寺河井田穿煤柱下组煤煤层气水平井钻井技术研究_苏善博.pdf

：收稿日期：基金项目：山西省科技重大专项项目（）；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金（）作者简介：苏善博（），男，河南郑州人，从事煤及煤层气勘探开发研究工作，：。通信作者：张培河（），男，山东青岛人，研究员，硕士生导师，从事煤及煤层气勘探开发研究工作，：。引用格式：苏善博，张培河，李 林，等 寺河井田穿煤柱下组煤煤层气水平井钻井技术研究 煤炭工程，（）：寺河井田穿煤柱下组煤煤层气水平井钻井技术研究苏善博，张培河，李 林，降文萍，王正喜（煤炭科学研究总院，北京；中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安）摘 要：下组煤煤层气超前预抽已成为煤矿区煤与煤层气共采的重要任务。以寺河井田为例，通过分析 号煤层采动卸压后下伏岩层应力分布、裂隙演化及渗透率变化规律，研究了通过地面抽采下煤组煤层气降低瓦斯含量的可行性，开展了下组煤地面煤层气抽采井位部署方法、钻井技术工艺及关键排采技术等研究。结果表明：下组煤 号煤层渗透率增加约 倍，有利于 号煤层进行地面煤层气预抽；根据煤层气开发工程要求，按照地面井下综合分析的方法，优化部署了穿煤柱下组煤水平井煤层气抽采井位，设计了三开钻井井身结构，优化了井眼轨迹设计及钻井轨迹控制技术，研究了不同钻井层段的钻井液体系、裂隙发育段堵漏及分级固井工艺等钻井技术；为有效减少 型水平井排采中管柱磨阻，采用“大井扶斜正双保接箍防偏磨导向器降扭矩”工艺。所实施的穿煤柱下组煤水平井，最高日产气量 ，个月内累计产气量 万，产气效果理想，证明了技术工艺的可行性。关键词：采动卸压；下组煤；煤层气；水平井；钻井技术 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；（），）：，“”，：；第卷第期 煤 炭 工 程 ，煤矿区上组煤开采完成或进行到一定阶段后，会适时转入下组煤开采，在下组煤正式开采之前，需要提前探测或治理隐蔽致灾因素，煤矿瓦斯就是一个重点考虑的因素。煤与瓦斯共采是我国煤矿瓦斯防治和煤层气规模化开发的关键举措。我国煤层气开发产业从无到有、从依赖进口走向自主创新，经历了引进、应用完善、创新发展 个阶段。结合我国地质储层条件，形成了煤层气水平井技术组合体系。国内学者针对近距离煤层群开采的理论和技术开展了大量的研究，取得了很多宝贵的成果。程远平等分析了煤层采动引起煤岩层卸压变形规律和卸压瓦斯抽采规律，提出远程卸压瓦斯抽采方法，并形成了保护层开采下的煤与瓦斯共采技术，。张勇等研究了上保护层开采过程中底板煤岩体采动裂隙的分布范围及动态演化规律。程志恒等研究了采动围岩应力裂隙分布与动态演化特征并分析了近距离煤层群的资源赋存特征，形成了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系，。赵毅鑫等对煤层回采过程中采场周围应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律进行模拟研究；李国富等选用氮气置换套管钻进及多节点集约化注浆加固等钻完井工艺成功实施了过采空区直井，大大增加施工成本。齐治虎研究了潜孔锤及空气螺杆氮气施工的钻井工艺施工水平井，解决了采空区敏感层段的施工难题，同样也增加了钻井成本及钻井周期。针对钻进采空区面临循环介质漏失严重，井壁易坍塌、固井困难及空气钻井成本高等技术难题，本文以寺河井田为例，研究提出了地面施工下组煤穿煤柱水平井煤层气开发技术，并进行了穿煤柱下组煤水平井煤层气抽采工程试验，取得了良好的效果。研究区概况寺河井田是目前国内开发煤层气的重点区域之一。主要可开采煤层是石炭二叠系太原组和山西组，煤层硬度高，煤体结构简单，是高瓦斯、煤与瓦斯突出并存的矿井。采用斜井盘区式开拓方法，走向长壁综合机械化采煤方法开采 号煤层，该煤层属于较稳定的全区可采煤层，未来规划开采 号煤层。目前随着上组煤大面积回采，部分区域已成为采空区，为保证下组煤未来煤炭采掘过程中的矿井安全，需要提前开展下组煤的相关工作，作为下组煤煤层气地面预抽是其主要工作之一。寺河井田下组可采煤主要是 号和 号煤层，号煤层平均含气量为 ，煤层平均厚度为 ，部分可采，号煤层距 号煤层平均；号煤层平均含气量为 ，煤层厚度为 ，且多数在 ，号煤层距 号煤层平均。下组煤瓦斯含量均高于 号煤层，开发潜力巨大。随着采煤工作的进行，部分 号煤区域已经成为采空区，如图 所示，采空区面积约占整个区块面积的。寺河井田现分为东西两个独立盘区（独立生产系统）。东盘区于 年投产后，已采完东一、东二、东三、东四盘区，现主采东五盘区，接替盘区东六盘区，为高瓦斯矿井；西盘区于 年初投产，西一盘区大部分区域已基本回采结束，东部为铁路、工业广场保护煤柱；现开采西二盘区，东部为铁路、工业广场、大巷、沁水保护煤柱，北部为网状煤层气垂直井所覆盖，接替盘区西三盘区，南部为 号煤层 年内回采区域，为煤与瓦斯突出矿井。图 寺河井田 号煤采空区范围 采动影响分析 采动应力分析随着煤层工作面推进和采空区形成，采空区周围岩体内原有应力平衡状态被破坏，内部应力发生了重新分布，在开采附近出现内部应力的增高区域，煤岩储层顶底板岩层将发生较为复杂的移动变形。在正常回采阶段中，煤岩储层底板处于压缩膨胀压实的循环状态，如图 所示。随着 号煤层开采工作的进行，工作面前方 处，煤岩储层顶底板岩层应力大幅度增加。前方 处，应力小幅度提升。压缩区应力大小为原始应力的 倍，膨胀区应力急剧减少，压实区应力逐渐恢复。水平井特殊的井身结构决定了需要选择岩层移动影响较小的区域，避免危险区域，在井位部署上确保井身结构的稳定性。年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 图 采空区周围岩体应力分布规律 垂直卸压范围上覆煤层开采后，煤层底板会向采空区方向发生移动和变形，地应力重新分布，同时卸压使得保护层的透气性增大，在垂直方向上底板卸压存在一定的范围。上覆煤层的最大有效垂直卸压范围计算公式为：上 上（）式中，上为理论卸压垂距，；为影响系数，当开采上保护层的厚度上保护层的最小有效厚度时，；为层间硬岩（砂岩、石灰岩）含量系数，当层间岩石中硬岩所占的百分比时，。寺河井田 号煤层工作面长度 ，埋深 为 左右，根据 防治煤与瓦斯突出规定 中表格数据 上为，煤层开采厚度 ，则；号煤层和 号煤层间硬岩所占比例约为，则 。综上，可计算得出 号煤层工作面的最大有效垂直卸压范围为，号煤层底板距离 号煤层平均，说明 号煤和 号煤层在 号煤层开采的卸压范围以内。裂隙演化研究煤炭的开采会引起采空区周围岩体应力重新分布，从而导致开采煤层顶底板岩体发生变形与破坏。煤岩储层顶底板岩层地层结构呈现垂向分带特点：弯曲下沉带、裂隙带、冒落带、底鼓裂隙带、底鼓变形带，如图 所示。图 煤层顶底板岩体裂隙演化及分带采煤工作面底板破坏深度计算公式为：（）式中，为煤层开采深度，取工作面平均采深 ；为煤层倾角，取工作面地层平均倾角；为煤层采厚，取；为工作面斜长，取平均值；为底板抗破坏能力，包括岩石强度、岩层组合以及原始裂隙发育状况等；为有无切穿型断层及破坏带因子。计算得出 号煤层回采工作面破坏深度为 。因此，号煤位于底鼓变形带内。底鼓变形带内裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主，该区域内岩层发生膨胀变形，煤层内甲烷由吸附状态解吸为游离状态。渗透率变化关系煤层渗透率是反映煤层对气、水等流体的渗透性能的重要参数，决定着煤层气的运移和产生，将直接影响煤层气井的采收率及可采资源量。煤岩储层渗透率随着地应力的增加呈负指数关系，回归方程如下：（）式中，为初始应力条件下的渗透率，；为卸压后的渗透率，；为从初始状态到卸压状态下地应力的变化值，。在影响煤层渗透率的因素中，煤层渗透率对地应力相当敏感。因此上覆煤层采空后对下伏岩层起到卸压和增大渗透率的效果，提高瓦斯抽采率。在 号煤层工作面回采过程中，号煤层应力不断发生变化，渗透率也随之改变。根据 模拟结果，号煤层的初始垂向应力为 ，卸压状态下 号煤层垂向应力变为 。根据计算，由于 号煤层回采，号煤层的渗透率提高了约 倍。由于 号煤层的采动，周边岩体生成离层和破断裂隙，采空区下部 号煤层的渗透率得到了提高，为下组煤煤层气的开发提供了有利条件。下组煤煤层气抽采技术利用煤层渗透率增加后抽采卸压瓦斯，从而有效地降低煤层瓦斯含量。穿煤柱钻井技术 井位部署研究按照“整体规划、一票否决、层次分析、动态评价”的思路，井位部署方法为：选择下组煤煤生产技术 煤 炭 工 程 年第 期层气资源富集区，水平井布置在富集区内；优先考虑煤层埋深小于 区域、厚度大于 有利区布置；优先考虑深度适宜、煤层厚度较大且比较稳定发育区域；避开 号煤采空区及开采大巷，减少钻井工程施工难度；避开村界、乡界、县界，简化工农关系，利于工作开展；地质及储层条件要满足工程（水平井）施工要求。综合考虑 号煤层煤层气开发地质条件（煤层空间分布、煤柱特征、埋深、水文地质及采掘规划等），将靶区选在西二盘区东南部。井眼轨迹设计在煤矿区穿上组煤煤柱开展下组煤煤层气抽采，由于煤柱的位置是确定的，而且煤矿上组煤开采对周围岩体造成岩层移动、裂隙发育等情况，使得井眼轨迹的优化设计至关重要。设计要综合考虑：）工程施工要求：穿煤柱水平井轨迹既要满足钻井施工，又要满足排采管柱结构等下泵要求。）地质条件要求：井轨迹应尽可能避开断层带，特别是钻井二开接近着陆点附近区域。）地形地物条件：地面交通、地形等条件满足工程施工部署要求。基于寺河矿区地质条件分析，综合考虑煤矿采掘现状，以及地形、地物、交通等条件。设计一口 型水平井，井号，水平段布置在东五盘区 号煤层中，沿工作面倾向方向，井下需要穿过 号煤层煤柱，避开周边开采巷道，水平段长度设计。在着陆点、造斜点以及上组煤煤柱位置确定的基础上，综合踏勘地面井口位置，并采用轨迹模拟软件，优化不同井口位置及煤层间距条件下最优的井眼轨迹；在煤层间距、煤柱位置、造斜点确定情况下，通过降低全角变化率，优化着陆点位置，保证有效水平段长。井身结构优化根据上述 井所处的煤炭采动影响情况的分析，结合区内地层及储层条件，地面钻井选用三开定向钻井技术，以下组煤 号煤层为目的层。为降低钻井成本，提高施工效率，将一开钻头直径缩小；二开钻井仍保持原来井径，采用低固相聚合物钻井液体系，控制井壁稳定，提升钻进效率；在此基础上，针对钻遇上组煤采空区，应用煤岩层裂隙堵漏技术，减少失效比率。具体施工参数为：）一开采用 牙轮钻头钻进，钻至基岩面以下，下入钢级 表层套管完井。）二开采用 钻头，钻井至井深 ，入 号煤（未穿过煤层），下入钢级 技术套管，完井固井。）三开采用 钻头定向钻进，进入目标煤层后沿煤层钻进至 ，到达靶点范围，三 开 水 平 段 长 度 。下 入 钢 级 生产套管，水泥浆返至地面。水平井井身结构如图 所示。图 水平井井身结构 钻井关键技术 钻井液组合一开井段：主要钻遇石千峰组地层，岩性为结构疏松的紫红色泥岩与黄绿色砂岩互层。采用密度 ，黏度，失水性能 的膨润土泥浆钻井液作为循环介质，钻进过程中用清水胶液调整钻井液的黏度，保持井底清洁。一开钻井完成后，采用单泵大排量循环，同时加入土粉、高粘纤维素，彻底清洗井底，确保顺利下入表层套管。二开井段：钻遇二叠系上石盒子组、下石盒子组和山西组、太原组地层，岩性主要为泥岩、砂质泥岩 和 细 粒 砂 岩、粉 砂 岩、石 灰 岩。采 用 密 度 ，黏度，失水性能 的低固相钻井液作为循环介质，钻进过程中不仅需要对钻井液性能进行监测和维护，而且需要根据钻遇岩性对钻井液性能进行调整。二开钻井完成后，用高粘切钻井液对井底、裸眼井壁彻底清洗。并加入固体润滑剂，减少下技术套管阻力。三开井段：主要钻遇太原组地层，岩性为灰色中、细粒砂岩、灰黑色粉砂岩、泥岩、砂质泥岩、石灰岩、煤层，采用密度 ，黏度，失水性能 的无固相钻井液作为循环介质，避免目的煤层垮塌和煤层混合气体逸散影响钻井液性能以及储层保护。年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 钻井轨迹控制技术直井段施工过程中精确计算和控制钻压，防止直井段井斜角的产生。采用综合地质导向钻进技术完成三开定向工程确保水平段能够沿 号煤层定向钻进。通过分析直井段井斜、方位偏差、导眼段见煤点及邻井揭露的煤层深度数据进行待钻井眼轨迹修正设计。为了保证井眼轨迹的质量与精度，水平段采用综合地质导向钻进技术“螺杆钻具综合