郭文水

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司)

煤礦采空區(qū)是地下煤炭被采出后形成的空洞區(qū)，受落煤、保護(hù)煤柱、圍巖、鄰近煤層瓦斯解吸和運(yùn)移影響，多數(shù)采空區(qū)內(nèi)富含瓦斯資源，是我國煤層氣開發(fā)的潛力區(qū)域[1-3]。不過受采空區(qū)地層復(fù)雜影響，造成在地面鉆井過程中普遍存在井漏、掉塊卡鉆、下套管遇阻、固井質(zhì)量差等一系列問題，嚴(yán)重制約了煤礦采空區(qū)煤層氣資源開發(fā)的進(jìn)度[4-6]。隨著近幾年國內(nèi)對清潔能源需求的快速增長，為挖掘自身開發(fā)潛力，煤層氣作為非常規(guī)天然氣的重要組成部分，是下一步開發(fā)的熱點(diǎn)[7]。因此，對制約采空區(qū)鉆井施工的難點(diǎn)開展分析和對策研究迫在眉睫。

1 晉城礦區(qū)采空區(qū)煤層氣井施工現(xiàn)狀

煤礦采空區(qū)煤層氣開發(fā)涉及資源評(píng)價(jià)、區(qū)塊優(yōu)選、鉆井施工等多個(gè)方面，綜合開發(fā)難度較大，目前在國內(nèi)尚處于起步階段。山西晉城礦區(qū)的3#煤層資源賦存條件好、埋深淺，采后形成的采空區(qū)內(nèi)煤層氣普遍儲(chǔ)量大、濃度高，是我國現(xiàn)階段煤礦區(qū)煤層氣資源開發(fā)的示范區(qū)。因此，下面以晉城礦區(qū)為例，介紹目前采空區(qū)鉆井施工的現(xiàn)狀。

晉城礦區(qū)針對采空區(qū)地層的鉆井施工分為采空區(qū)煤層氣井(簡稱采空井)和穿采空區(qū)煤層氣井(簡稱穿采空井)2種模式[8]，井身結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

綜合分析圖1可以看出，晉城礦區(qū)采空井的目的是開發(fā)3#煤層采空區(qū)內(nèi)富集的煤層氣資源，目標(biāo)層位是采空區(qū)裂隙帶中下部地層；穿采空井的目的是穿過3#煤層采空區(qū)開發(fā)下組煤的煤層氣資源，目標(biāo)層位是15#煤層。雖然2種開發(fā)模式之間存在較大差異，但是都涉及到采空區(qū)復(fù)雜地層的鉆井施工，是目前的難點(diǎn)所在。

圖1 晉城礦區(qū)煤層氣井開發(fā)形式

受采空區(qū)地層裂隙發(fā)育影響，當(dāng)鉆進(jìn)到裂隙帶時(shí)，普遍會(huì)發(fā)生嚴(yán)重井漏，而現(xiàn)場多數(shù)采用泥漿加鋸末、核桃殼、棉籽殼等橋塞材料或者注水泥漿工藝進(jìn)行堵漏施工，因無法滿足大裂縫地層的堵漏要求，往往效果較差，造成基于常規(guī)堵漏施工的泥漿鉆井工藝無法適用于采空井鉆進(jìn)。后期為滿足采空區(qū)煤層氣資源開發(fā)需要，鉆井隊(duì)將沖洗液由泥漿調(diào)整為空氣，實(shí)現(xiàn)了欠平衡鉆井，解決了鉆井液漏失嚴(yán)重的問題，同時(shí)還因空氣來源充足和便利特點(diǎn)，成為采空井施工的最適用工藝。不過隨著該工藝的推廣應(yīng)用，空氣鉆井暴露出一個(gè)重大安全隱患：因空氣鉆井采用潛孔錘作為動(dòng)力鉆具，利用沖擊回轉(zhuǎn)方式進(jìn)行碎巖，當(dāng)釬頭沖擊巖石表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，加上空氣循環(huán)供氧，使得采空區(qū)存在遺煤自燃或煤層氣燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，安全性無法保障[9]。為此，綜合考慮空氣鉆井的安全風(fēng)險(xiǎn)和欠平衡鉆井的技術(shù)優(yōu)勢，現(xiàn)場施工時(shí)又將沖洗液由空氣調(diào)整為氮?dú)?，成功解決了安全問題[10-11]，目前已成為晉城礦區(qū)鉆進(jìn)采空區(qū)裂隙地層的主要鉆井工藝。不過隨著氮?dú)馇菲胶忏@井工藝的推廣應(yīng)用，因需要單獨(dú)配置制氮機(jī)、增壓機(jī)等設(shè)備，該工藝暴露出作業(yè)成本高的問題。

綜合來看，晉城礦區(qū)的采空井和穿采空井施工工藝先后經(jīng)歷了泥漿堵漏鉆井、空氣欠平衡鉆井、氮?dú)馇菲胶忏@井的優(yōu)化過程，并且經(jīng)過現(xiàn)場的不斷完善，形成了成熟的鉆井工藝流程：針對未漏失地層，采用常規(guī)泥漿鉆井或空氣鉆井工藝施工，完鉆后下套管并固井；針對裂隙發(fā)育地層，將沖洗液由泥漿或空氣調(diào)整為氮?dú)?，鉆至煤層底板，如果是采空井則提鉆裸眼或下篩管完井，是穿采空井則下套管固井，封隔采空段，常規(guī)工藝三開鉆至15#煤層底板。截止目前，該鉆井工藝已支撐了幾百口采空井和穿采空井的施工。不過隨著環(huán)保作業(yè)要求的提高，欠平衡鉆井過程中的揚(yáng)塵、噪聲等問題開始顯現(xiàn)，已成為當(dāng)下鉆井施工的一個(gè)短板。

2 煤礦采空區(qū)地層特征

目前在煤礦采空區(qū)地層施工鉆井時(shí)問題多、難度大，究其根本是受采空區(qū)特有的地層條件決定的，尤其是地層裂隙對漏失的影響，是制約鉆井工藝的關(guān)鍵。因此，開展鉆井難度分析和對策研究，前提是對采空區(qū)地層特征有所了解。

當(dāng)工作面回采時(shí)，煤層上覆巖層會(huì)經(jīng)歷變形—破斷—垮落的過程，到采煤結(jié)束后，將逐步形成一種穩(wěn)定的地層形態(tài)。根據(jù)經(jīng)典的礦壓理論[12-13]，對采場圍巖變形空間劃分方法，采場上覆巖層會(huì)形成“三帶”分布特征，從下到上依次是底部的冒落帶、中部的裂隙帶及上部的彎曲下沉帶，見圖2所示。

圖2 采空區(qū)分布特征

由圖2可知，冒落帶位于最底部，是巖層變形程度最劇烈的區(qū)域，形成的裂縫尺寸大、分布廣、導(dǎo)通性好；裂隙帶位于冒落帶之上，相比而言，其裂縫的尺寸減小很多，但裂隙在橫向和垂向依然十分發(fā)育，裂隙之間連通性良好；彎曲下沉帶從裂隙帶頂部至地表，其裂隙發(fā)育程度非常低，只有底部存在較小的離層裂隙。綜合來看，采空區(qū)地層的裂隙呈現(xiàn)出上小下大的變化形態(tài)，在裂隙帶和冒落帶層段，橫向離層裂隙和豎向破斷裂隙連通性較好，是目前發(fā)生井漏的地層段。

通常在油氣井堵漏施工時(shí)，漏失地層的準(zhǔn)確位置、深度、漏層特征等是設(shè)計(jì)堵漏工藝的基礎(chǔ)依據(jù)。因此，針對煤礦采空區(qū)鉆井，為了分析施工的難點(diǎn)和研究適用對策，首先需要明確采空區(qū)裂隙地層的位置和深度，即“三帶”的準(zhǔn)確分布范圍。因晉城礦區(qū)的3#煤層普遍賦存穩(wěn)定、變化不大，所以本文參照晉煤集團(tuán)寺河煤礦的頂板巖層條件(中硬砂巖為主)，選用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算上覆巖層裂隙在垂向上的發(fā)育范圍。

其中，冒落帶高度為

(1)

式中，Hm為冒落帶高度，m； ∑M為累計(jì)開采煤層厚度，m。

裂隙帶高度HL為

(2)

寺河煤礦的3#煤層平均厚度為6.0 m，采煤工藝為一次采全高，由此計(jì)算得到冒落帶和裂隙帶高度分別為Hm=10.5～14.9 m，HL=39.9～51.1 m。按最大值取值，則冒落帶高度范圍：0～14.9 m，裂隙帶高度范圍14.9～66.0 m。

綜合上述分析和計(jì)算可以得出，在采空區(qū)鉆井時(shí)，開始發(fā)生井漏的大概位置在煤層以上66 m，整個(gè)漏層段長度約為66 m，鉆進(jìn)過程中漏失最嚴(yán)重的區(qū)域是從煤層底板到14.9 m高度范圍的冒落帶。

3 采空井施工問題分析及對策

3.1 采空井施工問題分析

從前述分析可知，煤礦采空區(qū)地層呈現(xiàn)出典型的“三帶”分布特征，不僅地層裂隙普遍發(fā)育，而且裂隙發(fā)育的地層段長度比較長，由此對后期的鉆井施工造成嚴(yán)重影響，產(chǎn)生眾多施工難題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)井漏問題。采空區(qū)地層是原始狀態(tài)被破壞后形成的一種類似“構(gòu)造地層”，其中巖層間存在大量離層和破斷裂隙，由此導(dǎo)致地層壓力非常小，當(dāng)循環(huán)介質(zhì)的壓力大于地層壓力時(shí)，循環(huán)介質(zhì)將進(jìn)入地層的裂隙通道，從而發(fā)生漏失。鉆井液因密度大，形成的正壓差大，所以泥漿鉆井漏失最明顯，而當(dāng)采用空氣或氮?dú)忏@進(jìn)時(shí)，受壓差小影響，發(fā)生漏失的嚴(yán)重程度較泥漿減輕許多。不過在冒落帶地層，因裂隙通道尺寸大，鉆進(jìn)過程中空氣或氮?dú)庖矔?huì)漏失，出現(xiàn)井口不返屑的現(xiàn)象。

(2)井壁失穩(wěn)問題。采空區(qū)地層在經(jīng)歷垮落或下沉過程中，不同巖層間因位移變化不同，造成后期的巖體分布多呈碎塊狀，使得地層的結(jié)合強(qiáng)度低。當(dāng)鉆進(jìn)到該地層時(shí)，鉆具的擾動(dòng)和循環(huán)介質(zhì)的沖刷將造成井筒周圍地層發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致掉塊或井壁坍塌。此外，因套管外徑大，在完鉆下套管時(shí)，套管易與井壁發(fā)生刮擦，進(jìn)而加重破碎地層失穩(wěn)，最終導(dǎo)致下套管遇阻。

(3)安全問題。目前晉城礦區(qū)施工采空井形成了成熟的技術(shù)，即空氣+氮?dú)馇菲胶忏@井工藝，其中為了控制成本，一般一開和二開鉆進(jìn)選用空氣循環(huán)，當(dāng)鉆進(jìn)到采空區(qū)時(shí)再更換為氮?dú)庋h(huán)。由于空氣鉆井是利用沖擊方式進(jìn)行碎巖，井底會(huì)產(chǎn)生熱量，加上循環(huán)供氧，當(dāng)鉆進(jìn)到裂隙帶上部揭露采空區(qū)時(shí)，存在煤層氣被鉆燃的風(fēng)險(xiǎn)，具有非常大的安全問題。

(4)固井問題。目前晉城礦區(qū)施工采空井，一般二開完鉆的層位以發(fā)生漏風(fēng)為界限，導(dǎo)致了二開固井時(shí)井底存在漏失問題，而采用堵漏施工將污染下部的產(chǎn)氣層，造成二開固井效果難以保證；當(dāng)施工穿采空井時(shí)，二開完鉆的層位是煤層底板以下22 m左右，這導(dǎo)致固井時(shí)水泥漿只能上返到底板，技術(shù)套管下部的有效固井段只有22 m左右，影響二開固井的效果。

(5)完井問題。目前晉城礦區(qū)針對采空井，多數(shù)采用裸眼或下篩管的方式完井，由于采空區(qū)地層裂隙發(fā)育、膠結(jié)強(qiáng)度低，當(dāng)采用裸眼完井時(shí)，抽采過程中面臨井壁失穩(wěn)坍塌堵塞井筒的問題；當(dāng)采用篩管完井，篩管本體強(qiáng)度難以匹配地層變化時(shí)將發(fā)生擠壓變形，此外抽采過程還存在篩眼被堵塞的問題。

3.2 采空井施工對策研究

通過前述分析可知，受采空區(qū)這種特殊的地層形態(tài)影響，在采空區(qū)施工鉆井存在一系列問題，因此為滿足采空區(qū)煤層氣大規(guī)模開發(fā)的需求，急需對制約施工的行業(yè)難題進(jìn)行攻關(guān)，結(jié)合多年來積累的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾個(gè)方面的研究對策。

(1)基于空氣或氮?dú)忏@井施工采空區(qū)地層的技術(shù)優(yōu)勢，研究霧化或泡沫鉆井工藝，改變循環(huán)介質(zhì)類型，不僅降低鉆進(jìn)過程中沖洗液的漏失壓力，還可以解決安全風(fēng)險(xiǎn)難題。

(2)借鑒油氣井套管鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊鉆邊下套管，解決常規(guī)工藝下套管時(shí)因井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的遇阻難題。

(3)結(jié)合采礦學(xué)理論，準(zhǔn)確判別裂隙帶高度范圍，進(jìn)而優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，確保二開完鉆層位在裂隙帶之上，保證二開固井不發(fā)生漏失。

(4)通過分析采空區(qū)地層被擾動(dòng)后井筒四周巖體的穩(wěn)定性情況，對比優(yōu)化完井工藝，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度的完井篩管。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1)針對采空區(qū)煤層氣井施工，目前晉城礦區(qū)經(jīng)過不斷摸索，已形成一套成熟的鉆井工藝，即空氣+氮?dú)忏@井技術(shù)，但該工藝面臨施工安全、鉆井成本高、環(huán)境污染等問題。

(2)通過研究晉城礦區(qū)的采空區(qū)地層可知，采空區(qū)裂隙在垂向發(fā)育范圍0～66 m，深度范圍大，導(dǎo)致后期鉆井時(shí)存在井漏、井壁失穩(wěn)、鉆完井工藝不匹配等問題。

(3)基于當(dāng)前晉城礦區(qū)采空區(qū)煤層氣井施工現(xiàn)狀，急需通過優(yōu)化鉆完井工藝，解決制約行業(yè)發(fā)展的難題。

4.2 建 議

隨著國家對采空區(qū)煤層氣資源的高度重視，在采空區(qū)規(guī)劃施工的鉆井?dāng)?shù)量將越來越多，因此，希望通過對制約目前采空井施工難題的宏觀分析，為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提供一個(gè)明確的研究方向，以期推動(dòng)采空區(qū)鉆井技術(shù)的行業(yè)發(fā)展。