采动井高效成井技术，使井筒抽采覆盖面积扩大，显著降低了回采工作面瓦斯涌出量及瓦斯浓度，解决采掘接替紧张局面。该技术为后期同类型瓦斯采动井提供一定借鉴经验，更易于在淮北矿区应用及推广。