穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术.pdf

33through goafJ.Safety in Coal Mines,2023,54(8):33-38.移动扫码阅读LIUXiugang,ZHANGQiang,CUIWanhao.Key drilling technology of L type gasextraction horizontal well(8):33-38.刘修刚，张强，崔万豪.穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术J.煤矿安全，2 0 2 3,54SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤药发全No.8Vol.54第8 期第54卷D01:10.13347/ki.mkaq.2023.08.007穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术刘修刚1.2.3,张强3，崔万豪3（1.中国矿业大学（北京），北京1 0 0 0 8 3；2.煤炭科学研究总院，北京1 0 0 0 1 3；3.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安7 1 0 0 7 7）摘要：为了深部煤层开采之前能够高效超前抽采瓦斯，保障深部煤层安全开采，L型水平井钻进技术成为地面瓦斯抽采的主要方法之一。针对穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进施工存在的诸多困难，主要从井身结构设计、穿越采空区氮气钻进技术、水平段钻进轨迹控制技术3个方面，进行了穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究。将关键技术研究成果成功应用于了M矿区1 口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井，高效顺利完钻了该井施工，使得目标深部煤层水平段钻进的钻遇率约为90%。关键词：地面深煤层瓦斯抽采；L型瓦斯抽采水平井；穿越采空区钻进；氮气钻进；岩层扰动带中图分类号：TD41文献标志码：B文章编号：1 0 0 3-496 X(2023)08-0033-06Key drilling technology of L type gas extraction horizontal well through goafLIU Xiugangl-2.3,ZHANG Qiang,CUI Wanhao3(1.China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.China Coal Technology and Engineering Group Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xi an 710077,China)Abstract:In order to efficiently extract gas in advance before the deep coal seam mining and ensure the safe mining of the deepcoal seam,the L-shaped horizontal well drilling technology is one of the main methods of surface gas drainage.There are manydifficulties in drilling horizontal well for L-shaped gas drainage through goaf,which is one of the important research topics of coaland gas co-mining in coal mining area.Mainly from the three aspects of well structure design,nitrogen drilling technology throughgoaf,and drilling trajectory control technology in horizontal section,the key technology research of L-shaped gas drainagehorizontal well drilling through goaf is carried out in detail.The research results of key technologies were successfully applied toan L-shaped surface gas extraction well through goaf in M mining area,and the well was efficiently and smoothly drilled,makingthe penetration rate of horizontal section of target deep coal seam about 90%.Key words:surface deep coal seam gas drainage;L-type gas drainage horizontal well;drilling through goaf;nitrogen drilling;rockformation disturbance zone煤炭资源开采主要以下行式模式为主，随着埋深较浅煤层大规模不断开采，逐渐转向其下覆深部煤层1-3。为降低深部煤层开采之间的瓦斯灾害事故风险，遂需要相关技术进行瓦斯灾害超前治理，地面进行瓦斯预抽采技术被广泛应用4-6 。相比于浅煤层的地面瓦斯预抽采技术，深煤层瓦斯抽采技术主要区别在于钻进过程需要穿越上部浅煤层开采后形成的采空区域。基于此，针对穿越采空区L型瓦斯收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 3责任编辑：李力欣基金项目：中煤科工西安研究院（集团）有限公司技术创新基金资助项目（2 0 2 0 XAYJS09）作者简介：刘修刚（1 991 一），男，陕西西安人，工程师，博士研究生，主要从事非常规油气钻完井及水文地质方面的研究工作。E-mail：1020427510qq.c0m34Safety inCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54卷抽采水平井钻进施工存在的诸多困难，主要从井身结构设计、穿越采空区氮气钻进技术、水平段钻进轨迹控制技术3个方面进行了穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究。井身结构设计从煤层开采扰动带划分、井身结构设计思路、煤层开采扰动带厚度计算、井身结构与钻进方式优化设计等方面详细研究；穿越采空区氮气钻进技术从氮气钻进适用性分析、氮气钻进井段设计、氮气钻进工艺及装备及钻进参数设计等方面详细研究；水平段钻进轨迹控制技术从水平段地层对比技术与方位伽马随钻测量技术2 方面详细研究。将穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究成果成功应用于了M矿区一口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井，高效顺利完钻了该井施工，使得目标深部煤层水平段钻进的遇率为9 0%，为后续实施穿越采空区L型瓦斯抽采水平井的施工提供了一定借鉴经验，1井身结构设计1.1煤层开采扰动带划分常规L型瓦斯抽采水平井的井身结构设计并不适合于穿越煤矿采空区L型瓦斯抽采水平井，穿越采空区L型瓦斯抽采水平井井身结构设计必须考虑上覆煤层回采结束后所形成的采空区、回采扰动紧邻岩层段区域范围。上覆煤层回采结束后致使煤层及紧邻扰动岩层原始地应力平衡遭受破坏，地应力重新分布，使得煤层采空区的紧邻上下岩层段变形。煤层正常开采过程中，煤层顶板处于开采前支撑压缩状态、相对于开采煤层受力方向向上，开采后受拉膨胀和应力恢复、相对于开采煤层受力方向向下。基于多位学者研究将煤层开采扰动紧邻顶板及以上岩层带划分为“上三带”7-9,由顶板从下覆岩层段往上依次称为：落带、断裂带和整体弯曲下沉带。煤层正常开采过程中，煤层底板处于采前负重压缩状态、相对于开采煤层受力方向向下，开采后卸压膨胀和应力恢复、相对于开采煤层受力方向向上，基于多位学者研究将煤层开采扰动紧邻底板及以下岩层带划分为“下三带”1 0-I,由底板从上覆岩层段往下依次称为：底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带。穿越采空区钻进至煤层开采扰动区域“上三带”中的垮落带、断裂带、煤层采空区及“下三带”中的底板导水破坏带的水基钻进过程可能造成泥浆严重漏失，甚至出现泥浆失返，为此井身结构设计必须重点考虑煤层开采扰动带中的垮落带、断裂带、煤层采空区及底板导水破坏带范围。1.2井身结构设计思路考虑采用水基泥浆钻进至顶板上覆垮落带、断裂带、煤层采空区及底板导水破坏带层段时，泥浆将出现漏失严重现象，甚至无法建立正常泥浆循环。因此，针对上述层段钻进设计更换相比与水基泥浆体系密度更小的气体或泡沫作为循环介质，以减小漏失情况及降低煤层采空区井段的泥浆失返可能性，其他层段采用水基泥浆体系，以此力求实现全井低成本安全高效穿越采空区钻进。井身结构最优设计关键在于确定煤层开采扰动所形成的顶板上覆垮落带、断裂带及底板导水破坏带的厚度范围，才能确定具体井身结构设计及各井段钻井循环方式。1.3煤层开采扰动带厚度1.3.1煤层采空区紧邻上覆顶板岩层扰动带厚度煤层开采扰动的顶板垮落带、断裂带范围厚度主要受控于采煤厚度、扰动带硬岩岩性比例系数、采煤工作面斜长、开采煤层深度等多因素综合影响8。因此，对于顶板垮落带和断裂带厚度可根据煤层开采区域的地质采矿条件和实测数据分析确定。一般情况下工程施工设计中通常采用经验公式预算扰动带厚度1 2 ,顶板垮落带厚度计算公式见表1,顶板断裂带厚度计算公式见表2。表1 J顶板垮落带厚度计算公式Table 1(Calculation formula for the thickness ofthe caving zone of the roof单轴抗压上覆岩性计算公式强度/MPa坚硬4080Hk=100ZM2.5（石英砂岩、石灰岩、砾岩）2.1ZM+16中硬100ZM（砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、2040Hk=2.24.7ZM+19页岩）软弱100ZM1020H1.5（泥岩、泥质砂岩）6.2ZM+32极软弱100ZM（铝土岩、风化泥岩、黏土、10Hk=1.27.0ZM+63砂质黏土）注：H为顶板垮落带厚度，ZM为累计采厚；公式应用范围：单层采厚为1 3m，累计采厚不超过1 5m；公式号项为中误差。利用经验公式求取煤层开采的顶板扰动带厚度，为了避免误差影响，以及有效实现全井段正常循环钻进，岩屑高效返排效果。因此，根据相应上述公式两者相加之后的最大误差值确定，具体计算公式如下：35SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤防发全Vol.54No.8第8 期第54卷表2顶板断裂带厚度计算公式Table2Calculation formula for the thickness ofthe fracture zone of the roof单轴抗压上覆岩性计算公式强度/MPa坚硬4080Hi=100ZM8.9（石英砂岩、石灰岩、砾岩）1.2ZM+2.0中硬100ZM（砂岩、泥质灰岩、砂质页岩、2040H5.61.6ZM+3.6页岩）软弱100ZM1020Hi4.0（泥岩、泥质砂岩）3.1ZM+5.0极软弱100ZM（铝土岩、风化泥岩、黏土、10Hi=3.05.0ZM+8.0砂质黏土）注：Hi为顶板垮落带厚度，ZM为累计采厚；公式应用范围：单层采厚为1 3m，累计采厚不超过1 5m；公式+号项为中误差。Hsr=Hk+Hli(1)式中：Hs为煤层采空区紧邻上覆顶板岩层主要扰动范围厚度，m;Hk为顶板垮落带厚度，m;Hi为顶板断裂带厚度，m。1.3.2煤层采空区紧邻下覆底板岩层扰动带厚度煤层开采扰动的底板导水破坏带，其破坏程度主要取决于采煤工作面矿压作用和煤层底板的抗破坏能力，底板导水破坏带厚度主要受煤层开采深度、煤层倾角、煤层开采厚度及工作面斜长等多因素综合影响，工程施工设计通常采用的经验预算底板导水破坏带厚度计算公式如