地面L形多分支瓦斯抽采井在红阳三矿的应用.pdf

2023 年第 8 期2023 年 8 月瓦斯抽采是解决矿井瓦斯难题的根本途径。目前治理瓦斯采用的地面瓦斯抽采井以直井为主，但是受地面征迁、施工工程量大等因素的影响，地面井施工效率并不高。随着瓦斯井施工技术的发展，提出了地面 L 形多分支瓦斯抽采井。在地面布置 L 形多分支瓦斯抽采井，将水平主支布置于目标煤层底板，倾斜向下至保护煤层裂隙带，便于排水。施工多个分支向上至目标煤层底板，以便在下覆保护煤层回采过程中，抽采目标煤层卸压瓦斯，以较小的钻孔工程量和较高的有效孔段利用率，配合地面瓦斯高效抽采工艺方法，实现预抽采目标煤层瓦斯的目的。1工程概况红阳三矿西三下部采区 1302 工作面，主采煤层为由 13-1 煤、13-2 煤组成的复合煤层，煤层平均厚度3.5 m，上覆为 12#煤层，12#煤层为 12-1 煤、12-2 煤组成的复合煤层。12-1 煤平均厚度 1.80 m；夹矸泥岩，平均厚度 0.90 m。12-2 煤平均厚度 1.80 m。1302 工作面设计走向长度 700 m，面长 228 m，煤层倾角 10毅18毅，平均 15毅，煤层埋深-677-607 m，松散层厚度 240 m，基岩厚度 367437 m。工作面实测13#煤层最大瓦斯压力为 1.65 MPa，最大瓦斯含量为9.82 m3/t。工作面回采前采用底板巷穿层钻孔进行区域消突，最大残余瓦斯压力为 0.31 MPa，最大残余瓦斯含量为 3.95 m3/t。为了保证 1302 工作面安全回采，提出了地面 L 形多分支瓦斯抽采井瓦斯治理技术。地面 L 形多分支瓦斯抽采井进入 12#煤层底板并延伸至切眼附近；在水平段向上施工多个分支进入 12#煤层底板，最后下筛管完井。在保护层 13#煤层回采过程中，预抽 12#煤层卸压瓦斯。2地面 L 形多分支瓦斯抽采井钻井工艺技术2.1井身结构设计煤层开采后，采场上覆岩层原有结构在采动影响下发生破坏，在垂直方向可形成冒落带、裂隙带与弯曲下沉带。地面 L 形多分支瓦斯抽采井抽采采空区瓦斯就是根据采空区上部覆岩的裂隙规律将抽采钻孔施工到覆岩裂隙带，然后将瓦斯抽至地面1。在 1302 工作面 12#煤层底板布设地面 L 形多分支收稿日期：2022-11-15第一作者简介：吕刚袁 1976 年生袁 男袁 辽宁昌图人袁 硕士袁 高级工程师袁 主要从事煤矿管理工作遥地面 L 形多分支瓦斯抽采井在红阳三矿的应用吕刚袁 马烽（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）摘要：为了有效解决红阳三矿 1302 工作面回采期间的瓦斯治理难题袁 提出了地面 L 形多分支瓦斯抽采井瓦斯治理技术遥 通过井身结构设计尧 钻井井眼轨迹控制尧 优化钻具组合尧 玻璃钢筛管完井工艺袁 保证了地面 L 形多分支瓦斯抽采井钻井工艺的正常实施遥 通过现场实际应用袁 工作面推至 60 耀 70 m 时袁 抽采混合量达到 5.72 m3/min袁 瓦斯抽采体积分数达到 83%袁 达到了瓦斯治理效果遥关键词：地面 L 形井曰 井身结构曰 轨迹控制曰 优化钻具曰 玻璃钢筛管中图分类号：TD712+.6文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0192-03Application of Surface L-shaped Multi-branch Gas Extraction Wells in HongyangNo.3 Coal MineLYU Gang,MA Feng(Hongyang No.3 Coal Mine,Shenyang Coking Coal Co.,Ltd.,Liaoyang 111307,Liaoning,China)Abstract:In order to effectively solve the problem of gas control during the mining period of 1302 working face in Hongyang No.3Coal Mine,a surface L-shaped multi-branch gas extraction well gas control technology was proposed.The normal implementationof the surface L-shaped multi-branch gas extraction well drilling process was ensured through wellbore structure design,wellboretrajectory control,optimization of drilling tool assembly and fiberglass screen pipe completion technology.Through practicalapplication on site,when the working face was pushed to 60-70 m,the mixed extraction volume reached 5.72 m3/min,and thevolume fraction of extracted gas reached 83%,achieving the effect of gas control.Key words:surface L-shaped well;wellbore structure;trajectory control;optimization of drilling tool;fiberglass screen pipe（总第 215 期）实践运用1922023 年 8 月2023 年第 8 期瓦斯抽采井，水平段平面位置位于回风巷面内 85 m，剖面位置位于 12#煤层底板约 21 m；水平段每间隔约130 m 向上施工分支进入 12#煤层后终孔，各分支采用飞管方式下入筛管，最后水平段末端主支向下进入 13#煤层裂隙带，终孔至二开底部井段下筛管完井，以实现卸压瓦斯抽采。1302 工作面井身结构设计为三开结构，水平井井身结构设计参数如表 1 所示，具体示意图如图 1 所示。表 1水平井井身结构设计参数图 1设计井身结构示意图2.2钻井井眼轨迹红阳三矿地面 L 形多分支瓦斯抽采井共施工 1 个主支，6 个分支。分支命名规则：三开增斜向上钻至被保护煤层 12#煤层分支，分别为 L1L5 分支，从 L5 分支开出向下钻至保护煤层 13#煤层顶板裂隙带的分支为L6 分支。L 形多分支瓦斯抽采井上部主井眼经过直井段、造斜段的施工，井斜由 0毅变为 86毅88毅，使三开各分支连接成 1 个整体下倾的主支，便于排水，避免“水锁效应”，有利于瓦斯抽采。一开实际井深 260.08 m，最大井斜 1.2毅，闭合距1.2 m。二开实际井深 735.15 m，造斜点深度 263 m，入靶井深 738 m，最大井斜 86.7毅，闭合距 297.43 m。三开实际进尺合计 1 502 m，具体情况如下：L1 分支侧钻点深度 736 m，完钻井深 918 m，段长 182 m，最大井斜 106.11毅，闭合距 473.25 m；L2 分支侧钻点深度 757 m，完钻井深 1 035 m，段长 278 m，最大井斜104.9毅，闭合距 591.88 m；L3 分支侧钻点深度 900 m，完钻井深 1188m，段长 288m，最大井斜 112.6毅，闭合距742 m；L4 分支侧钻点深度 1 050 m，完钻井深 1 322 m，段长 307 m，最大井斜 117.56毅，闭合距 871.17 m；L5分支侧钻点深度 1 140 m，完钻井深 1 408 m，段长286 m，最大井斜 117毅，闭合距 957.03 m；L6 分支侧钻点深度 1 216 m，完钻井深 1 395 m，段长 179 m，最小井斜 80.03毅，闭合距 952.06 m。2.3钻井工艺一开直井段钻具组合为椎311.15 mm PDC 钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金刚石复合片钻头）+椎203 mm 直螺杆钻具1 根+椎165 mm 无磁钻铤1 根（无线随钻仪器）+椎165 mm 钻铤6 根+椎127 mm 加重钻杆串+椎127 mm 钻杆串。为达到防斜打直的目的，施工过程中 直接 使用直 螺杆+MWD（Measurement While Drilling，随钻测量）仪器的复合钻具组合。为保证井身质量，采取小钻压高转速、轻压吊打的方法。施工过程中随时监测井斜，控制好井斜，为斜井段施工提供有利条件，同时提高钻进效率。二开定 向井 段 钻具 组 合 为椎222.20 mm 钻 头+椎172 mm 1.5毅单弯螺杆钻具1 根+椎127 mm 无磁承压钻杆2 根+MWD 仪器（无线随钻仪器+随钻伽马）+椎127 mm 钻杆串+椎127 mm 加重钻杆串+椎127 mm 钻杆串。在定向造斜施工中，根据测量数据实时修正设计，合理安排滑动钻进和定向钻进，在满足井斜增速的前提下保证定向段井眼轨迹平滑过渡2。三开水平井段钻具组合为椎152.4 mm 牙轮钻头/PDC 钻头+椎120 mm（1.0毅1.5毅）单弯螺杆钻具1 根+转换接头+椎120 mm 无磁钻铤2 根+MWD 仪器（无线随钻仪器+随钻伽马）+椎89 mm 钻杆串+椎89 mm 加重钻杆串+椎89 mm 钻杆串。水平段施工过程中，侧钻前始终保持轨迹倾斜向下钻进，便于后期排水。为确保符合设计要求，加强测斜工作，坚持每钻进 1 根单杆（约 9.6 m）测斜 1 次，并随时做出井底井斜预测分析。实钻中根据测斜数据情况及时调整钻井参数和钻进方式，确保轨迹按设计钻进。通过优化钻具组合，可以解决长距离水平井末端钻进过程中的托压问题。三开水平井段施工难点在于L4 分支及 L5 分支，施工前预计钻进到后期托压会较严重。实际施工过程中，为解决这一难点，一方面进行施工设备优选，采用带顶驱液压钻机施工，在托压严重处可使用动力头下压实现钻压传递至井底的作用；另一方面，采用倒装钻具的办法，在直井段加入椎127 mm 钻铤和椎89 mm 加重钻杆，增加直井段能有效增大钻压的悬重，同时提高了直井段钻具的刚性，能保证钻机下开钻次序井段/m井径/mm套管直径/mm套管下深/m水泥返高一开0 耀 260311.15244.50260地面二开260 耀 780215.90177.80948地面三开785 耀 935152.4089援园0筛管完井915 耀 1 0651 045 耀 1 1951 175 耀 1 3251 305 耀 1 4551 325 耀 1 475向下进入裂隙带，筛管完井一开一开井深：260 m井眼直径：311.15 mm套管直径：244.50 mm水泥返高：地面二开二开井深：780 m井眼直径：215.90 mm套管直径：177.80 mm水泥返高：地面三开井眼直径：152.40 mm筛管直径：89.00 mm12#煤吕刚，等：地面 L 形多分支瓦斯抽采井在红阳三矿的应用1932023 年第 8 期2023 年 8 月压力有效传递到钻头；此外，优化井眼轨迹，保证调整方位井段井眼轨迹平滑，避免对钻压传递产生阻力。2.4固井表层套管：下入一开椎244.5 mm 表层套管，一开固井，采用 G 级水泥进行固井作业，固井水泥质量浓度为 1.75 g/cm3。固井水泥浆返至地面。注入前置液4.0 m3、水泥浆 16.0 m3、顶替液 20.0 m3。技术套管：下入二开椎177.8 mm 技术套管，二开固井，采用 G 级水泥进行固井作业，固井水泥质量浓度为 1.85 g/cm3。固井水泥浆返至地面。注入前置液5.0 m3、水泥浆 17.4 m3、顶替液 14.5 m3。2.5水平井玻璃钢筛管完井工艺水平井完井采用玻璃钢筛管完井工艺，内外双层管柱设计。外部筛管与悬挂器下端连接，筛管内部为冲管，冲管与悬挂器下端中心总成连接。钻杆通过旋转接头与悬挂器上端连接，并将悬挂器、筛管及冲管送至设计悬挂点，然后通过投球将悬挂器悬挂于技术套管内壁，使用机械丢手实现悬挂器悬挂装置与中心总成的脱离。悬挂器悬挂装置及筛管固定于井筒内，钻杆拖动悬挂器中心总成及冲管进行洗井。双层管柱结构如图 2 所示，筛管完井管柱组合结构如图 3 所示。图 2双层管柱结构示意图图 3筛管完井管柱组合结构示意图水平井拖动分段射流工艺管柱由喷头+抛光管+冲管组成，流体通过喷头射出，通过筛管孔眼冲刷井壁。利用冲管接箍增大内环空磨阻，促使流体经外环空，流动冲洗筛管外井壁，上下拖动钻具进行分段动态洗井冲刷（每段 2030 m）。由于特殊的结构设计，可实现拖动分段射流洗井，恢复地层渗透性，保证瓦斯抽采通道通畅。3现场抽采效果1302 工作面推进 45 m 时，随着顶板的垮落，钻井产生效果。随着工作面的不断推进、老顶的缓慢下沉，瓦斯抽采体积分数不断增大。推进至 6070 m 时，抽采混合量达到 5.72 m3/min，体积分数达到 83%。工作面推过 70 m 之后，地面井抽采效果逐步衰减。工作面推进至 130 m 左右时（4#分支位置），地面井抽采纯量下降至 2 m3/min，抽采纯量下降，但抽采体积分数一直维持在 70%80%，体积分数较高，流量较小。通过分析，原因是地面井三开套管管径为 89 mm，管径较小，制约了流量。4结束语1302 工作面地面 L 形多分支瓦斯抽采井总工期为2 个月，为瓦斯治理赢得了宝贵时间。为确保回采过程中的瓦斯抽采效率，水平段层位控制在裂隙带内，且主井眼三开井段自着陆点至终孔点，轨迹保持略微下倾趋势，便于排水，避免“水锁效应”，有利于瓦斯抽采。为有效解决长距离水平井末端钻进过程中的托压问题，通过采用带顶驱液压钻机施工及倒装钻具的办法，保证钻机下压力有效地传递到钻头。水平井完井采用玻璃钢筛管完井工艺，水平井拖动分段射流工艺管柱由喷头+抛光管+冲管组成，进行分段动态洗井冲刷（每段 2030 m）。该工艺较传统洗井工艺，更能有效地清理水平井井筒滤饼3。通过后期实际应用，随着顶板的垮落，钻井产生效果。随着工作面不断推进，老顶缓慢下沉，抽采瓦斯体积分数不断增大。工作面推进至 6070 m 时，抽采混合量达到 5.72 m3/min，瓦斯抽采体积分数达到83%，工作面推过 70 m 之后，地面井抽采效果逐步衰减。达到了抽采效果，为工作面安全高效生产提供了保障。参考文献：1程志恒，卢云，苏士龙，等.采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究 J/OL.煤炭科学技术，2020，48(2)：136-1422022-11-10.https：/ J.云南化工，2020，47(6)：114-116.3李宗源，陈必武，李佳峰，等.煤层气可控水平井洗井工艺技术研究与应用 J.中国煤层气，2017，14(3)：17-20.（编辑：高志凤）钻杆悬挂器筛管冲管+喷头 引鞋悬挂器/丢手工具悬挂器/丢手工具玻璃钢筛管密封筒冲管盲管抛光管钻杆引鞋(a)外部管柱组合(b)内部管柱组合钻杆194