千米钻机在煤矿瓦斯抽采中的应用分析

2024-01-12高楠楠

西部探矿工程 2023年12期

高楠楠

（晋能控股潘家窑矿，山西大同 037003）

我国煤层地质条件比较复杂，瓦斯突出较多，煤层开采深度越高，瓦斯的处理就越困难。近几年，煤矿安全生产中经常出现的各种安全隐患，而煤矿安全、高效生产的制约就是瓦斯治理。而钻孔抽放是一项关键技术手段，可以有效地化解煤矿的瓦斯问题，已为绝大部分矿井所接受，但在瓦斯高、高地应力大、煤层破碎、瓦斯治理难度大、瓦斯治理周期长、效果差等问题上，因此，寻求合理有效的瓦斯防治技术成为当务之急。

近几年，由于设备和施工技术的不断提高，在高瓦斯突出矿井中广泛应用了千米定向钻井。山西晋城寺河、成庄煤矿在煤矿井下应用了一组长达1000m 的井巷预抽气井，并对矿井的瓦斯防治工作起到了很好的作用。针对这一情况，公司积极开展了千米定向钻井技术的研制，并在此基础上，提出了一种适用于井下井下千米定向钻井技术的新技术。为煤矿深层地区的瓦斯防治工作提供了有益的经验和参考。

1 矿井瓦斯治理概况

晋能煤炭集团公司某煤矿3号煤层，其煤层气储量为5.02～18.77m3/t，平均为11.9m3/t，是一种高瓦斯突出的煤矿。煤矿在开展瓦斯抽采后，采取了一种利用分层抽、钻的方式进行煤层气的处理。然而，传统的钻井设备往往存在能力不足、施工钻孔长度短、钻孔分布不均衡的缺点。钻井的有效预抽期短，抽水效率低，钻机搬迁频繁。在煤矿生产中，由于钻进量大，影响到正常生产，因此，如何迅速、高效地减少煤层的瓦斯，已是一个十分突出的问题。为此，针对矿井的具体条件，探讨了一种新的瓦斯防治方法，对千米级钻头的定向钻孔技术进行了深入的探讨，采用了千米定向钻机进行了分区分段开采，并使煤层的瓦斯含量得到了明显的下降[1]。

2 千米定向钻孔施工原理及工艺

千米定向钻井位置钻井，实质上就是将高压水流经钻杆送入孔底部，在高压水流的驱动下，通过U型接头，前端轴承带动钻头旋转。钻进过程中，钻杆是不旋转的，只有钻头才能旋转，这与传统的旋转钻机完全不同，这也是为什么它可以进行定向钻井基本原理。二是由于井下电机弯接头与钻杆不在一条线上，而存在一个夹角，所以，可以通过调节弯曲接头的方向来调节钻头的角度，从而达到弯曲的目的，从而准确地控制钻进轨迹。在一定的条件下，能够使井眼沿着预定的轨道进行钻井，而且还能在合适的地方进行开支。千米钻孔定位钻进原理如图1所示。

图1 千米钻孔定位钻进原理图

随钻测量系统是钻机在设计轨道上进行钻井的重要保障，它由三个主要环节构成：孔底测量探管、通缆钻杆、探孔监测。每次钻孔一次（通常是3m)，用钻孔底部对探针进行测井的各种参数进行了测试，再用导缆将数据传输至孔眼监控设备，再进行适当的转换，就可以得到井眼的平面和断面图。孔底参数包括孔深、方位、倾角、弯管方向等（见图2）。

图2 弯接头方向的定义

在定向钻井时，按预定的钻孔轨道进行弯接头的调整。为了防止地磁场的扰动，应采用非磁性的钻头。在钻井时，根据实际钻井轨道与预先确定的轨道偏差情况，对钻井的各项指标进行修正，以保证钻井的真实轨道尽量贴近预定的轨道钻进。

3 千米定向钻孔应用试验

自2014 年末，晋能煤炭集团公司某煤矿引入了一台千米定向钻机，在煤巷内安装了400～600m的定向长孔，主要应用于超前预抽孔和区域分段预抽孔的施工。现已开发出ZYWL-6000D和ZDY-6000LD系列钻井设备1套。为进一步检验定向钻井技术在该矿应用的可行性，为下一步实施定向长孔技术打下了良好的基础，并在3308矿开展了井下定向钻井的实验研究[2]。

3.1 试验区域地质概况

表1列出了该测试区的煤层特性。经现场调查，在此部位，岩体坚硬，节理处发育，胶结性不佳。两个厚度比较小的夹矸，分别位于煤层底面1.2m，下部1.5m处，夹杂物附近有一层软性层状。

表1 煤层情况特征表

3.2 钻孔轨迹设计

1#井按照原煤层的顺层进行了井眼的施工，并对3308瓦斯和回风巷的条带瓦斯进行了治理。在此基础上，在每个60～80m 处设置一条支路，以确定煤的分布状况和煤体中的稳定化程度。该井眼的孔方向与联络巷水平，其设计指标详见表2，井眼轨道详见图3。

表2 1＃钻孔设计参数表

图3 1#孔钻孔设计剖面图

3.3 千米定向钻孔施工总结分析

1#钻孔工程累计共计23d，开挖13 个支洞，最大钻深309m，已完成1017m 的开挖。受煤层条件、施工工艺等因素的制约，使钻具施工难度大，卡钻事故时有发生，每套钻头的钻速仅为44m/d，严重制约了其工作性能，严重地制约了煤矿的安全。

（1）定向钻井具有一定的地质特征，一般需要煤层整体良好，煤层硬度高，煤层强度比1.4以上，便于进行煤层定向钻进，但煤层属于多层理、节理发育、破碎煤层，煤层硬度比0.74以上，煤层的地质状况与定向钻井的理想条件相差很大。

（2）千米定向钻机采用井下电机带动钻头，多数钻杆在井中不能转动，不能用钻杆进行排渣，因此，钻井排渣是定向钻井的首要难题。从1#孔进入煤层后，由于煤层塌陷，井眼不能及时排渣，导致冲孔时间过长，累计冲孔次数达到10次。在钻井过程中，共设置了13个支路，由于其在各支道上的开枝工作周期较大，导致各工段的平均进尺水平不高。在千米定向钻井工程中，采用了水力排渣法，所以需要在井口位置设置一个大的斜角，在钻孔到达某一深度时，尽量避免在下孔位置施工；从而确保了在工程中的顺利排渣，避免塌方。在此过程中，要避免磁力强、破碎强度大的地区。

（3）受煤矿地质环境制约，在使用1000m钻头进行模块式抽放钻孔时，存在着不能开孔、不能进行安全操作等问题。由于钻孔的位置与煤层等高线的角度过大，导致整个煤层坍塌的可能性增大。

4 千米定向钻孔施工工艺优化

4.1 千米钻机的卡钻机理

井中发生的坍塌是引起卡钻的主要因素之一。在退钻阶段，由于钻进时，煤渣、水和瓦斯的重新混合，造成井眼堵塞，钻机的提升要求更大的拉力。当堵塞点对钻具的抗拔力比受到的抗拔力要低时，由于钻头难以打破阻塞点的应力平衡，造成了钻井事故。此外，排渣质量差也是造成钻机事故的主要原因之一。

频繁的停钻、停水更换钻柱、再开水、钻井作业时，钻井轨迹出现了弯折，使钻机的水力排渣器难以将微小的钻渣排除，使井口处的沉积物增多。由于煤泥中含有瓦斯、水和煤渣，很容易形成软渣淤塞，因此在回收钻具时，钻机会将煤渣集中在一起；在不进行注水或回钻情况下，喷出的泥浆不能排出，使用强拔方法，很可能会对软渣进行挤压，进而导致堵塞。

4.2 千米钻机轨迹设计优化

（1）对矿井的开孔倾角进行了优化，矿区的倾角为2°～10°，并采用了从浅到深的方向进行的千米定向钻孔，采用2°以上的开孔斜率，最好的斜率为6°～10°。另外，倾斜角度的选取也要注意减小在破碎煤层中的穿孔轨道，避免由于穿透煤体而造成的崩孔。

（2）上、近井的井长度一般不会大于600m，因为管道长度大，排渣间距大，难以排出，出现塌孔、垮孔、堵孔的可能性很大。

（3）根据煤层状况，将煤层划分成主打层、可打层和警戒层，并尽量将轨道布置在主打层。

（4）沿煤层等高线或与煤层等高线呈一定角度（5°～10°）进行开孔，可以大幅度地提高多层理煤层的成孔率。

（5）通过对矿井井眼平面布局的优化，根据矿井开采半径的调查，将井眼距离从5m改为6m，扩大了井眼的覆盖面。为了达到较好的抽采效果，提高了钻井的利用率。

4.3 钻机施工操作优化

（1）合理地调节钻速：钻井压力是一种评价钻速是否合理的参数，而在不影响水压的情况下，选择合适的钻速。而岩石的水压力也可以很好地反映岩石的硬度和变形情况。严格遵守工程进度，不得在任何时候进行突发性的钻探。

（2）钻杆应适时续接，缩短停水时间，避免长期停机。千米定向钻孔，一定要持续进行，不然会影响到排渣，特别是在塌孔多的地方，排渣不利会造成钻进失败的概率增加。

（3）当水压、泵压或前进/回退压骤增或异常不稳时，必须停止钻井。

（4）在不返水、不返渣的情况下，不得盲目回钻，强行拉拔。

（5）在进行探底（底）作业中，进行顺向煤体钻孔的时候，要适时地进行方位调整，以防止在探顶（底）过程中出现坍塌。

4.4 钻进施工事故处理优化

（1）当发生卡钻事故时，要制定出一套科学的救援方案，确定打捞的重点和难点。对易发生卡钻的部位（支点、塌孔处、轨道变动大的地区）进行了详细的分析。

（2）在送出钻杆时，要尽量降低转速，通常将转速维持在33m/h。

（3）在进行钻杆打捞作业时，应密切关注主泵压力和钻杆转动情况，若发现主泵压力波动剧烈，钻杆旋转不匀，则表示钻杆所受的力矩很大，有发生断裂的危险。这时，必须暂停钻井，并进行相应的处理[3]。

（4）在打捞过程中，要坚持使用冲孔剂。

（5）在打捞钻杆进入钻井引导系统(DGS)或探井作业时，应保证水压不超过正常排渣要求，并以50L/min为宜。同时，对被捞起的钻杆进行位置调整，防止在钻机进入位置后再把钻头引入井内。

（6）当孔底马达被拔出时，不能旋转，否则钻头与孔底马达会发生脱钩。

5 改进前后钻进效果对比

通过对钻井路线的调整和钻井方法的不断完善，3308 井区千米定向钻场的钻区目前已经建成6 个井眼，累计进尺9663m，单台钻头平均每个月能下2261m，而定向钻区则能达到12.65m3/min的抽出能力。研究发现，在钻井过程中，钻头的月进尺能力和钻场提纯性能均有很大提高。

如表3 所示，通过优化钻探工艺，单台钻机的月钻距由1326m增至2261m，作业效率提高70%。主井最大深度为309～456m，比以往提高了47%。定向钻场的抽提率从原来的5.43m3/min 增加到12.65m3/min，增加130%。改造后的钻井施工效率、主孔最大深度及钻井场地的抽采量均有较大幅度的提升。