穿采空区瓦斯抽采直井井身结构设计优化

黄 巍

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

为降低深部煤层开采期间瓦斯灾害事故风险，一般采用相关技术进行瓦斯灾害超前治理[1，2]。目前地面钻井瓦斯预抽与井下瓦斯抽采技术作为煤矿瓦斯灾害防治的两种主要手段[3，4]。由于井下瓦斯抽放钻孔施工受井下作业空间限制，因此，在地面实施钻井预抽瓦斯技术被广泛应用煤矿区瓦斯灾害超前防治[5-8]。

相比浅部煤层，深部煤层地面瓦斯预抽钻井需要穿越上覆浅部煤层开采后所形成的采空区，当钻进至采空区及紧邻层段时，极易造成钻井液漏失，甚至出现钻井液难以建立正常循环的情况。针对采空区及紧邻层段实施堵漏困难较大、成本较高，借鉴常规油气的空气欠平衡钻井技术，考虑利用空气作为循环介质钻进穿越采空区效果可能会较好[9]，然而利用空气循环介质钻进将会使得部分空气流入采空区及紧邻层段裂隙中，同时考虑到钻头冲击破岩产生高温、采空区及紧邻层段裂隙储存有高浓度瓦斯，完全满足瓦斯自燃及爆炸风险隐患条件[10，11]，为此，采用空气作为循环介质钻进穿越采空区无法实现。借鉴常规油气领域氮气欠平衡钻井技术，氮气作为一种相对密度、分子质量与空气极为接近，同时氮气作为一种惰性气体难以满足瓦斯助燃效果[12]，遂引入氮气作为循环介质进行穿越采空区及紧邻层段钻进。但是制氮成本较高，针对采空区地面瓦斯预抽采井全井段采用氮气钻进不现实，因此，笔者针对采空区地面瓦斯预抽采井进行了井身结构设计研究，针对不同井段设计采用不同循环介质的钻进方式，最终将研究成果在沁水盆地寺河矿区进行了成功应用。

1 煤层开采扰动区域划分

穿越采空区地面瓦斯抽采井的井身结构设计关键在于确定目标抽采煤层上覆煤层开采后形成的采空区、以及采空区所影响的紧邻层段扰动区域范围。上覆煤层回采结束后致使煤岩体及紧邻岩层的原始地应力平衡遭受破坏，使得地应力重新分布，造成采空区紧邻上下岩层变形[13]。煤层正常开采过程中，煤层顶板处于采前支撑压缩状态、相对于开采煤层受力方向向上，采后受拉膨胀和应力恢复、相对于开采煤层受力方向向下，基于多位学者研究将煤层开采后从顶板由下往上将采空区影响的紧邻上覆岩层移动变形与破坏划分为：垮落带、断裂带和整体弯曲下沉带，即为“上三带”[14-16]。煤层正常开采过程中，煤层底板处于采前负重压缩状态、相对于开采煤层受力方向向下，采后卸压膨胀和应力恢复、相对于开采煤层受力方向向上，基于多位学者研究将煤层开采后从底板由上往下将采空区影响的紧邻下覆岩层移动变形与破坏划分为：底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带，即为“下三带”[17-19]。煤层开采扰动区域“上三带”中的垮落带、断裂带与“下三带”中的底板导水破坏带作为采空区钻进过程严重漏失层段，为井身结构设计重点考虑对象。

2 井身结构设计

井身结构设计关键在于确定因煤层开采扰动所形成的顶板上覆垮落带、断裂带及底板导水破坏带的厚度，根据穿越的岩层情况确定具体井身结构设计及各井段钻井循环方式。

2.1 采空区紧邻上覆岩层扰动范围

采空区紧邻上覆岩层扰动区域主要包括顶板上覆垮落带、断裂带，其厚度主要受采煤厚度、扰动区域硬岩岩性比例系数、采煤工作面斜长、开采煤层深度等多因素综合影响[10]。针对垮落带和断裂带厚度可根据开采区域的地质采矿条件和实测数据分析确定，顶板垮落带与断裂带厚度经验计算公式分别见表1与表2[20]。表中，∑M为累计采厚，m；公式应用范围：单层采厚1～3 m，累计采厚不超过15 m；计算公式中±号项为中误差。

表1 顶板垮落带厚度计算公式

表2 顶板断裂带厚度计算公式

计算采空区紧邻上覆岩层扰动范围厚度，为了防止误差影响，根据相应上述公式两者相加之后的最大误差值确定，将扰动范围厚度适当增加。因此，具体采空区紧邻上覆岩层扰动范围厚度计算公式如下：

Hsr=Hk+Hli+11.4

(1)

式中，Hsr为采空区紧邻上覆岩层主要扰动范围厚度，m；Hk为顶板垮落带厚度，m；Hli为顶板断裂带厚度，m；11.4为上述顶板断裂带与垮落带对于坚硬岩性厚度计算公式最大误差值8.9与2.5之和，取最大误差范围值之和所求取的采空区紧邻上覆岩层影响带厚度较大，可以设计提前采用氮气钻进，能够降低水基钻井液施工过程中地层潜在漏失的工况。

2.2 采空区紧邻下覆岩层扰动范围

采空区紧邻下覆岩层扰动区域，设计氮气钻进过程主要研究底板导水破坏带厚度，其破坏程度主要取决于采煤工作面矿压作用和煤层底板的抗破坏能力，底板导水破坏带厚度主要受煤层开采深度、煤层倾角、煤层开采厚度及工作面斜长等多因素影响[11]。因此，煤层底板导水破坏带厚度计算公式如下[20]：

Hxr=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(2)

式中，Hxr为煤层底板导水破坏带厚度，m；H为煤层开采深度，m；α为煤层倾角，rad；L为采煤工作面斜长，m。

可将煤层底板导水破坏带厚度视为采空区紧邻下覆岩层主要扰动范围厚度。

3 井身结构优化和钻进方式优选

3.1 井身结构设计优化

穿越采空区钻井井身结构设计为四开次形式，井身结构如图1所示，一开采用∅425 mm钻头钻穿表层松散土层至稳定基岩10～20 m，下入∅377.7 mm表层套管，固井水泥浆返至地面；二开采用∅346.1 mm钻头钻进至上述的采空区紧邻上覆岩层扰动带顶，下入∅273.05 mm二开技术套管，固井水泥浆返至地面，为三开安全钻进创造条件，预防氮气循环钻进扰动致使“上三带”中的整体弯曲下沉带底部掉块，引起卡钻等复杂事故；三开采用∅241.3 mm钻头钻进至上述的采空区紧邻下覆岩层扰动带底，下入∅193.7 mm三开技术套管，位于采空区紧邻上覆岩层扰动带顶端套管外安装裸眼封隔器和反扣装置，反扣装置通过反丝连接上部套管，下套管结束，利用提动管柱方式触发坐封式裸眼封隔器，固井水泥浆返至采空区底表面，实施套管底部封固，固井候凝结束后，将反扣装置及其以上套管进行起出再利用；四开采用∅171.4 mm钻头钻穿目标开发煤层25～35 m完钻，预留25～35 m作为“口袋”，下入∅139.7 mm生产套管，固井水泥浆返至地面。

图1 穿越采空区钻井井身结构设计

3.2 钻进方式优选

对于上述全井段井身结构设计模式，进行各开次钻进方式优选。

1)一开钻进：采用水基膨润土泥浆钻井液循环钻进，调整泥浆护壁性能达到最佳，防止钻进过程井壁坍塌。

2)二开钻进：采用水基低固相聚合物钻井液循环钻进，优化泥浆滤失性能，适当加入高粘堵漏剂，防止钻进过程泥浆漏失。

3)三开钻进：将钻井循环介质改为氮气实施钻进，优选性能优良制氮机与增压机以达到满足钻进过程氮气循环能够将钻头破碎的岩屑携出井底。

4)四开钻进：采用水基无固相聚合物钻井液，钻进过程中钻井液不能添加任何损害煤储层性能特征的材料，尤其是高粘堵漏剂，但为了提高钻井液携岩性能，可以适当加入一定量的氯化钾材料提高钻井液粘度，更进一步改善破碎岩屑返排出井底效果。

为确保三开固井质量效果、反扣装置及其以上套管起出点封隔器密封情况，四开钻进之间必须进行全井筒内试压10 MPa，30 min内压降不小于0.5 MPa，视为三开固井质量合格及封隔器密封情况较佳，方可进行四开钻进作业。

4 工程应用

以沁水盆地寺河矿区所施工的一口穿越采空区地面瓦斯抽采井为例，进行了井身结构设计应用。矿区主要开采煤层为3#、9#与15#煤，煤层中瓦斯含量普遍较高，通常为5～25 m3/t，在整个矿区一定范围内，3#煤层经过大量开采形成了采空区，9#与15#煤成为了开采目标煤层，开采之前需要进行地面瓦斯抽采。因此，地面瓦斯抽采井钻进需要穿越3#煤层采空区，对目标煤层进行“先抽采后采煤”，以降低煤层瓦斯含量，保障煤矿安全生产。3#煤层平均采厚为6.31 m，9#煤层平均可采厚为1.2 m，15#煤层平均可采厚为2.5 m，各煤层倾角平均值为5°，煤层开采深度为530 m，工作面的长度为230 m，根据地质资料可推断出3#开采煤层上覆岩层扰动带岩性主要为砂岩、砂质泥岩等，单轴抗压强度为25～38 MPa，属于中硬性岩层带。

寺河矿区穿越采空区地面瓦斯抽采井身结构通常设计为三开结构，一开采用∅425 mm钻头、水基膨润土泥浆钻至基岩10～20 m，下入∅377 mm套管，固井水泥浆返至地面；二开采用∅311.15 mm钻头、水基钻井液根据经验钻进至采空区顶以上50 m或漏失量大于10 m3/h，然后更换氮气作为循环介质钻进至采空区底板以下20 m，下入∅244.5 mm套管，固井水泥浆返至采空区；三开采用∅215.9 mm钻头、水基钻井液钻进至完钻，下入∅139.7 mm套管，固井水泥浆返至地面。该常规井身结构设计对于二开井段采空区影响带估算仅依靠前期钻井经验，同一矿区不同井位可靠性较差；二开钻进中不封固水基钻井液钻进井段直接更换氮气循环介质钻进，会造成氮气循环钻进扰动致使“上三带”中的整体弯曲下沉带底部掉块，引起卡钻等复杂事故。

为解决上述问题，基于通过相应岩层扰动带计算式(1)与式(2)可得出：上覆岩层扰动带总厚度为78.1 m，下覆岩层扰动带总厚度为25.8 m。该矿区本口穿越采空区地面瓦斯抽采井顶板以上78.1 m、底板以下22.73 m及煤层采空区段厚6.31 m为钻井液漏失严重层段，该层段总长度为107.14 m。因此，实际钻进至该井段采用氮气作为循环介质进行钻进。最终本井一开、二开及四开井段采用水基钻井液体系以较小漏失量钻进，三开井段采用氮气循环介质钻进一次性高效顺利穿越采空区完钻。

5 结 语

精准获得目标抽采煤层上覆煤层开采后形成的采空区、以及采空区所影响的紧邻岩层段扰动区域范围对于穿越采空区地面瓦斯抽采井井身结构设计至关重要。将采空区紧邻上覆岩层扰动区域垮落带、断裂带层段与紧邻下覆岩层扰动区域底板导水破坏带层段的井段作为钻井漏失层段，设计该井段采用氮气作为钻井循环介质能够有效建立地面与井底循环，将钻头破碎岩屑携带出井底。全井段综合采用水基钻井泥浆与氮气作为循环介质钻进能够有效降低钻井成本，实现一次性高效顺利穿越采空区完钻。基于井身结构设计优化成果成功应用于沁水盆地寺河矿区的一口穿越采空区地面瓦斯抽采井，为后续实施诸类穿越采空区地面瓦斯抽采井钻井工程提供了借鉴经验。