煤矿采空区煤层气井钻井工艺

时间：2024-08-31

李称心

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

我国煤炭资源丰富，是煤炭生产和消费大国。而煤层气作为一种新型的清洁能源，是一种与煤伴生并以吸附态形式自生自储于煤层中的非常规天然气。因此，我国也是煤层气资源最为丰富的国家之一。煤层气开发利用不仅对我国能源保障和煤矿安全具有重要意义，而且对改善能源结构，促进清洁能源发展也具有重大意义。

煤矿长期开采形成了采空区，基于煤层气在残留煤矿采空区的赋存形式，一定浓度的煤层气游离于采空区，便于直接抽采，不需要像致密(页岩)气那样开发，需要进行大型压裂，导致资源浪费和环境破坏。基于我国能源结构调整和安全生产考虑，大量中高瓦斯含量的矿井关闭，预计到2020年，我国关闭/废弃矿井数量将达到12000处，到2030年数量将到达15000处，据调查，目前的关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t，非常规天然气(煤层气)近5000亿m3，煤矿采空区煤层气开采具有很好的商业价值与前景。因此，需要从地面钻井钻达煤矿采空区，对采空区进行煤层气再开采。

同时，我国煤炭开采方式也是遵循由浅入深开采。例如山西省沁水盆地煤炭资源丰富，晋城矿区3号煤层经过几十年开采，产能不足，需要产能续接，必须对3号煤层下组9号、15号煤层进行开采。而前期取芯测试，9号、15号煤层含气量较高，平均含气量分别为17.84m3/t、24.10m3/t，属于高瓦斯矿井。根据煤炭安全开采以及瓦斯高效利用，必须对其进行瓦斯预抽采。因此，需要在地面钻井，穿过采空区，对下部煤层气进行开采。

1 煤矿采空区地质特点

1.1 煤矿采空区的形成

因煤矿开采过程，需要将地下煤炭资源开采运走，一般会在掘进过程中，采用类似道路上过山隧道方法，逐步打通地下煤炭所在位置到煤矿井口间的隧道，将开采过程中遇到的矿石、煤炭等运送到地面，以便形成合理的运送和开采作业面，随着煤炭和其他矿石的不断运出，地下就形成了煤炭采空区(图1)。

1.2 煤矿采空区“三带”的形成

(1)冒落带：是指工作面回采后引起的煤层上覆岩体完全垮落的那部分岩层。该层岩石具有不规则性、碎胀性和密实度差的特征。

A—煤壁支撑影响区；B—离层区；C—重新压实区1—冒落带；2—裂隙带；3—弯曲下沉带图1 采空区“三带”示意图

(2)裂隙带：是指该部分岩层在推进方向上裂隙的发育，各岩层的裂隙浓度已扩展到(或接近扩展到)全部厚度。在采场推进过程中能够以“传递岩梁”的形式周期性断裂运动，在推进方向上能始终保持传递水平力的联系。内应力场的主要压力也是来源该部分岩层。裂隙带随煤层开采，覆岩的沉降、离层、破坏的形成具有从发生、发育(上升)、最大高度、回降、稳定的发育过程，裂隙带最终形态必须是在工作面开采范围达到一定程度。

(3)弯曲下沉带：裂隙带以上，有时直至地面的这一带称为弯曲带。从整体上看，该带岩体在自重作用下产生弯曲变形面不再破裂，只在地表下沉区边缘因弯曲而出现拉应力的部位，产生一些随深度增加而逐渐闭合的张性裂陈。

1.3 采空区温度、压力情况及三带高度的确定

以沁水盆地晋城矿区为例，3号煤层埋深在300～800m，平均地温梯度35.3℃/km，采空区地层压力系数0.7～0.9，钻井液密度1.02～1.10 g/cm3，固井水泥浆密度1.50～1.90 g/cm3。

根据晋城煤矿地质资料以及钻井的可钻性分析可知，3号煤层顶板的直接顶为泥岩，较软，基本顶为中砂岩、泥岩和粉砂岩夹少量砾岩，硬度不高，基本顶与直接顶厚度之和大于30m，参照表1，选择中硬岩性作为计算公式比较接近。

已知3号煤层平均厚度M=4.2m，则Hm=(11.7±2.5)m；Hl=(22.1±6.5)m

表1 采空区三带高度的计算公式

1.4 井身结构及示意图(表2、图2)

表2 井身结构

图2 采空区钻井井身结构示意图

2 钻井技术现状

2.1 水基钻井液常规钻井技术

采用常规钻井技术钻进至采空区裂隙带中上部，钻井液发生恶性失返性漏失，由于其裂隙尺寸较大，常规堵漏(桥堵)无法实现架桥；聚合物凝胶堵漏、水泥堵漏，由于强度不高或不易在漏层中停留，导致堵漏无法成功。钻井过程中，大量的钻屑无法正常的携带出井眼，导致卡钻、埋钻等事故的发生。

2.2 空气钻井技术

为解决采空区裂隙带漏失钻井难题，采用空气钻井技术，基本解决了井漏问题。齐治虎等在沁水盆地寺河煤矿采用空气钻井技术，成功钻穿了3号煤层采空区，钻达煤下组15号煤层。同时，空气钻进过程中也暴露了一些问题，如地层出水，钻屑返排不畅导致卡钻，由于受地面设备限制，无法增加风量，转成空气泡沫钻井，提高空气的携岩能力，使钻井目的顺利完成。

但是空气钻进时钻具与岩石撞击摩擦产生热量，加上井筒内循环空气的影响，必然导致采空区有瓦斯自燃甚至是爆炸的风险。

2.3 氮气钻井技术

为解决空气钻井过程中瓦斯与空气接触发生自燃的危险以及存在爆炸的风险，晋煤蓝焰公司在寺河矿-5井成功试验了氮气钻井技术，不仅解决了井漏问题，还杜绝了钻进过程中的安全风险。同时，晋煤集团对钻穿采空区的该项技术和井身结构申请了专利保护。但为提高钻屑上返速度，确保钻井安全，该钻井技术需要额外增加外围钻井设备(4台空压机、2台增压机、1台制氮机)，大幅增加了钻井成本，限制了技术推广进度。

2.4 几种可行性技术研究

(1)李俊峰对晋城矿区过采空区钻井抽采煤层气进行了可行性分析，提出套管钻井技术省去了起钻、通井、循环和下套管等环节，克服了常规钻井停钻或提钻而造成井下埋钻事故和塌孔事故的缺点，并提出了一系列的可行性技术建议。同时，山西蓝焰集团对李俊峰的晋城矿区过采空区钻井抽采煤层气可行性分析中的套管钻井技术及分段孔底封堵破碎岩石相关技术申请了专利保护。闫泊计以晋煤集团3号煤采空区为例，针对过采空区施工中煤体自燃及破碎松散地层安全钻井问题，提出最佳解决方案为氮气钻井技术与跟管钻井技术相结合。

(2)李彦明针对矿区采空区煤层气钻井过程中极易发生井漏、卡钻、下套管遇阻等施工难题，研制了高强度套管、可钻式钻头及开发堵漏钻井液，可以将套管钻井技术转化应用于采空区地层钻井，为采空区煤层气开发提供了一种新的技术途径。

2.5 技术优缺点分析

2.5.1 空气及氮气钻井的优缺点

空气钻井以空气作为介质，一方面能大幅提高机械钻井速度，另一方面作为循环介质的空气密度低，对井眼形成的压力较低，在钻井过程中不存在钻井液的漏失，能有效解决长段复杂地层的井漏问题，大幅度降低井漏损失，加快钻井工程进度，提高煤层气勘探开发效益。但采用空气钻井过采空区，增加了采空区中氧气的浓度，加之空气钻具与井下岩石摩擦过程产生热量聚积，钻井过程中时有发生自燃的现象。同时，也增加了采空区爆炸的风险。

氮气钻井不仅具有了空气钻井的优势，还因为循环介质为惰性气体，有冷却效果，同时，避免了采空区钻井中的自燃问题及爆炸的安全隐患。

但是，空气/氮气钻井技术也受地质条件所限制，对于出水地层，由于地层水能使黏土颗粒凝结膨胀，容易造成环空堵塞及卡钻事故；破碎/松散地层，井壁不稳定，钻井过程中岩屑受到上返速度限制不能及时携带出井眼，也会出现卡钻事故。而对于裂隙发育地层(采空区、溶洞)，在风量一定情况下，“漏气”势必会使上返速度降低，从而增加了卡钻的风险。

同时，空气/氮气钻井技术需要地面配制一定数量的动力设备(如空压机、增压机、制氮机)，增加了钻井成本，与低成本开采煤层气现状相矛盾，因此，不具备广泛推广的价值。

2.5.2 跟管及套管钻井的优缺点

跟管及套管钻井技术针对破碎/松散地层能够及时用套管封隔，减少钻井过程中起下钻通井、下套管作业过程，避免了通井卡钻、套管下不到位等复杂事故的发生。

跟管钻井由于套管串与钻头连接且套在钻杆串上，增加了钻具的刚性，钻井过程中增大了阻卡的风险。套管钻井采用可钻式钻头，下开次钻井需要先用磨铣钻头将可钻式钻头磨掉，则要浪费一只钻头。而采用可捞式钻头，其工具串结构十分复杂，造价高，存在回收失败的风险增加打捞的风险。

跟管及套管钻井对钻机配套及辅助设备有一定要求，势必会增加钻井成本，因而对于煤层气钻井普及推广不具备现实意义。

2.5.3 固化堵漏工艺

固化堵漏液是将固井与堵漏相结合的一种技术，其工作原理是具有良好流动性的固化堵漏液在钻进过程中进入裂隙发育地层，在漏失通道短时间内稠化，并形成较高的强度，填充漏失地层的原生裂隙，进而阻止堵漏液进一步向地层深处流失，从而提高地层的承压能力，实现漏失地层的局部范围堵漏。

采空区裂隙带钻井井漏问题得到解决，该技术具有很好的推广价值。固化堵漏液主要由固化剂、激活剂、悬浮稳定剂、促凝剂、缓凝剂、密度调节剂等外添加剂与清水通过掺混配置而成。其中固化剂是最基础的原料，加量大，其余添加剂加量少，成本低。因此需要考察固化剂成本问题。矿渣是一种工业废料，来源广，价格低，可以作为固化剂凝胶材料使用。需要对不同矿渣进行系统评价，优选出性价比高的矿渣作为固化剂使用。这样固化堵漏液成本就控制下来了，一旦试验成功，必将具备广阔的市场前景。

实现该堵漏工艺只需要采用常规钻具钻井，钻至裂隙带，发生恶性失返性漏失，地面配制固化堵漏液，候凝，试压，钻塞，钻进至裂隙带中部中完，下开次采用尾管钻井技术，钻具组合为下接可钻式钻头+套管+旋转悬挂器+普通钻杆，用清水强钻50～70m，钻揭冒落带，钻至3号煤层底板30m完钻。根据试气结果，判断该采空区煤层气是否具备开采价值。若具备开采价值，则上提管串40～50m，使钻头在采空区中上部，完井。若该层位不具备开采价值，则套管留在3号煤层底板，进行固井，水泥返至3号煤层底板30m套管坐挂在上级套管内，完成钻杆与套管丢手，完井。而要钻达采空区煤下组，则该井筒可以二次利用，先下磨铣钻头将可钻式钻头钻掉，然后下下一级钻具组合开通过对采空区裂隙地层进行有效固化封堵，并钻进至采空区3号煤层底板30m中完，套管下至3号煤层底板30m，固井水泥返至3号煤层底板10～30m，下开次则先用磨铣钻头将可钻式钻头钻掉，再采用常规钻具使用泥浆钻进至15号煤层底板30m完钻。