欠平衡钻井工艺在煤矿地面采空区水位观测孔施工中的应用

2022-06-29习通张记飞景婵

河南科技 2022年11期

习通张记飞景婵

摘要：通过对穿采空区井常用的钻井工艺进行研究，根据项目特点、施工地地质条件等，选用合适的欠平衡钻井工艺应用于煤矿地面采空区水位观测孔钻井施工。将研究中获取的煤层顶板裂隙带高度、保持井底清洁的最小气量计算结果应用于实际施工，分析经验公式的不足和优点;将跟管钻进技术与空气动力钻井技术相结合，解决穿采空区井施工中套管难以下入的难题。为其他煤矿地面采空区水位观测孔或需要穿越采空区的井型施工提供有益参考。

关键词：欠平衡钻井;穿采空区;顶板裂隙带;最小气量;水位观测

中图分类号：TE249 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）11-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.012

Application of Underbalanced Drilling Technology in Construction of Water Level Observation Hole in Goaf

XI Tong1，2 ZHANG Jifei1 JING Chan1

（1.The Second Institute of Resources and Environment Investigation of Henan province， Luoyang 471000，China;2. Henan Provincial Fracturing Engineering Technology Research Center， Luoyang 471000 ，China）

Abstract： According to the characteristics of the project and the geological conditions of the construction site， the appropriate underbalance drilling technology is selected and applied to the drilling construction of the water level observation hole in the goaf. The calculation results of crack zone height of coal seam roof and minimum gas volume to keep bottom clean are applied to practical construction， and the shortcomings and advantages of the empirical formula are analyzed. The combination of casing drilling technology and aerodynamic drilling technology solves the difficult problem of casing running in goaf well construction. It provides useful reference for other coal mine surface water level observation hole or well type construction that needs to pass through the goaf.

Keywords： underbalanced drilling; pass through the goaf; roof fissure; volume flow rate; water level observation

0 引言

由于煤矿煤层开采后，采空区顶板裂隙发育，在穿越煤层采空区时常规水基钻井液钻井技术无法使用，采用欠平衡钻井技术施工穿越煤矿采空区成为一个可行的方案。早期的欠平衡钻井采用的循环介质是空气，后相继开展试验以氮气、泡沫、柴油机尾气等作为循环介质的欠平衡钻井工艺技术。目前，国内已应用于施工的穿越采空区的主要钻井工艺为水基钻井液常规钻井技术、空气钻井技术、氮气钻井技术和跟管钻井技术，施工过程中也暴露了一些问题。在实际钻井施工中，需要根据施工位置的地质条件、工期、成本等各方面因素，将各种钻井工艺组合使用，扬长避短，才能快速、安全地解决施工难题，完成施工任务。

1 工程概况

磴槽矿受郑州“7.20”暴雨影响，矿区内二1和一3煤层采空区内有积水，为查清两煤层采空区的积水情况、富水性，为矿井复工复产做准备，在地面施工一个采空区水位观测孔。根据需要，该井需要穿越二1、一3煤层采空区，钻穿一3煤层采空区后3～5 m完钻。设计井深530 m，二1煤层采空区厚约5 m，一3煤层采空区厚约1 m。工期要求为15 d。

在施工前勘查现场地质条件并结合施工成本、施工工期分析，因為井较深，工期较短，且需要穿越采空区，选用欠平衡钻井工艺进行施工方能解决施工工期短、地下地质条件复杂的问题;因该区域二1、一3煤层采空区均已有通道与地面沟通，采空区内瓦斯含量较少或没有，采用空气钻井工艺即可，不用担心空气钻井过程引发采空区内瓦斯自燃或爆炸。

2 井身结构设计

因需要穿过二1、一3煤层两层采空区，故选择三开井身结构。

一开：0～20 m，采用Φ311.15 mm钻头无芯钻进至基岩下20 m左右;下入Φ273 mm套管，用425#硅酸盐水泥加速凝剂固井，水泥浆返出地面。

二开：20～500 m，穿过二1煤采空区，进入太原组上段灰岩0.5 m左右完钻。采用Φ241.3 mm空气潜孔锤钻头无芯钻进至太原组上段灰岩0.5 m左右。二开结束后下入40 m左右的Φ203 mm衬管保护二1煤采空区及其顶板冒落带，下入衬管后固井候凝，一方面保护孔壁，另一方面封闭二1煤采空区及其底板含水层。D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9

三开：500～530 m，钻进到一3煤空区底板以下3～5 m完钻，采用Φ171.5 mm钻头无芯钻进一3煤底板3～5 m（下余2 m口袋），施工结束后进行测井，测井结束后下入Φ139.7 mm×7.72 mm套管530 m。

3 设备选型

本次施工的水位观测孔井深530 m，选用徐工集团XSZ-800Ⅱ型履带式钻机配合2台空压机进行施工，选用的主要设备见表1。

4 钻井参数研究及应用

4.1 采空区顶板裂隙带高度

煤层开采后，采空区顶板会出现下沉、垮落和来压现象[1]，上方会产生冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。就钻井施工而言，因裂隙带和弯曲下沉带会导致地层产生裂隙，空气钻进时因裂隙漏风而影响气体携岩能力，因此需要计算采空区的冒落带、裂隙带的高度，在钻进到此位置附近时要增加气体钻井的气压和气量。

冒落带高度计算公式采用《筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号）[2]中硬覆岩岩性的计算公式为式（1）。

[Hk=100M4.7M+19±2.2] （1）

裂隙带高度采用《煤矿专门水文地质勘查规范》（GB/T 40130—2021）[3]中国矿业大学（北京）和唐山煤科院中硬覆岩岩性的两个计算公式（2）（3）。

[Hf=100M0.26M+6.88±11.49] （2）

[Hf=20M+10] （3）

式中：[Hk]为冒落带高度，m;[Hf]为裂隙带高度，m;M为煤层采厚，m。

二1煤层采空区厚度5.00 m，一3煤层采空区厚1.00 m。根据公式（1），计算得二1煤层采空区顶板冒落带高度为13.96 m，一3煤层采空区顶板冒落带高度为6.42 m;二1煤层采空区顶板裂隙带高度为72.61～110.00 m，一3煤层采空区顶板裂隙带高度为25.50～30.00 m。

在本井实际空气钻井施工中，二1煤层采空区顶板110.00 m前已发现井下有漏风现象，二1煤层采空区顶板裂隙带大于110.00 m;一3煤层采空区的顶板裂隙带小于25.00 m。

4.2 最小气量

空气钻井技术是采用空气来代替钻井液将井底钻头钻进产生的岩屑运移出井外。空气量不足，会导致岩屑不能顺利返出井外，逐渐堵塞在井底发生事故;空气量过大，会增加井底压力，降低机械钻速，并造成额外的钻井成本。因此要根据井深和井径的大小等因素，计算出能够将井底岩屑运移出井外的最小气量，确保井底清洁。国内外学术界逐渐形成了井底清洁的三类标准，即最小动能标准、最小速度标准和最小井底压力标准，这三类标准都是基于携带岩屑标准提出的[4-8]。第一类是由施工现场成功完井的空气钻井实例总结而来，但未考虑气固两相之间的相互作用;第二类考虑了气固两相之间的相互作用;第三类考虑因素较单一。井底清洁程度第二类标准理论上具有先进性，因此本次计算最小气量采用第二类标准——岩屑沉降末速度标准[9]。

沉降末速度是指岩屑在流速为Va的上升气流中，最后达到稳态时岩屑相对于气流的速度。按照岩屑沉降末速度理论，只要保证空气的流速一直在岩屑沉降末速度Vt之上，就能够保持岩屑处于上升状态。在环空上升气流中有Vt=Va-V，即V=Va-Vt，只要保证Va>Vt，岩屑在井壁环空中就能够保持上升状态。其速度公式以及流量公式如式（4）（5）。

[Vt=4·g·dmax（γc?γg）3·F·γg] （4）

[Q=Vt·s=Vt·π4（D?2?Dp2）] （5）

式中：[g]为重力加速度，m/s2;[dmax]为岩屑的最大特征尺寸，m;[γc]为井底岩屑重度，N/m3;[γg]为空气的重度，N/m3;F为绕流阻力系数;Q为最小空气流量，m3/s;Dh为井眼直径，m;Dp为钻杆直径，m。

在空气钻井环空岩屑计算中，认为岩屑是圆球形的，环空气体处于紊流状态，此时F=0.44[10];岩屑尺寸取井底岩屑尺寸的1/3～1/2;根据施工区使用空气钻井的数据分析，返排岩屑的相对密度为2.4 g/cm3，钻铤外径为165 mm，钻杆外径为127 mm，井眼直径为241.3 mm、171.5 mm，假设井底岩屑最大尺寸为25 mm，在标准气压下根据式（4）、式（5）求出对应的岩屑沉降末速度为40.71 m/s，最小流量分别为59.44 m3/min、25.47 m3/min。结合现场钻井情况，现场配备两台空压机，提供的空气流量为38～76 m3/min，最小流量分别为59.44 m3/min、25.47 m3/min，现场空压机能够满足施工空气流量，故能够将岩屑有效地排出井眼。而且由于施工区上部地层主要是炭质泥岩、细粒砂岩，一般最大岩屑尺寸小于25 mm，所以該公式的计算结果满足工程实际需求。考虑到井壁内的气体与钻具、井壁的摩擦作用，所以当井深增大时应适当增大空气流量。以上计算为常规地层空气钻井时的最小气量，不考虑地层采空区裂隙。

在本次水位观测孔施工中，在进入裂隙带之前，参照本次计算的最小气量，一开时采用1台美国寿力1170P空压机，额定排气量为38.2 m3/min，二开、三开采用2台美国寿力1170P空压机，能够满足钻井时排除井底岩屑的需要，说明最小速度标准计算结果可以用于指导实际钻井施工。

5 施工中遇到的问题及解决办法

按照设计要求，二开钻穿二1煤层采空区后进入太原组灰岩0.5 m完钻，但在二开完钻后，经过多次通孔，二开套管在下至采空区位置后无法下入。经过分析，认为二1煤层采空后，顶板垮落下来，由于顶板较为破碎，钻头可以轻松穿过，但起钻后，破碎的顶板岩石又堆积在钻头穿过采空区的位置，造成二开套管无法下入。D6765809-7F44-4914-BDD4-865C1CEA68E9

为解决这个问题，快速、顺利地将二开套管下入，不延误工期，经过分析研究，认为采用跟管钻进通孔的方式能够解决这个问题。跟管钻进是采用偏心钻头（见图1）钻至设计井深，然后将钻头退出套管，将套管留在孔内。

单偏心潜孔锤跟管钻井技术的主要工作原理为车载钻机顶部动力头回转力和钻进动力，钻杆、钻铤等钻具重力提供钻进动力，空压机和增压机提供潜孔锤工作的动力和返出井底岩屑的循环介质。在钻进时，车载钻机动力头正转，带动钻杆、钻铤、套管和单偏心潜孔锤正转，偏心钻头在导诊器偏心轴的正转带动下张开，并被限位。偏心钻头旋转张开后钻出的孔径大于套管的外径，钻头带动钻具、钻杆、钻铤钻进。当钻至设计层位时，车载钻机动力头缓慢倒转，偏心钻头倒转收回，偏心钻头收回后倒转旋转外径小于套管内径，带着钻具从套管内退出，將套管留在孔内。

本次采用单偏心跟管钻具通井和钻进原理相同，在单偏心跟管钻具下钻通孔时，车载钻机动力头正转，带动钻具、套管和偏心钻头、中心钻头正转，偏心钻头张开，并被限位。在空气和钻具的压力作用下，钻头带动套管、钻具钻进，穿过二1煤层采空区至设计井深，将车载钻机动力头缓慢倒转2圈，偏心钻头收回，带着钻具从套管内退出，将二开套管留在孔内，最终顺利将二开套管下入设计层位。

6 结论及建议

①在实际钻井中，纯钻进时间仅72 h，说明欠平衡空气钻井技术应用于穿采空区的井型时，能够提高效率。

②当钻遇煤层顶板裂隙带情况时，发现通过经验公式计算的采空区顶板裂隙带的高度与实际裂隙高度偏于保守，采用经验公式计算的顶板裂隙带可供参考，如果需要更准确的数据，应根据该地区的采厚、采空区面积、顶板管理与采煤方法、顶板岩层结构类型、煤层赋存状况及开采深度6个方面因素对顶板导水裂隙带最大度进行综合分析[11]。

③采用井底清洁的第二类标准——岩屑沉降末速度标准来计算保持井底清洁的最小气量，比较符合实际情况，可以用来指导实际空气钻井施工。

④在选用何种气体进行穿采空区井的欠平衡钻进方面，应根据施工地的地层、地质特征来进行选择，并可与跟管钻井等钻井工艺配合使用，以求快速、安全地完成钻井施工任务。

参考文献：

[1] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2] 国家安全监管总局，国家煤矿安监局，国家能源局，等.筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范[M].北京：煤炭工业出版社，2017.

[3] 全国自然资源与国土空间规划标准化技术委员会.煤矿专门水文地质勘查规范：GB/T 40130—2021[S].北京：中国标准出版社，2021.

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