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1、钻探技术在超大瓦斯抽排井施工中的应用 杜贵亭 (河南省煤田地质局四队, 河南 467000) 摘 要: 用钻井技术手段抽取煤层中的瓦斯, 是降低煤矿安全风险的有效途径之一, 对煤矿的安 全生产有着极为重要的意义。本文介绍了在中平能化集团施工的瓦斯抽排井,针对矿区的具体特 点,采取了有效的钻井措施,完成钻井作业。 关键词: 煤层气 钻井 工艺 措施 Application of CBMWell Drilling Technique in Coal Mine Gas Drainage Wells Du Guiting (No14Team of Henan Province Coal Geology
2、 Bureau, Henan 467000) Abstract: The means of building CBM wells to drain coalbed methane in the coal seam will not only reduce the safety risks during coal mining process, which has a great significance for coal mining. The paper intro2 duces the coal methane well in Zhongping Energy Chemical Group
3、. Based on the characteristic of the area, a series of measurement has been adopted to complete the well drilling. Keywords: CBM; drilling; cementing; equipment 煤层气俗称 / 瓦斯0,深藏于煤层中,据有关 部门统计, 目前瓦斯已经成为我国煤矿矿难的 / 头 号杀手0, 每年因瓦斯爆炸而引发的矿难,就占全 国煤矿重特大事故死亡人数的 70 80%,由此而 造成的直接经济损失就达 7 亿多元。随着国民经济 的高速发展和对煤炭资源需求的大幅
4、度增长, 煤矿 开采的强度也逐年加大,对严重危及煤矿安全生产 的瓦斯的先期处置就显得十分重要了。针对这一问 题,我队在中平能化集团十三矿开展了用大口径钻 井技术、通过钻井方法建立起瓦斯抽排放系统,以 达到降低瓦斯对煤矿安全生产危害的目的。所施工 的瓦斯抽排放井, 位于中平能化集团十三矿东风井 院内, 该井设计井深 600m,设计孔径 750mm,终 孔偏斜距离不大于 3m。固井后, 水泥固结体抗压 强度不小于 10MPa。成井后井底沉渣不大于 015m, 井内水柱不大于 20m。 1 地层概况 中平能化集团十三矿地层自上而下为: 松散岩 组: 层厚 96100m 左右。以耕植土,黄灰色粘土、
5、亚粘土为主, 局部夹砂砾石, 松散易垮塌。基岩风 化组: 层厚 39100m 左右。上部为灰色泥岩、灰绿 色砂质泥岩,夹薄层浅灰色细粒砂岩; 中部为灰 色、灰绿色泥岩,夹薄层浅灰色细粒砂岩; 下部为 作者简介 杜贵亭, 男, 钻探工程师, 现任河南省煤田地质局四队第三工程处副处长, 长期从事煤田地质钻探技术工作。 第 7 卷 第 4期 中国煤层气 Vol17 No 14 2010 年 8 月 C HINA C OALBEDMETHANE August12010 灰绿色、深灰色泥岩、浅灰色细粒砂岩。基岩组: 层厚 470100m 左右。上、中部以灰色、深灰色泥 岩、砂质泥岩,浅灰色细粒砂岩,夹薄
6、煤层; 下部 为灰色、深灰色泥岩, 浅灰色、灰色砂质泥岩,浅 灰色细粒砂岩及煤层。岩性多为浅灰色、灰色砂质 泥岩,深灰色泥岩,浅灰色中、细粒砂岩及煤层。 二1煤位于该组 579m 处,煤层厚度为 6m,是该煤 层气井的抽排目的煤层。 2 钻孔结构 考虑到成井目的、管材及安全钻进等因素,该 孔按两级孔径设计: 一开第四系覆盖层见基岩 150m,设计孔径 1080mm,下 U820mm 12 的螺旋 护壁管,封隔主要粘土、砂层和砾石层, 防止孔壁 垮塌、缩径、确保下步安全施工; 二开以下设计孔 径750mm,下入 U53014无缝管, 固井成井。 3 设备的选择 根据地层情况并考虑到该井的实际情况
7、以及施 工井径和最后在成井时套管的重量等到具体问题, 我们选择: 钻 塔: JJ110- 28A 钻 机: GZ- 2600 动力电: 约 600KW 电压 380V; 泥浆泵: 3NB350 1台 钻井施工时使用 泥浆泵: TBW850 2 台 固井时使用 以及 8 吨吊车一台 (下套管时吊管子时用) 和 其他钻井附属材料等。 4 钻井施工工艺 411 钻孔结构设计 该孔钻孔结构按两级孔径设计: 一开设计孔径 U1080mm, 工程量约 150m,穿过第四系,见基岩 后下入 U82012 螺旋护壁管后固井。本段下套管 的目的是封隔主要粘土、砂层和砾石层, 防止孔壁 垮塌、缩径、确保下步安全施
8、工; 二开设计孔径 U750mm, 工程量 450 米,下入 U 530mm14无缝管 后,水泥固井成井,详见表 1。 412 钻井施工方法 41211 导向孔施工 为了孔内施工安全,有效预防孔斜, 保证成井 质量,先施工一个孔径为 U21519m m 导向孔,钻探 工程量 605m,(其中视实际情况多钻 5 米的沉渣 段),而后二级扩孔成井的施工工艺。导向孔采用 小径 (U21519mm) 牙轮钻头喷射钻进工艺,使用 电子多点测斜仪监测孔斜。 表 1 钻孔结构设计 施工 顺序 孔径 (mm) 套管 程序 钻进井段 (m) 套管尺寸 (mm) 套管下 深 (m) 备注 一开U1080 表层套管
9、 0 150U82012150 水泥返 至地面 二开U750 技术外管150 600 U53014600 水泥返 至地面 41212 第四系覆盖层段 利用导向孔导向,使用 U380mm U21519mm、 U750mm U 380mm、U 1080mm U 750m m 三种组合牙 轮 钻 头 分 三 级 扩 孔,使 孔 径 达 到 设 计 孔 径 U1080mm, , 孔深 150m,下入 U 820 12mm 螺旋套 管约150m,水泥固井, 候凝 48 72小时。 41213 煤系地层段 利用导向 孔导向,用 U 380m m U21519mm、 U750mm U 380mm两种组合牙轮
10、钻头分二级扩孔达 到设计孔径 U750mm, 钻井工程量 450 米,下入外 管 U53014mm无缝钢管 600m, 水泥固管。 413 钻头选择 41311 导向孔 采用 U21519mm牙轮喷射钻头 ( 或 PDC复合片 钻头),覆盖层使用 U 1080mm 组合钻头扩孔。 41312 基岩导向孔 以 U21519m m 带喷嘴镶齿牙轮钻头为主, 石英 砂岩采用紫色球齿喷射牙轮钻头。 41313 基岩扩孔 使用组合牙轮钻头, 用若干个镶齿式球齿牙轮 钻头的单掌组焊成 U380mm 和 U750mm 扩孔钻头, 选用单掌时规格和新旧程度应一致,排放高度、角 度严密均匀, 加焊挡板, 防止牙
11、轮脱落,造成钻头 损坏及孔内事故。 414 钻进参数选择 为了保证安全, 提高效率,防止孔斜, 采用喷 射钻进, 根据孔深、孔径和岩性综合选择钻进参数 见表2。 415 导向孔施工技术 导致钻孔弯曲的因素很多, 都有一定的规律, 但钻孔弯曲是不可避免的。大口径瓦斯抽排孔力求 32 中 国 煤 层 气 第 4 期 垂直, 否则不仅会给钻进造成困难, 而且粗大的井 管也难以下入孔内。本工程采用导向钻进技术,目 的就是为防斜,力求钻孔垂直, 保证成孔质量,在 发现导向孔偏离预定轨迹到一定程度时, 采用定向 钻进技术进行纠斜,保证成孔质量。 表 2 钻井钻进参数表 孔径孔段 转速 ( r/min) 钻
12、压 (KN) 泵量 (L/min) U21519mm 导向孔钻进 全孔43 15680 100850 1000 大口径扩 孔钻进 第四系地层43 93100 1201000 1430 煤系地层43 93100 1201000 1430 41511 防斜措施 把握好安装、开孔、换径三个关键环节, 有效 预防孔斜;使用 U 127 粗径钻具和 U178mm 钻铤, 防斜钻具组合采用三个 U 21519mm 扶正器, 扶正器 与U21519mm钻头同径,分别连接在 U 178mm 钻铤 的三个不同部位, 使满眼钻进长度达到 20m,有效 地减少钻具与孔壁之间的间隙, 最大限度控制钻孔 偏斜; 采用轻
13、压悬吊式钻进方法,根据地层情况, 合理控制钻压,把孔斜控制在最小范围之内; 所施 工钻孔基岩段较厚,施工中可根据井区地层产状, 利用钻孔一般逆向地层倾斜偏移的规律, 保证少采 用钻孔纠偏而中靶,以提高钻效,使下管更顺利。 41512 导向孔质量检测 钻孔的成孔质量取决于导向孔的质量,为确保 导向孔的质量,应高度重视导向孔的测斜与纠斜工 作,这是钻孔成败的关键。在钻进过程中为了及时 掌握钻孔轨迹,每钻进 20m 使用电子多点测斜仪 测斜 1 次,及时掌握钻孔全孔的孔斜和方位角变化 情况,钻进至终孔层位后,进行 1 次系统测斜工 作,确保钻孔中靶和安全顺利下管; 通过测斜发现 孔斜超标时应及时进行
14、纠斜,控制好井眼轨迹,确 保先导孔孔斜控制在设计范围之内; 纠斜方法选择 随钻螺杆定向钻进技术,这是保证中靶钻进最可靠 的钻探工艺技术; 准确测量钻具长度以便于准确确 定下管深度。 41513 二级扩孔施工技术措施 第四系和基岩风化带扩孔段孔径 U 1080mm,孔 径较大, 覆盖层主要由回填土、粘土、砂质粘土、 流沙和砾石层为主,防斜和维护好井壁不垮塌是施 工技术关键。选用优质的钻井液,视地层情况选用 合理的钻井参数,控制井径扩大率在允许范围; 煤 系地层孔段孔径 U750mm,以砂岩、泥质砂岩为主, 地层软硬变化较大, 防斜、防止井壁垮塌和砂岩段 滤失缩颈是施工技术关键。 5 钻具组合 5
15、11 导向孔钻具组合 U21519m m 喷射牙轮钻头 ( 或 PDC 复合片钻 头) + U21519mm 扶正器 ( 长 116m) + U159mm 无 磁钻铤1 根 (长 9m) + U 21519mm扶正器+ U178mm 钻铤2 7根+ U159mm钻铤 6 8 根+ U127mm 钻杆 + 主动钻杆。钻铤总重量控制在 10 12 吨左右, 见图1 所示。 图 1 钻具组合示意图 为确保先导孔打直, 设计采用满眼钻具组合防 斜工艺。这种钻具组合一般要装三个稳定器 ( 或在 大钻铤外表面适当位置加焊硬合金扶正块) , 下稳 定器靠近钻头, 多为螺旋稳定器, 依次向上是短钻 铤 (3m
16、 左右)、中间稳定器、钻铤 (1 根) 和上稳 定器 ( 如图 2)。 图 2 满眼防斜钻具组合示意图 512 扩孔钻具组合 扩孔钻具组合与导向孔钻进相同, 只需更换钻 头和扶正器的类型和规格,根据岩层情况适当增加 粗径钻铤, 加重在 3 5t 以保证扩孔时的稳定性和 扩孔进尺效率。 513 纠斜钻具组合 U21519m mPDC +U172mm 1125 b 螺 杆 + U165mm NDC 1 根 + U159mmDC 6 9 根 + 33 第 4 期 钻探技术在超大瓦斯抽排井施工中的应用 U127mmDP 6 钻井液选用 611 第四系冲击层 采用 优 质 膨 润 土 配 置 基 浆,用 碳 酸 钠 (Na2CO3)、水解聚丙烯酰胺 ( PHP) 、水解聚丙烯 腈 (HPAM) 调整泥浆性能。该井段井壁不稳定, 极易垮塌、掉块,泥浆调制中可适量加入防塌剂 (K31),以提高泥浆防塌能力, 同时起下钻具要慢、 稳,防止井内压力
