黃 巍

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

為降低深部煤層開采期間瓦斯災(zāi)害事故風(fēng)險，一般采用相關(guān)技術(shù)進行瓦斯災(zāi)害超前治理[1，2]。目前地面鉆井瓦斯預(yù)抽與井下瓦斯抽采技術(shù)作為煤礦瓦斯災(zāi)害防治的兩種主要手段[3，4]。由于井下瓦斯抽放鉆孔施工受井下作業(yè)空間限制，因此，在地面實施鉆井預(yù)抽瓦斯技術(shù)被廣泛應(yīng)用煤礦區(qū)瓦斯災(zāi)害超前防治[5-8]。

相比淺部煤層，深部煤層地面瓦斯預(yù)抽鉆井需要穿越上覆淺部煤層開采后所形成的采空區(qū)，當(dāng)鉆進至采空區(qū)及緊鄰層段時，極易造成鉆井液漏失，甚至出現(xiàn)鉆井液難以建立正常循環(huán)的情況。針對采空區(qū)及緊鄰層段實施堵漏困難較大、成本較高，借鑒常規(guī)油氣的空氣欠平衡鉆井技術(shù)，考慮利用空氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進穿越采空區(qū)效果可能會較好[9]，然而利用空氣循環(huán)介質(zhì)鉆進將會使得部分空氣流入采空區(qū)及緊鄰層段裂隙中，同時考慮到鉆頭沖擊破巖產(chǎn)生高溫、采空區(qū)及緊鄰層段裂隙儲存有高濃度瓦斯，完全滿足瓦斯自燃及爆炸風(fēng)險隱患條件[10，11]，為此，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進穿越采空區(qū)無法實現(xiàn)。借鑒常規(guī)油氣領(lǐng)域氮氣欠平衡鉆井技術(shù)，氮氣作為一種相對密度、分子質(zhì)量與空氣極為接近，同時氮氣作為一種惰性氣體難以滿足瓦斯助燃效果[12]，遂引入氮氣作為循環(huán)介質(zhì)進行穿越采空區(qū)及緊鄰層段鉆進。但是制氮成本較高，針對采空區(qū)地面瓦斯預(yù)抽采井全井段采用氮氣鉆進不現(xiàn)實，因此，筆者針對采空區(qū)地面瓦斯預(yù)抽采井進行了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，針對不同井段設(shè)計采用不同循環(huán)介質(zhì)的鉆進方式，最終將研究成果在沁水盆地寺河礦區(qū)進行了成功應(yīng)用。

1 煤層開采擾動區(qū)域劃分

穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵在于確定目標(biāo)抽采煤層上覆煤層開采后形成的采空區(qū)、以及采空區(qū)所影響的緊鄰層段擾動區(qū)域范圍。上覆煤層回采結(jié)束后致使煤巖體及緊鄰巖層的原始地應(yīng)力平衡遭受破壞，使得地應(yīng)力重新分布，造成采空區(qū)緊鄰上下巖層變形[13]。煤層正常開采過程中，煤層頂板處于采前支撐壓縮狀態(tài)、相對于開采煤層受力方向向上，采后受拉膨脹和應(yīng)力恢復(fù)、相對于開采煤層受力方向向下，基于多位學(xué)者研究將煤層開采后從頂板由下往上將采空區(qū)影響的緊鄰上覆巖層移動變形與破壞劃分為：垮落帶、斷裂帶和整體彎曲下沉帶，即為“上三帶”[14-16]。煤層正常開采過程中，煤層底板處于采前負重壓縮狀態(tài)、相對于開采煤層受力方向向下，采后卸壓膨脹和應(yīng)力恢復(fù)、相對于開采煤層受力方向向上，基于多位學(xué)者研究將煤層開采后從底板由上往下將采空區(qū)影響的緊鄰下覆巖層移動變形與破壞劃分為：底板導(dǎo)水破壞帶、有效隔水層保護帶和承壓水導(dǎo)升帶，即為“下三帶”[17-19]。煤層開采擾動區(qū)域“上三帶”中的垮落帶、斷裂帶與“下三帶”中的底板導(dǎo)水破壞帶作為采空區(qū)鉆進過程嚴重漏失層段，為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計重點考慮對象。

2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵在于確定因煤層開采擾動所形成的頂板上覆垮落帶、斷裂帶及底板導(dǎo)水破壞帶的厚度，根據(jù)穿越的巖層情況確定具體井身結(jié)構(gòu)設(shè)計及各井段鉆井循環(huán)方式。

2.1 采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動范圍

采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動區(qū)域主要包括頂板上覆垮落帶、斷裂帶，其厚度主要受采煤厚度、擾動區(qū)域硬巖巖性比例系數(shù)、采煤工作面斜長、開采煤層深度等多因素綜合影響[10]。針對垮落帶和斷裂帶厚度可根據(jù)開采區(qū)域的地質(zhì)采礦條件和實測數(shù)據(jù)分析確定，頂板垮落帶與斷裂帶厚度經(jīng)驗計算公式分別見表1與表2[20]。表中，∑M為累計采厚，m；公式應(yīng)用范圍：單層采厚1～3 m，累計采厚不超過15 m；計算公式中±號項為中誤差。

表1 頂板垮落帶厚度計算公式

表2 頂板斷裂帶厚度計算公式

計算采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動范圍厚度，為了防止誤差影響，根據(jù)相應(yīng)上述公式兩者相加之后的最大誤差值確定，將擾動范圍厚度適當(dāng)增加。因此，具體采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動范圍厚度計算公式如下：

Hsr=Hk+Hli+11.4

(1)

式中，Hsr為采空區(qū)緊鄰上覆巖層主要擾動范圍厚度，m；Hk為頂板垮落帶厚度，m；Hli為頂板斷裂帶厚度，m；11.4為上述頂板斷裂帶與垮落帶對于堅硬巖性厚度計算公式最大誤差值8.9與2.5之和，取最大誤差范圍值之和所求取的采空區(qū)緊鄰上覆巖層影響帶厚度較大，可以設(shè)計提前采用氮氣鉆進，能夠降低水基鉆井液施工過程中地層潛在漏失的工況。

2.2 采空區(qū)緊鄰下覆巖層擾動范圍

采空區(qū)緊鄰下覆巖層擾動區(qū)域，設(shè)計氮氣鉆進過程主要研究底板導(dǎo)水破壞帶厚度，其破壞程度主要取決于采煤工作面礦壓作用和煤層底板的抗破壞能力，底板導(dǎo)水破壞帶厚度主要受煤層開采深度、煤層傾角、煤層開采厚度及工作面斜長等多因素影響[11]。因此，煤層底板導(dǎo)水破壞帶厚度計算公式如下[20]：

Hxr=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(2)

式中，Hxr為煤層底板導(dǎo)水破壞帶厚度，m；H為煤層開采深度，m；α為煤層傾角，rad；L為采煤工作面斜長，m。

可將煤層底板導(dǎo)水破壞帶厚度視為采空區(qū)緊鄰下覆巖層主要擾動范圍厚度。

3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鉆進方式優(yōu)選

3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

穿越采空區(qū)鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計為四開次形式，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，一開采用?425 mm鉆頭鉆穿表層松散土層至穩(wěn)定基巖10～20 m，下入?377.7 mm表層套管，固井水泥漿返至地面；二開采用?346.1 mm鉆頭鉆進至上述的采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動帶頂，下入?273.05 mm二開技術(shù)套管，固井水泥漿返至地面，為三開安全鉆進創(chuàng)造條件，預(yù)防氮氣循環(huán)鉆進擾動致使“上三帶”中的整體彎曲下沉帶底部掉塊，引起卡鉆等復(fù)雜事故；三開采用?241.3 mm鉆頭鉆進至上述的采空區(qū)緊鄰下覆巖層擾動帶底，下入?193.7 mm三開技術(shù)套管，位于采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動帶頂端套管外安裝裸眼封隔器和反扣裝置，反扣裝置通過反絲連接上部套管，下套管結(jié)束，利用提動管柱方式觸發(fā)坐封式裸眼封隔器，固井水泥漿返至采空區(qū)底表面，實施套管底部封固，固井候凝結(jié)束后，將反扣裝置及其以上套管進行起出再利用；四開采用?171.4 mm鉆頭鉆穿目標(biāo)開發(fā)煤層25～35 m完鉆，預(yù)留25～35 m作為“口袋”，下入?139.7 mm生產(chǎn)套管，固井水泥漿返至地面。

圖1 穿越采空區(qū)鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 鉆進方式優(yōu)選

對于上述全井段井身結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，進行各開次鉆進方式優(yōu)選。

1)一開鉆進：采用水基膨潤土泥漿鉆井液循環(huán)鉆進，調(diào)整泥漿護壁性能達到最佳，防止鉆進過程井壁坍塌。

2)二開鉆進：采用水基低固相聚合物鉆井液循環(huán)鉆進，優(yōu)化泥漿濾失性能，適當(dāng)加入高粘堵漏劑，防止鉆進過程泥漿漏失。

3)三開鉆進：將鉆井循環(huán)介質(zhì)改為氮氣實施鉆進，優(yōu)選性能優(yōu)良制氮機與增壓機以達到滿足鉆進過程氮氣循環(huán)能夠?qū)@頭破碎的巖屑攜出井底。

4)四開鉆進：采用水基無固相聚合物鉆井液，鉆進過程中鉆井液不能添加任何損害煤儲層性能特征的材料，尤其是高粘堵漏劑，但為了提高鉆井液攜巖性能，可以適當(dāng)加入一定量的氯化鉀材料提高鉆井液粘度，更進一步改善破碎巖屑返排出井底效果。

為確保三開固井質(zhì)量效果、反扣裝置及其以上套管起出點封隔器密封情況，四開鉆進之間必須進行全井筒內(nèi)試壓10 MPa，30 min內(nèi)壓降不小于0.5 MPa，視為三開固井質(zhì)量合格及封隔器密封情況較佳，方可進行四開鉆進作業(yè)。

4 工程應(yīng)用

以沁水盆地寺河礦區(qū)所施工的一口穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井為例，進行了井身結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用。礦區(qū)主要開采煤層為3#、9#與15#煤，煤層中瓦斯含量普遍較高，通常為5～25 m3/t，在整個礦區(qū)一定范圍內(nèi)，3#煤層經(jīng)過大量開采形成了采空區(qū)，9#與15#煤成為了開采目標(biāo)煤層，開采之前需要進行地面瓦斯抽采。因此，地面瓦斯抽采井鉆進需要穿越3#煤層采空區(qū)，對目標(biāo)煤層進行“先抽采后采煤”，以降低煤層瓦斯含量，保障煤礦安全生產(chǎn)。3#煤層平均采厚為6.31 m，9#煤層平均可采厚為1.2 m，15#煤層平均可采厚為2.5 m，各煤層傾角平均值為5°，煤層開采深度為530 m，工作面的長度為230 m，根據(jù)地質(zhì)資料可推斷出3#開采煤層上覆巖層擾動帶巖性主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖等，單軸抗壓強度為25～38 MPa，屬于中硬性巖層帶。

寺河礦區(qū)穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井身結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為三開結(jié)構(gòu)，一開采用?425 mm鉆頭、水基膨潤土泥漿鉆至基巖10～20 m，下入?377 mm套管，固井水泥漿返至地面；二開采用?311.15 mm鉆頭、水基鉆井液根據(jù)經(jīng)驗鉆進至采空區(qū)頂以上50 m或漏失量大于10 m3/h，然后更換氮氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進至采空區(qū)底板以下20 m，下入?244.5 mm套管，固井水泥漿返至采空區(qū)；三開采用?215.9 mm鉆頭、水基鉆井液鉆進至完鉆，下入?139.7 mm套管，固井水泥漿返至地面。該常規(guī)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計對于二開井段采空區(qū)影響帶估算僅依靠前期鉆井經(jīng)驗，同一礦區(qū)不同井位可靠性較差；二開鉆進中不封固水基鉆井液鉆進井段直接更換氮氣循環(huán)介質(zhì)鉆進，會造成氮氣循環(huán)鉆進擾動致使“上三帶”中的整體彎曲下沉帶底部掉塊，引起卡鉆等復(fù)雜事故。

為解決上述問題，基于通過相應(yīng)巖層擾動帶計算式(1)與式(2)可得出：上覆巖層擾動帶總厚度為78.1 m，下覆巖層擾動帶總厚度為25.8 m。該礦區(qū)本口穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井頂板以上78.1 m、底板以下22.73 m及煤層采空區(qū)段厚6.31 m為鉆井液漏失嚴重層段，該層段總長度為107.14 m。因此，實際鉆進至該井段采用氮氣作為循環(huán)介質(zhì)進行鉆進。最終本井一開、二開及四開井段采用水基鉆井液體系以較小漏失量鉆進，三開井段采用氮氣循環(huán)介質(zhì)鉆進一次性高效順利穿越采空區(qū)完鉆。

5 結(jié) 語

精準獲得目標(biāo)抽采煤層上覆煤層開采后形成的采空區(qū)、以及采空區(qū)所影響的緊鄰巖層段擾動區(qū)域范圍對于穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。將采空區(qū)緊鄰上覆巖層擾動區(qū)域垮落帶、斷裂帶層段與緊鄰下覆巖層擾動區(qū)域底板導(dǎo)水破壞帶層段的井段作為鉆井漏失層段，設(shè)計該井段采用氮氣作為鉆井循環(huán)介質(zhì)能夠有效建立地面與井底循環(huán)，將鉆頭破碎巖屑攜帶出井底。全井段綜合采用水基鉆井泥漿與氮氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進能夠有效降低鉆井成本，實現(xiàn)一次性高效順利穿越采空區(qū)完鉆?；诰斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化成果成功應(yīng)用于沁水盆地寺河礦區(qū)的一口穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井，為后續(xù)實施諸類穿越采空區(qū)地面瓦斯抽采井鉆井工程提供了借鑒經(jīng)驗。