工作面上覆采动区地面抽采瓦斯钻井成井方法与流程

本发明涉及抽采瓦斯技术领域，具体涉及一种工作面上覆采动区地面抽采瓦斯钻井成井方法。

背景技术：

钻井抽放是国内外煤层瓦斯抽放的主要方式。钻井抽放有地面钻井抽放和井下布孔抽放两种。在抽放上方被保护煤层瓦斯方面，美国较多的采用地面钻孔法，其他国家多采用井下抽放卸压瓦斯的方法。

利用地面钻井抽采工作面上覆采动区的煤层瓦斯，能很好地解决低透气性煤层的瓦斯抽采难题，但因钻井的成井率低，严重限制了该技术的推广应用。

由于地面钻井抽采工作面上覆采动卸压区的煤层瓦斯是在采动塌陷影响区进行的，受井下开采塌陷破坏影响钻井成功率一般只有50％左右，地面瓦斯抽采钻井一旦失败，不仅造成极大的工程浪费，还对井下安全生产留下重大隐患。因此，提高工作面上覆采动区地面钻井抽采瓦斯的成井率是地面钻井抽采卸压区煤层瓦斯技术应用的关键。

技术实现要素：

本发明提出的一种工作面上覆采动区地面抽采瓦斯钻井成井技术方法，可解决现有的工作面上覆采动区地面钻井抽采瓦斯的成井率较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种工作面上覆采动区地面抽采瓦斯钻井成井方法，包括：

s100、布置钻井；

s200、设置钻井结构；

s300、选择钻井采气层位；

s400、选择钻井井底层位；

s500、钻井施工与管理。

进一步的，所述步骤s100中布置钻井，具体包括采用两井抽放，分别设置抽放半径，同时保证两井抽放半径相交点要大于被保护层工作面宽度，保证回采工作面在被保护范围内；

进一步的，所述步骤s200设置钻井结构；具体包括地面抽采瓦斯钻井采用3层套管结构：新生界护壁套管、基岩段工作套管和生产套管(筛管)，其中，所述新生界护壁套管为新生界下置石油套管，下至风氧化带下稳定基岩地层并注水泥浆固井，以防新生界塌井造成含水层水涌入矿井；

所述基岩段工作套管为钻井至被保护煤层顶板下置石油套管，并注水泥浆固井，作为抽采瓦斯通道。

所述生产套管(筛管)为工作套管以下至保护煤层顶板，此段下置的筛管，不固井；

在采动区上方抽采瓦斯，钻井必将受到采动影响破坏。为保证在采动影响下钻井的正常工作，三路套管均选择钢材质量好、厚度大、抗压、抗剪等综合抗破坏变形性能强的无缝石油地质管材，壁厚10mm以上，套管连接采用等厚钢箍丝扣连接。

进一步的，所述步骤s300选择钻井采气层位；主要抽采上方采动卸压区被保护煤层的瓦斯。采动卸压区被保护煤层底板主要为泥岩、砂质泥岩，铝质含量高，裂隙不发育，封闭性较好；其煤层顶板普遍发育一层厚层的中细砂岩，其裂隙发育，透气性好。为达到抽采上方采动卸压区被保护煤层瓦斯目的，设计将工作套管下到被保护煤层顶板砂岩以上2m，将被保护煤层顶板砂岩层纳入采气层位；设计将生产套管下到保护煤层顶板，将保护煤层顶板采动裂隙带纳入采气层位。

进一步的，所述步骤400选择钻井井底层位；由于钻井的采气段(筛管)采用裸孔、裸管非固井设计，因此岩层中的地下水必将涌入钻井。如果钻井中的水位高于被抽采煤(岩)层深度，水压高于瓦斯压力时，就可能造成钻井无法出气而废井。即使在钻井施工结束后采取了排除井内积水的措施，但使用时间一长,钻井内仍可能重新积水，尤其是受到采动影响后，煤层的透气性增加的同时，含水层的渗透率也增强，向钻井内的涌水也随之增强。地面瓦斯抽排泵形成的负压非常有限，不可能从地面排除井内积水，因此，只有将钻井内积水引入井下。煤层开采后,工作面上方覆岩常形成采动影响“三带”(冒落带、导水裂隙带、弯曲下沉带)，因此，地面瓦斯抽采钻井的井底位置应选在冒落带以上的裂隙带下部。这样,当工作面采过钻井后，导水裂隙带波及到钻井，将钻井内积水导入井下，确保钻井出气畅通，同时也能抽放开采煤层工作面采空区的瓦斯。如果井底层位选择过高，一旦导水裂隙带不能有效与钻井沟通，不能完全排放钻井内的积水，必将影响到抽采效果，甚至造成废井；如果井底层位选择过低，进入开采煤层形成的冒落带中，造成钻井完全与开采煤层工作面采空区连通，会造成采空区向钻井大量漏风，地面钻井抽采瓦斯浓度下降，抽放负压也降低，不利于煤层的瓦斯抽采。开采煤层工作面采空区漏风严重，甚至可能引起采空区煤层自燃发火，带来安全隐患。钻井与采空区漏通严重，对钻井后期封闭也极为不利，甚至带来水患威胁。

进一步的，所述步骤s500钻井施工与管理；钻井施工工序为：一开钻进过新生界风化带→一次测井→下新生界护壁套管→固井→止水检查→二开钻进保护煤层底板10m→二次测井→封闭下段到保护煤层顶板→扩孔到被保护煤层顶板→搭桥→下基岩工作套管→固井→止水检查→透孔→下筛管→洗井→排水。这种施工工序能确保采气层位和井底层位的准确，提高钻井施工效率。

由上述技术方案可知，本发明通过研究岩层移动规律，结合具体的地质条件，对钻井平面布置、结构设计、采气层位及井底层位的合理选择、钻井施工技术与管理等五个方面的关键技术控制，合理设计每个钻井的具体参数，大大提高了工作面上覆采动区地面抽采瓦斯钻井的成井率。在中煤新集一矿实际应用中12个钻井百分之百成井。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本实施例应用案例131303工作面瓦斯抽采钻井布置示意图；

图3本实施例应用案例试验区工作面及瓦斯抽采钻井分布示意图；

图4本实施例应用案例钻井结构示意图；

图5本实施例应用案例钻井采气层选择示意图；

图6煤层采空区上方“三带”与钻井关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的工作面上覆采动区地面抽采瓦斯钻井成井技术，包括以下步骤：

s100、布置钻井；

s200、设置钻井结构；

s300、选择钻井采气层位；

s400、选择钻井井底层位；

s500、钻井施工与管理。

以下结合具体应用案例具体说明

中煤新集一矿11-2煤层开采时，利用地面钻井对上覆13-1煤层及11-2煤采空区瓦斯进行抽放，达到对13-1煤层安全开采的目的。包括以下内容：

第一节：工程概况

新集一矿13-1煤层为矿井主采煤层，不仅瓦斯涌出量大，而且具有突出危险性，煤层煤质松软，原始透气性低，预抽瓦斯非常困难，采用局部防治突出措施难以保证矿井安全生产，且严重制约了采掘效率。而在13-1煤层下方垂距70m左右的11-2煤层赋存较稳定，不具有突出危险。为了解决13-1煤层开采时瓦斯治理问题，通过调整采掘部署，优先开采11-2煤层，使13-1煤层卸压增透，并预抽被保护层13-1煤层瓦斯，达到先抽后采、区域防突目的。井下预抽的方法是在距13-1煤层底板15～25m布置一底板抽排巷，然后在底抽巷内布置钻场向上打钻抽放13-1煤层瓦斯。这样，施工周期长，巷道投资大。为此开展地面钻井预抽11-2煤层工作面上覆采动区13-1煤层瓦斯试验研究，即在11-2煤层工作面对应的地面施工瓦斯抽采钻井，一方面预抽13-1煤层卸压瓦斯；另一方面还可抽放11-2煤层采空区瓦斯。

第二节：地面抽采瓦斯钻井成井技术

1、钻井布置

从淮南地区地面钻井预抽采动卸压区煤层瓦斯实践证明，抽放半径可达220m，为留有余地，抽放半径设为200m，同时保证两井抽放半径相交点要大于被保护层工作面宽度，保证回采工作面在被保护范围内。钻井走向布置间距200～300m。根据缓倾斜陷落法顶板岩移规律，131103工作面上方两个抽采钻井在倾斜布置上，距采空区中心线向北平移了10m(图2、图3)。

2、钻井结构

地面抽采瓦斯钻井采用3层套管结构：新生界护壁套管、基岩段工作套管和生产套管(筛管)(图4)。

(1)新生界护壁套管：新生界下置φ245mm石油套管，并注水泥浆固井，以防新生界塌井造成含水层水涌入矿井，由于该区基岩风化带深约20～30m，因而护壁套管一般下至新生界底界面下约40m处。

(2)基岩段工作套管：钻井至13-1煤层顶板下置φ178mm的石油套管，并注水泥浆固井，作为抽采瓦斯通道。为防止地表下沉形成积水区后地表水进入钻井，并为后期钻井封闭创造条件，应使工作管高于地表3m为宜。

(3)生产套管(筛管)：工作套管以下穿过13-1煤至11-2煤顶板，此段下置φ140mm的筛管(筛管按三花布置，间隔80～100mm，眼径20mm)，不固井。为防止11-2煤层开采后筛管下沉与工作管断开，筛管上口与工作管底口重叠5m,筛管以下用水泥浆封闭，防止11-2煤工作面采过钻井时井内积水涌入工作面。

在采动区上方抽采瓦斯，钻井必将受到采动影响破坏。为保证在采动影响下钻井的正常工作，三路套管均选择加厚(壁厚10mm以上)的无缝石油地质管材，钢材质量好、厚度大、抗压、抗剪等综合抗破坏变形性能强，套管连接采用等厚钢箍丝扣连接。尤其是新生界的双层套管结构，保证了该段钻井变形最小，为确保后期封闭钻井，防止新生界含水层及地表水涌入井下提供了安全保障。从对已封闭的8个钻井的实际探测情况，钻井的严重变形点均在新生界护壁套管以下。

3、钻井采气层位选择

新集一矿开采11-2煤层，主要抽采上方采动卸压区13-1及13-1下煤层的瓦斯。13-1及13-1下煤层底板主要为泥岩、砂质泥岩，铝质含量高，裂隙不发育，封闭性较好；其煤层顶板普遍发育一层平均4.93m厚的中细砂岩，其裂隙发育，透气性好。因此，为达到抽采13-1及13-1下煤层瓦斯目的，设计将工作套管下到13-1煤顶板砂岩以上2m(图4)，将13-1煤顶板砂岩层纳入采气层位。由于采气层位扩大到13-1煤顶板砂岩层，增大了抽采断面积，按照流体力学原理，气体流量与断面积成正比。13煤层瓦斯受到采动卸压后，不仅可以顺煤层向钻井流动，还可以窜入顶板砂岩层后沿透气性更好的砂岩裂隙通道涌向钻井，为低透气性煤层的抽采扩展了通道。

4、钻井井底层位选择

由于钻井的采气段(筛管)采用裸孔、裸管非固井设计，因此岩层中的地下水必将涌入钻井。如果钻井中的水位高于被抽采煤层深度，水压高于瓦斯压力时，就可能造成钻井无法出气而废井。即使在钻井施工结束后采取了排除井内积水的措施，但使用时间一长,钻井内仍可能重新积水，尤其是受到采动影响后，煤层的透气性增加的同时，含水层的渗透率也增强，向钻井内的涌水也随之增强。地面瓦斯抽排泵形成的负压非常有限，不可能从地面排除井内积水，因此，只有将钻井内积水引入井下。煤层开采后,工作面上方覆岩常形成采动影响“三带”(冒落带、导水裂隙带、弯曲下沉带)，因此，地面瓦斯抽采钻井的井底位置应选在冒落带以上的裂隙带下部(图6)。这样,当工作面采过钻井后，导水裂隙带波及到钻井，将钻井内积水导入井下，确保钻井出气畅通，同时也能抽放开采煤层工作面采空区的瓦斯。如果井底层位选择过高，一旦导水裂隙带不能有效与钻井沟通，不能完全排放钻井内的积水，必将影响到抽采效果，甚至造成废井；如果井底层位选择过低，进入开采煤层形成的冒落带中，造成钻井完全与开采煤层工作面采空区连通，会造成采空区向钻井大量漏风，地面钻井抽采瓦斯浓度下降，抽放负压也降低，不利于煤层的瓦斯抽采。开采煤层工作面采空区漏风严重，甚至可能引起采空区自燃发火，带来安全隐患。钻井与采空区漏通严重，对钻井后期封闭也极为不利，甚至带来水患威胁。因此，必须科学合理地选择好井底位置。

5、钻井施工技术与管理

钻井施工工序为：一开φ311mm钻进过新生界风化带→一次测井→下新生界护壁套管→固井→止水检查→二开φ152mm钻进11-2煤层底板10m→二次测井→封闭下段到11-2煤层顶板→φ216mm扩孔到13-1煤层顶板→搭桥→下基岩工作套管→固井→止水检查→透孔→下筛管→洗井→排水。这种施工工序能确保采气层位和井底层位的准确，提高钻井施工效率。

在钻井设备选择方面，由于地面瓦斯抽采钻井直径大,套管重，因此必须选用大功率钻机施工。除了使用tsj-1000型钻机，还使用了美国产t685ws型车载钻机施工。车载钻机施工的优点是进场准备快，搬家快，钻进效率高；最大好处是其采用高压空气钻进，不用泥浆，不存在泥浆对井壁煤岩层裂隙的充填封堵问题，因此不需要对采气段进行洗井和排水，井壁的透气性好，对排水和采气十分有利。

要提高钻井的成井率，钻井施工的现场技术管理是重要的技术保障措施，必须确保每个施工环节均达到设计要求。在钻井施工过程中，要安排专门的技术人员对钻井施工质量进行现场监理，从开工、钻进、测井、扩孔、下管、固井、洗井，到最后竣工验收，每一道施工工序都要做到有分部工程验收。

第三节：取得成果

通过地面钻井抽采卸压区的煤层瓦斯技术在新集一矿的实践应用，发现其具有以下特点：抽采时间长；抽采量大；抽采浓度高；抽采半径大；一井多用(既可抽采动区煤层瓦斯，也可抽采空区瓦斯)；施工工期短；工程费用低。地面钻井抽采卸压区的煤层瓦斯技术能很好地解决低透气性煤层的瓦斯抽采难题，为实现矿井煤、气资源一体化开采及矿井瓦斯灾害区域治理提供了有效途径。

为使该技术得以推广应用，关键是要提高钻井的成井率。而成井的关键在于钻井布置、结构设计、采气层位及井底层位的合理选择、钻井施工技术与管理等关键环节。由于地面钻井抽采卸压区的煤层瓦斯是在采动塌陷影响区进行的，因此要提高地面钻井抽采瓦斯的成井率，必须研究岩层移动规律，结合具体的地质条件，合理设计每个钻井的具体参数，对影响成井的关键环节层层把关。另外，受采动影响使地应力重新分布，将对钻井产生极强的破坏力，因而需进一步探索钻井的保护措施。

由上可知，利用地面钻井抽采工作面上覆采动区的煤层瓦斯，能很好地解决低透气性煤层的瓦斯抽采难题，但因钻井的成井率低，严重限制了该技术的推广应用。本发明实施例通过对钻井布置、钻井结构、钻井采气及井底层位、钻井施工技术与管理等影响成井的关键因素的研究，并将地面抽采瓦斯钻井成井关键技术在新集一矿进行实际应用，施工的12个地面抽采瓦斯钻井百分之百成井，为地面钻井法抽采瓦斯的成功应用提供了保障。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。