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        過(guò)煤礦采空區(qū)地面瓦斯抽采鉆井施工技術(shù)

        2018-11-01 05:44:58李亞輝
        山東煤炭科技 2018年10期
        關(guān)鍵詞:深度

        李亞輝

        (1.河南省煤田地質(zhì)局,河南 鄭州 450016;2.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450016;3.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司,河南 鄭州 450016)

        1 項(xiàng)目區(qū)基本概況

        本項(xiàng)目位于晉城礦區(qū),礦區(qū)位于山西沁水盆地東南緣,整體處于太行山南段與中條山北緣的結(jié)合部,地勢(shì)東南低、西北高,地形以低山一丘陵為主,斷裂構(gòu)造較少,地層走向總體為北北東向,傾向?yàn)闁|西向,兩翼基本對(duì)稱,多以褶皺構(gòu)造發(fā)育為主,斷層總體較少。構(gòu)造總體特征較為簡(jiǎn)單。發(fā)育地層為寒武系,奧陶系峰峰組(O2f),石炭系本溪組(C2b)和太原組(C3t),二疊系山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、上石盒子組(P2s)和石千峰組(P2sh),三疊系,侏羅系,第三系和第四系,地層傾角在南北兩端相對(duì)較小,地層較平緩。該礦區(qū)主要煤層為3#、9#、15#煤層, 3#煤埋深500 m左右,煤層厚度5.0 m,15#煤埋深600 m左右,煤層厚度3.0~5.0 m,其中3#煤層為主采煤層,采空區(qū)放頂影響深度為煤層厚度的5~8倍。3個(gè)主采煤層對(duì)甲烷均具有較強(qiáng)的吸附性能,平均吸附容量為42.33 m3/t;儲(chǔ)層滲透率大多小于0.1×10-3μm2,屬于中-低滲;儲(chǔ)層壓力平均為3.73 MPa,屬于低壓;煤層氣飽和度分別為117%、96.4%、107%,基本處于過(guò)飽和或飽和狀態(tài)。經(jīng)過(guò)多年的探索試驗(yàn),該區(qū)煤層氣開發(fā)達(dá)到商業(yè)化規(guī)模,成效顯著。

        2 項(xiàng)目施工目的和難點(diǎn)

        2.1 施工目的

        根據(jù)施工要求,在原有地面抽采煤層氣老區(qū),選擇合適井位,穿過(guò)已開采的3#煤層采空區(qū),鉆穿底部15#煤層底板60 m后完鉆,下入技術(shù)套管,采用水泥固井,經(jīng)水力壓裂后,開發(fā)抽采利用9#、15#煤層賦存的煤層氣。

        2.2 施工難點(diǎn)

        (1)該項(xiàng)目礦區(qū)3#煤層已經(jīng)被開采,形成采空區(qū),500 m以淺區(qū)域因采礦地下水已經(jīng)疏干,地面絕大多數(shù)鉆井施工都面臨鉆井液的大量漏失的技術(shù)難點(diǎn)。

        (2)3#煤層采空后的塌陷時(shí)間較短,需要快速鉆進(jìn)并下入套管把塌陷段碎石擋住,避免因井內(nèi)坍塌造成鉆井事故。

        (3)下部井段因上部采空區(qū)的影響,會(huì)出現(xiàn)鉆井液全部漏失情況。

        3 鉆井方案的確定

        3.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地層情況和鉆井技術(shù)難點(diǎn),該井設(shè)計(jì)為三開鉆井結(jié)構(gòu),一開鉆頭程序Φ444.5 mm,深度為0~60.0 m;二開鉆頭程序Φ311.1 mm,深度60.0~500.0 m;三開鉆頭程序Φ215.9 mm,深度500.0 m至15#煤層以下60 m。套管方案確定如下,一開:下入深度0~60.0 m,尺寸Φ339.7×8.38 mm,下入深度視基巖深度而定,原則上進(jìn)入完整基巖不少于1.0 m,水泥固井,上返至地面;二開:深度3#煤層塌陷冒落段,套管長(zhǎng)度40.0~60.0 m,尺寸Φ244.5×8.94 mm,下深400~500 m,擋住冒落段即可;三開:深度500 m至15#煤層以下60.0 m,下入尺寸Φ139.7×9.17 mm套管,水泥固井完井。井身結(jié)構(gòu)詳見圖1。

        圖1 井身結(jié)構(gòu)圖

        3.2 設(shè)備優(yōu)選

        鉆井設(shè)備需要滿足工程施工設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu),即完井井徑Φ215.9 mm,井深1000 m的施工能力,同時(shí)滿足空氣潛孔錘鉆井的技術(shù)要求。優(yōu)選主要設(shè)備情況如表1。

        表1 主要設(shè)備情況表

        3.3 鉆井方法優(yōu)選

        本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一開采用鉆井液鉆進(jìn),二開、三開采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)。

        一開:0~60 m,井徑 444.5mm,采用Φ444.5mm三牙輪鉆頭鉆進(jìn),并配備Φ177.8mm鉆鋌,下入Φ339.7×9.65mm套管,固井水泥返至地面。鉆壓選擇為0.5~20 kN,轉(zhuǎn)速為10~20 r/min。采用鉆井液作循環(huán)介質(zhì),配方:鈉膨潤(rùn)土+純堿(NaCO3)+羧甲基纖維素(HV-CMC),性能要求:比重 1.10~1.30g/cm3,粘度25~30 s,失水量8~10mL/30min,泥皮厚1.5~2.0mm,含砂量<0.4%,pH 值 8~8.5。

        二開:60 m至3#煤層頂板,井徑311.1 mm,采用Φ311.1 mm空氣潛孔錘鉆進(jìn),上部用一臺(tái)壓風(fēng)機(jī),根據(jù)鉆進(jìn)情況,適時(shí)并聯(lián)兩臺(tái)壓風(fēng)機(jī)潛孔錘作業(yè)??諝鉂摽族N鉆進(jìn)時(shí),井口采用特殊裝置密封(自主設(shè)計(jì)的實(shí)用新型專利),并連接導(dǎo)管至遠(yuǎn)離井口,同時(shí)在井口注入小排量水液,防范井下安全并利于排砂,防止上返巖屑四處亂濺,鉆至3#煤層底板。然后,下入規(guī)格Φ244.5×8.94 mm套管,長(zhǎng)度40.0~60.0m,下至煤層冒落段,深度400.0~500.0m,擋住冒落段,水泥封固套管底口,候凝。鉆壓選擇為16~28 kN,轉(zhuǎn)速為10~30 r/min,風(fēng)量控制在 3.0~3.5 MPa,采用流量 20~30 m3/min。

        三開:500 m至15#煤層底板(500.0~800.0m),井徑215.9mm,采用Φ215.9mm空氣潛孔錘鉆進(jìn),鉆穿15#煤層底板50m完鉆,下入Φ139.7×9.17mm套管,固井水泥返深至3#煤層采空區(qū)底板,候凝完井。鉆壓選擇為10~19 kN,轉(zhuǎn)速為10~30 r/min,風(fēng)量控制在3.0~3.5 MPa,采用流量 20~30 m3/min。

        3.4 鉆具組合的確定

        根據(jù)地質(zhì)情況、井身結(jié)構(gòu)及鉆井方法,采用以下鉆具組合。見表2。

        (1)鉆頭:采用Φ444.5 mm三牙輪鉆頭、Φ311.1mm沖擊潛孔錘鉆頭、Φ215.9mm沖擊潛孔錘鉆頭。

        (2)鉆桿:選用Φ127mm普通鉆桿、Φ177.8mm鉆鋌、Φ158.8 mm鉆鋌。

        3.5 供風(fēng)量的確定

        二開之后均采用空氣作為循環(huán)介質(zhì),合理科學(xué)計(jì)算供風(fēng)量對(duì)安全鉆進(jìn)十分重要。該項(xiàng)目供風(fēng)量確定方法如下:

        式中:

        Q-壓風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量,m3/min;

        v-上返速度,一般取15~25 m/s;

        D-井徑,m;

        d-鉆桿外徑,m;

        K1-孔深校正系數(shù)(由于孔深環(huán)狀間隙壓力損失增大,導(dǎo)致流量減少),一般孔深在100~200 m時(shí),K1=1.05~1.1;孔深在 500 m 時(shí),K1=1.25~1.3;

        K2-孔內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù),與涌水量有關(guān),中、小涌水量時(shí),K2=1.5。

        本項(xiàng)目三開井徑為215.9mm,鉆桿外徑為127.0mm;最大井深為800m,K1取1.5;無(wú)涌水,K2取1.0;上返速度取15 m/s。因此:Q≥32.31m3/min,即空壓機(jī)供風(fēng)量應(yīng)不低于32.31m3/min,才能保證排出巖屑。本項(xiàng)目投入的英格索蘭XHP1070WCAT空壓機(jī)單臺(tái)最大供風(fēng)量為30.3m3/min,必要時(shí)兩臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)使用,完全可以滿足施工需要。

        4 結(jié)論及建議

        (1)空氣潛孔錘鉆井技術(shù)有效解決了鉆遇采空區(qū)出現(xiàn)鉆井液大量漏失的技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了安全高效鉆進(jìn)。

        (2)在二開鉆進(jìn)時(shí),要隨時(shí)監(jiān)測(cè)井口氣量、濃度,如果符合鉆井安全要求,二開結(jié)束后在井口表層套管與生產(chǎn)套管的環(huán)形鋼板之間外接一個(gè)排氣管路,用來(lái)釋放3#煤層排出的煤層氣,避免井口瓦斯聚積發(fā)生事故。如果二開鉆井階段鉆遇采空區(qū)時(shí)氣量達(dá)到可采氣流,則完鉆完井,直接抽采利用3#煤層采空區(qū)煤層氣。

        (3)如果二開采用Φ311.1 mm鉆頭空氣潛孔錘鉆進(jìn)達(dá)不到預(yù)定深度,則換用Φ215.9 mm鉆頭潛孔錘作業(yè)至完鉆,如果直徑采用Φ215.9 mm鉆頭仍然無(wú)法完成空氣潛孔錘作業(yè),則換用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)至完鉆。

        (4)鉆進(jìn)過(guò)程中,還應(yīng)注意幾點(diǎn)。地層接近采空區(qū)時(shí),隨時(shí)注意掉鉆的發(fā)生;無(wú)論采取何種工藝鉆井,一定要多滑眼,防止采空區(qū)上部地層掉塊卡鉆;空氣潛孔錘鉆進(jìn)時(shí),自井口一定要注清水至井內(nèi)。

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