穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术.pdf

33through goafJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):33-38.移动扫码阅读LIUXiugang,ZHANGQiang,CUIWanhao.Key drilling technology of L type gasextraction horizontal well(8):33-38.刘修刚，张强，崔万豪.穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术J.煤矿安全，2 0 2 3,54SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤药发全No.8Vol.54第8 期第54卷D01:10.13347/ki.mkaq.2023.08.007穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术刘修刚1.2.3,张强3，崔万豪3（1.中国矿业大学（北京），北京1 0 0 0 8 3；2.煤炭科学研究总院，北京1 0 0 0 1 3；3.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安7 1 0 0 7 7）摘要：为了深部煤层开采之前能够高效超前抽采瓦斯，保障深部煤层安全开采，L型水平井钻进技术成为地面瓦斯抽采的主要方法之一。针对穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进施工存在的诸多困难，主要从井身结构设计、穿越采空区氮气钻进技术、水平段钻进轨迹控制技术3个方面，进行了穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究。将关键技术研究成果成功应用于了M矿区1 口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井，高效顺利完钻了该井施工，使得目标深部煤层水平段钻进的钻遇率约为90%。关键词：地面深煤层瓦斯抽采；L型瓦斯抽采水平井；穿越采空区钻进；氮气钻进；岩层扰动带中图分类号：TD41文献标志码：B文章编号：1 0 0 3-496 X(2023)08-0033-06Key drilling technology of L type gas extraction horizontal well through goafLIU Xiugangl-2.3,ZHANG Qiang,CUI Wanhao3(1.China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.China Coal Technology and Engineering Group Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xi an 710077,China)Abstract:In order to efficiently extract gas in advance before the deep coal seam mining and ensure the safe mining of the deepcoal seam,the L-shaped horizontal well drilling technology is one of the main methods of surface gas drainage.There are manydifficulties in drilling horizontal well for L-shaped gas drainage through goaf,which is one of the important research topics of coaland gas co-mining in coal mining area.Mainly from the three aspects of well structure design,nitrogen drilling technology throughgoaf,and drilling trajectory control technology in horizontal section,the key technology research of L-shaped gas drainagehorizontal well drilling through goaf is carried out in detail.The research results of key technologies were successfully applied toan L-shaped surface gas extraction well through goaf in M mining area,and the well was efficiently and smoothly drilled,makingthe penetration rate of horizontal section of target deep coal seam about 90%.Key words:surface deep coal seam gas drainage;L-type gas drainage horizontal well;drilling through goaf;nitrogen drilling;rockformation disturbance zone煤炭资源开采主要以下行式模式为主，随着埋深较浅煤层大规模不断开采，逐渐转向其下覆深部煤层1-3。为降低深部煤层开采之间的瓦斯灾害事故风险，遂需要相关技术进行瓦斯灾害超前治理，地面进行瓦斯预抽采技术被广泛应用4-6 。相比于浅煤层的地面瓦斯预抽采技术，深煤层瓦斯抽采技术主要区别在于钻进过程需要穿越上部浅煤层开采后形成的采空区域。基于此，针对穿越采空区L型瓦斯收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 3责任编辑：李力欣基金项目：中煤科工西安研究院（集团）有限公司技术创新基金资助项目（2 0 2 0 XAYJS09）作者简介：刘修刚（1 991 一），男，陕西西安人，工程师，博士研究生，主要从事非常规油气钻完井及水文地质方面的研究工作。E-mail：1020427510qq.c0m34Safety inCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54卷抽采水平井钻进施工存在的诸多困难，主要从井身结构设计、穿越采空区氮气钻进技术、水平段钻进轨迹控制技术3个方面进行了穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究。井身结构设计从煤层开采扰动带划分、井身结构设计思路、煤层开采扰动带厚度计算、井身结构与钻进方式优化设计等方面详细研究；穿越采空区氮气钻进技术从氮气钻进适用性分析、氮气钻进井段设计、氮气钻进工艺及装备及钻进参数设计等方面详细研究；水平段钻进轨迹控制技术从水平段地层对比技术与方位伽马随钻测量技术2 方面详细研究。将穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究成果成功应用于了M矿区一口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井，高效顺利完钻了该井施工，使得目标深部煤层水平段钻进的遇率为9 0%，为后续实施穿越采空区L型瓦斯抽采水平井的施工提供了一定借鉴经验，1井身结构设计1.1煤层开采扰动带划分常规L型瓦斯抽采水平井的井身结构设计并不适合于穿越煤矿采空区L型瓦斯抽采水平井，穿越采空区L型瓦斯抽采水平井井身结构设计必须考虑上覆煤层回采结束后所形成的采空区、回采扰动紧邻岩层段区域范围。上覆煤层回采结束后致使煤层及紧邻扰动岩层原始地应力平衡遭受破坏，地应力重新分布，使得煤层采空区的紧邻上下岩层段变形。煤层正常开采过程中，煤层顶板处于开采前支撑压缩状态、相对于开采煤层受力方向向上，开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扰动紧邻顶板及以上岩层带划分为“上三带”7-9,由顶板从下覆岩层段往上依次称为：落带、断裂带和整体弯曲下沉带。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，开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扰动紧邻底板及以下岩层带划分为“下三带”1 0-I,由底板从上覆岩层段往下依次称为：底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带。穿越采空区钻进至煤层开采扰动区域“上三带”中的垮落带、断裂带、煤层采空区及“下三带”中的底板导水破坏带的水基钻进过程可能造成泥浆严重漏失，甚至出现泥浆失返，为此井身结构设计必须重点考虑煤层开采扰动带中的垮落带、断裂带、煤层采空区及底板导水破坏带范围。1.2井身结构设计思路考虑采用水基泥浆钻进至顶板上覆垮落带、断裂带、煤层采空区及底板导水破坏带层段时，泥浆将出现漏失严重现象，甚至无法建立正常泥浆循环。因此，针对上述层段钻进设计更换相比与水基泥浆体系密度更小的气体或泡沫作为循环介质，以减小漏失情况及降低煤层采空区井段的泥浆失返可能性，其他层段采用水基泥浆体系，以此力求实现全井低成本安全高效穿越采空区钻进。井身结构最优设计关键在于确定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范围，才能确定具体井身结构设计及各井段钻井循环方式。1.3煤层开采扰动带厚度1.3.1煤层采空区紧邻上覆顶板岩层扰动带厚度煤层开采扰动的顶板垮落带、断裂带范围厚度主要受控于采煤厚度、扰动带硬岩岩性比例系数、采煤工作面斜长、开采煤层深度等多因素综合影响8。因此，对于顶板垮落带和断裂带厚度可根据煤层开采区域的地质采矿条件和实测数据分析确定。一般情况下工程施工设计中通常采用经验公式预算扰动带厚度1 2 ,顶板垮落带厚度计算公式见表1,顶板断裂带厚度计算公式见表2。表1 J顶板垮落带厚度计算公式Table 1(Calculation formula for the thickness ofthe caving zone of the roof单轴抗压上覆岩性计算公式强度/MPa坚硬4080Hk=100ZM2.5（石英砂岩、石灰岩、砾岩）2.1ZM+16中硬100ZM（砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、2040Hk=2.24.7ZM+19页岩）软弱100ZM1020H1.5（泥岩、泥质砂岩）6.2ZM+32极软弱100ZM（铝土岩、风化泥岩、黏土、10Hk=1.27.0ZM+63砂质黏土）注：H为顶板垮落带厚度，ZM为累计采厚；公式应用范围：单层采厚为1 3m，累计采厚不超过1 5m；公式号项为中误差。利用经验公式求取煤层开采的顶板扰动带厚度，为了避免误差影响，以及有效实现全井段正常循环钻进，岩屑高效返排效果。因此，根据相应上述公式两者相加之后的最大误差值确定，具体计算公式如下：35SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤防发全Vol.54No.8第8 期第54卷表2顶板断裂带厚度计算公式Table2Calculation formula for the thickness ofthe fracture zone of the roof单轴抗压上覆岩性计算公式强度/MPa坚硬4080Hi=100ZM8.9（石英砂岩、石灰岩、砾岩）1.2ZM+2.0中硬100ZM（砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、2040H5.61.6ZM+3.6页岩）软弱100ZM1020Hi4.0（泥岩、泥质砂岩）3.1ZM+5.0极软弱100ZM（铝土岩、风化泥岩、黏土、10Hi=3.05.0ZM+8.0砂质黏土）注：Hi为顶板垮落带厚度，ZM为累计采厚；公式应用范围：单层采厚为1 3m，累计采厚不超过1 5m；公式+号项为中误差。Hsr=Hk+Hli(1)式中：Hs为煤层采空区紧邻上覆顶板岩层主要扰动范围厚度，m;Hk为顶板垮落带厚度，m;Hi为顶板断裂带厚度，m。1.3.2煤层采空区紧邻下覆底板岩层扰动带厚度煤层开采扰动的底板导水破坏带，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综合影响，工程施工设计通常采用的经验预算底板导水破坏带厚度计算公式如下1 2 .Hx=0.008 5H+0.166 5+0.107 9L-4.357 9(2)式中：H为煤层底板导水破坏带厚度,m;H为煤层开采深度，m;为煤层倾角，rad；L 为采煤工作面斜长,m。1.4井身结构与钻进方式优化设计基于上述煤层开采扰动带划分、厚度计算结果等，同时为有效实现全井低成本安全高效穿越采空区钻进，穿越采空区L型瓦斯抽采水平井井身结构设计为四开形式：一开设计：425mm钻头钻穿表层松散土层至稳定基岩1 0 2 0 m，采用水基膨润土泥浆循环介质钻进，调整泥浆护壁性能达到最佳，防止钻进过程井壁塌，下入钢级J55、尺寸377.7mm表层套管，固井水泥浆返至地面；二开设计：311.15mm钻头钻进至上述采空区紧邻上覆顶板岩层扰动带顶，采用水基低固相聚合物泥浆循环钻进，优化泥浆滤失性能，适当加人高黏堵漏剂，防止钻进过程泥浆漏失，然后起钻更换氮气为循换介质钻进，优选出满足性能要求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或携带至采空区内，直至钻进到上述采空区紧邻下覆底板岩层扰动带底，下人钢级J55、尺寸273.1mm二开技术套管，固井水泥浆返至采空区底表面，实施套管底部封固，为三开安全钻进创造条件，三开主井眼钻进之前，设计152.9mm钻头实施导眼孔钻进，旨在通过导眼孔钻进提前获取目标煤层及顶底岩层特性参数，为着陆点设计与实时监测井眼轨迹是否沿目标煤层延伸提供判别依据；三开设计：241.3mm钻头钻进至目标煤层，采用水基低固相聚合物泥浆循环钻进，下入钢级J55、尺寸193.7mm三开技术套管，三开技术套管下至距离目标煤层以上3 5m，有助于四开水平段钻进人窗的井斜角调整，固井水泥浆返至地面；四开设计：171.5mm钻头钻进，采用水基无固相聚合物钻井液，钻进过程钻井液中不能添加任何损害煤储层性能特征的材料，尤其高黏堵漏剂，但为了提高钻井液携岩性能，可以适当加人一定量的氯化钾材料提高钻井液黏度，更进一步改善破碎岩屑返排出井底效果，进人目标煤层后顺煤层钻进，钻进至设计井深后下人钢级N80尺寸139.7mm生产套管，四开套管采用不固井方式完井。2穿越采空区氮气钻进技术2.1氮气钻进适用性分析采用水基泥浆钻进至采空区及紧邻顶底板扰动带层段时，极易于出现钻井泥浆漏失严重现象，岩屑返排困难，甚至无法建立正常泥浆循环，实施堵漏困难较大、成本较高。因此，借鉴常规油气的空气欠平衡钻井技术优势，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，然而利用空气循环介质钻进将会使得部分空气流人采空区及紧邻层段裂隙中，附加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含量、空气接触等完全满足自燃及爆炸风险隐患条件1 3-1 4,为此，考虑采用空气作为循环介质钻进穿越采空区无法实现。引人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1 5,遂引入氮气作为循环介质穿越采空区及紧邻顶底板扰动层段钻进，然而制氮成本较高，穿越采空区L型瓦斯抽采水平井全井段利用氮气钻进不现实，因此需要合理优化各井段钻36Safetyiin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤砺发全Vol.54第54卷第8 期井循环方式。2.2氮气钻进井段设计基于上述氮气钻进适用性分析，穿越采空区L型瓦斯抽采水平井全井段采用氮气钻进成本较高，为此需要进行氮气钻进井段优选设计。煤层开采扰动区域“上三带”与“下三带”因原始平衡地应力遭受破坏，岩体将产生次生裂隙，然而其中整体弯曲下沉带、有效隔水层保护带和承压水导升带的次生裂隙较为不发育，水基泥浆钻进时，泥浆漏失量较小，能够形成正常循环钻进，岩屑上返正常；其中垮落带、断裂带和底板导水破坏带次生裂隙比较发育，水基泥浆钻进时，泥浆漏失量严重，甚至会出现泥浆失返。因此，设计垮落带、断裂带、煤层采空区和底板导水破坏带的厚度累计相加值井段为氮气钻进井段。2.3氮气钻进工艺及装备二开采用水基泥浆钻进至断裂带顶部，起钻更换氮气为循换介质钻进，井底下人钻具组合，钻具每下入井底50 m，启动氮气钻进相关设备，将井内钻井泥浆液柱利用氮气吹出井底，直至钻具组合下人至井底断裂带顶部。为防止氮气循环正常钻进过程发生井下复杂工况，如卡钻、钻具上提下放困难等问题，设计氮气钻进于断裂带与落带时，每钻进30 cm，倒划眼上提钻具组合5 6 m，然后继续钻进，如此循环往复；钻进至采空区顶部时，每钻进50cm，倒划眼上提钻具组合至采空区顶，待破岩屑回落埋井眼，然后再钻，如此循环往复，直至钻进至底板导水破坏带底部二开完钻。采用空气潜孔锤钻进采空区及扰动顶底板岩层带易于造成震击扰动地层，诱发井壁掉块垮塌埋钻现象；利用空气螺杆定向钻进，若发生井底复杂工况，事故处理难度较大且成本较高。因此，设计氮气钻进之前，必须将井斜角调至设计角度，氮气钻进井段优选常规钻具组合：311.15mm三牙轮钻头+双母接头+127mm加重钻杆串+127mm钻杆串，复合旋转钻进整个设计氮气作为循环介质井段。采用氮气穿越采空区钻进的主要设备有：空压机、制氮机、增压机、旋转防喷器及除尘装置1 6 ,上述设备实现氮气循环钻进依次为空压机、制氮机、增压机，增压机的终端与安装旋转防喷器的井口连接，氮气循环钻进返出岩屑进人除尘装置进行处理，最终排入泥浆池。2.4钻进参数注氮量与供氮压力为氮气循环钻进的2 个主要参数，注氮量主要取决于工作面采空区漏风量和制氮机供氮能力，供氮压力主要取决于最大输氮量、管径及管路直径，注氮量与供氮压力计算公式为1 6 ：Ci-C2QN=60KQ0Cn+C2-1(3)式中：Q为注氮量，m/min;Q。为采空区氧化带内漏风量，m/min;Ci为采空区氧化带内平均氧气体积分数，取1 5%；C2为采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界氧气体积分数，取7%;Cn为注人的氮气体积分数，取97%；K为备用系数，取1.2 1.5。50.00560Do入L;+P2(4)maxP121 000D;入式中：pi为供氮压力，MPa;Qmx为最大输氮流量,m/h;D。为基准管径,mm;D；为实际输氮管径，mm;入；为实际输氮管径的阻力损失系数；入。为基准管径的阻力损失系数；L；为相同直径管路的长度，m;p2为管路末端的绝对压力，MPa。3水平段钻进轨迹控制技术3.1水平段地层对比技术水平段地层对比技术主要依靠邻井与本井导眼孔实钻的地质、测井、录井及钻井资料，优化本井钻进区域等值线图，精细对比层位划分出标志层，初步估算着陆点附近区域地层倾角。根据估算的煤层倾角，优化钻井设计轨迹，使主井眼着陆点井斜角与估算的地层倾角走向一致。根据邻井与本井导眼孔实钻井资料所估算的着陆点地层倾角，是在等深推测法下进行地层对比，不考虑水平位移对区域煤层垂深的影响，然而实钻煤层构造多存在微小褶皱变化,致使等深推测法精确度较差1 7-1 8。因此,在主井眼实际钻进及着陆过程，需要通过随钻测量的地质数据及时对井轨迹参数进行调整，准确计算地层倾角和着陆井斜角。3.2方位伽马随钻测量技术通过采用方位伽马随钻测量技术测量特定方向的自然伽马值，通过实时传送上下伽马数据，准确判断不同地层的界面位置1 9,钻出目标煤层后能够准确实现控制井眼轨迹回至目标煤层内。基于随钻方位伽马测井轨迹控制如图1。一般情况下煤层顶底板伴生地层岩性通常为泥岩或炭质泥岩等，水平段顺煤层钻进过程，若受钻压增大或地层构造等因素影响时，很容易钻出目标煤层，水平段顺煤层钻进过程，方位伽马测井时出现上伽马值先增大、下伽马值后增大，表征钻井轨迹正在从煤层顶板钻出，如A点，当上下伽马值趋于相近37Safetyin CoalMinesAug.20232023年8 月煤砺发全No.8Vol.54第8 期第54卷顶板B煤A方位伽马探管C底板（a）顶板钻出煤层情况顶板C煤层A底板方位伽马探管B（b）底板钻出煤层情况图1 基于随钻方位伽马测井轨迹控制Fig.1Trajectory control based on azimuth-while-drilling gamma logging时，说明钻井轨迹已经出层，如B点。采用方位伽马随钻测量时，钻进至A点情况时通常开始进行降斜钻进控制轨迹纠偏，能够有效减少非煤段长度，提高煤层钻遇率，轨迹纠偏过程如C点。方位伽马测井时出现下伽马值先增大、上伽马值后增大，表征钻井轨迹正在从煤层底板钻出，如A1点，当上下伽马值趋于相近时，说明钻井轨迹已经出层，如B点。钻进至A1点情况时通常开始进行增斜钻进控制轨迹纠偏，轨迹纠偏过程如Ci点。4实例应用以M矿区某口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井为例，进行了井身结构设计、穿越采空区氮气钻进技术及水平段钻进轨迹控制技术应用。该矿区主要开采煤层为3#、9#与1 5#煤，煤层中瓦斯含量普遍较高，通常为5 2 5m/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1 5#煤成为开采目标煤层，开采之前需要进行地面瓦斯抽采。抽采井穿越3#煤层采空区，对目标煤层进行“先抽采后采煤”。3#煤层平均采厚约为6 m，煤层倾角平均值为约5，煤层平均开采深度为355m，工作面的长度约为2 1 0 m，根据现存地质资料可推断出3#开采煤层上覆岩层扰动带岩性主要为砂岩、砂质泥岩等，单轴抗压强度属于中硬性岩层带，基于公式可得出：上覆岩层扰动带总厚度为6 5.96 m，下覆岩层扰动带总厚度为1 9.1 8 m。该矿区本口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井顶板以上6 5.96 m、底板以下19.18m及煤层采空区段厚6 m可能为钻井液漏失严重层段，该层段总长度为91.1 4m，优化设计氮气钻进供氮能力为95m/min，制氮机输出压力为2.4MPa，针对该井段钻进施工采用氮气作为循环介质基于方位伽马随钻测量技术测量实时监测当前钻遇层位，及时精准做出井轨迹调整方式，使得四开沿15#煤层水平段钻遇率约为90%。5结语精准获得目标抽采煤层浅部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L型地面瓦斯抽采井井身结构设计至关重要。针对于穿越采空区钻进施工的氮气钻进井段、氮气钻进参数合理设计及氮气钻进工艺合理优化能够使得高效顺利穿越采空区。水平段地层对比技术能够在主井眼实际钻进及着陆之前，提前预估目标层地层倾角，能够减少主井眼轨迹实际着陆钻进过程轨迹调整频次，基于方位伽马随钻测量技术能够实时监测当前钻头钻遇层位，可及时精准给出井轨迹调整方式。关键技术研究成果成功应用于了M矿区一口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井，高效顺利完钻了该井施工，使得目标深部煤层水平段钻进的钻遇率约为90%。参考文献(References):1 张占国，李海鉴，刘应科，等.穿越多采空区地面钻井抽采试验及井身破断特性分析J.煤矿安全，2 0 1 3，44(11):152-154.ZHANG Zhanguo,LI Haijian,LIU Yingke,et al.Drainage test of surface drilling crossing multi-gobs andcharacteristics analysis of well breakdownJ.Safety inCoal Mines,2013,44(11):152-154.2陈秀艳，刘启蒙，李鹏飞.厚煤层下行式分层开采底板破坏规律研究J.煤炭技术，2 0 1 7（8）：6 3-6 5.CHEN Xiuyan,LIU Qimeng,LI Pengfei.Study on floorfailure law in thick coal seam under downward slicingmining J.Coal Technology,2017(8):63-65.3李琰庆，唐永志，唐彬，等.淮南矿区煤与瓦斯共采技术的创新与发展J.煤矿安全，2 0 2 0,51（8）：7 7-8 1.LI Yanqing,TANG Yongzhi,TANG Bin,et al.Innova-tion 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