“L”型地面钻井在塔山煤矿中的应用

王晓民

（中国煤炭地质总局 第二水文地质队，河北 邢台 054000）

0 引 言

随着煤炭开采工作的进行，采空区内逐渐涌出高浓度瓦斯，部分瓦斯从工作面内的回风上隅角位置涌出，导致回风上隅角瓦斯浓度过高，对之后的煤炭回采造成威胁[1-3]。综采工作面瓦斯超限问题是一个长期困扰我国煤矿安全高效生产的关键难题，在塔山矿区现有的瓦斯治理技术研究基础上，采用了L 型钻井对工作区顶部缝隙处的瓦斯进行抽采处理[4]，为解决高强度开采情况下瓦斯涌出浓度过大提供了可行方案，消除工作面生产中的瓦斯隐患，为矿井后续瓦斯治理提供借鉴意义。

1 区域地质概况

大同矿区位于山西陆台北部，北靠内蒙古陆，东部与大同断陷盆地相邻，吕梁山脉西石山为矿区西界，南部与宁武煤田相邻。

大同煤盆地为东南陡斜、西北宽缓的北东向复式不规则向斜盆地。受地层构造影响，矿区轴心发生了一定迁移，其中北东向为主要趋势。受老阿尔卑斯阶段和印支事件的影响，发生了强烈的地质构造活动，导致研究区东部地层陡峭、直立。伴随着相应的岩浆活动，东部及东南部分地层构造复杂，断裂较多；北部地层构造则相对简单，断层较少，而以单一向斜为主，总体来看大同矿区的地层构造较简单[5-6]。根据地面勘探钻孔魏35、A1、T1003、魏601、挖12、T1001、T1002、魏501 与井下探顶 钻 孔21201 ～21242、21031、21033、21040、21041 资料，试验对象主采煤层3-5 号煤层结构复杂、厚度为7.25 ～20.19 m，平均11.17 m，纯煤厚为4.30 ～19.34 m，平均10.02 m，含夹矸2 ～10 层，夹矸厚度0.20 ～6.80 m，平均1.15 m，单层厚度0.05 ～1.00 m。夹矸岩性为灰褐色高岭岩、灰黑色炭质泥岩，泥岩、局部夹深灰色粉砂岩。

影响研究区煤田构造形态主要有以下方面。

（1） 内蒙古陆，构成了整个华北石炭二叠系煤田的北部边界。

（2） 受加里东运动的影响，西石山一直处于上升隆起，构成了研究区的西界。

（3） 洪涛山背斜呈北西50°，横亘在大同煤田的南东侧。

（4） 东界大同—山阴断裂受喜马拉雅山运动影响，断距大，延展长（超过110 km），构成了研究区的南东及东部边界（图1）。

图1 研究区构造形态示意Fig.1 The structural form of the study area

2 井身结构设计与工艺

2.1 L 型钻井设计轨迹

综合分析矿区地质情况后，选择在8216 工作面一个合适的地点开孔施工，向下钻一段直井（孔深约110 m）。

由直井段落点向靶域方向（8214 工作面内）造斜施工一弧形孔，弧形孔落点至8214 面3-5 号煤层顶板上，距煤层5 倍采高（+1 073.3 m），平面位置内错8214 面回风巷30 m 左右。

由弧形孔落点向8214 面工作面回采方向施工一近水平孔，水平孔方位角306°（与风巷平行），终孔点距3-5 号煤层顶板3 倍采高（+1 046.0 m），水平段长度不小于200 m（图2）。

图2 钻孔空间投影Fig.2 Spatial projection of borehole

2.2 钻井工艺

钻孔全孔使用GZ-2000 水源钻机采用优质化学泥浆牙轮钻头钻进及牙轮组合钻头扩孔成孔。L型井采用3 开井身结构，一开采用φ444.5 mm 钻头钻至基岩面下60 m，下入φ339.7 mm×9.65 mm表层套管、固井候凝；二开采用φ216 mm 钻头导向，φ311 mm 钻头钻至480 m，下入φ244.5 mm×8.94 mm 技术套管后固井候凝；三开采用φ216 mm 钻头钻至B 靶点866 m 完钻，下入φ168.28 mm×8.94 mm 技术套管；孔底200 m 为裸孔。环状间隙内灌注满P.O42.5 比重1.75 g/cm3水泥浆。钻孔结构及下入孔内管材见表1，井深结构示意如图3 所示。

表1 钻孔结构及下入孔内管材Table 1 Borehole structure and pipes in borehole

图3 井身结构示意Fig.3 Wellbore structure

2.3 钻进方法

0～60 m 采用φ444.5 mm 三牙轮钻头钻进，使用φ203 mm 钻铤+φ178 mm 钻铤+φ159 mm钻铤+φ114 mm 钻杆+φ89 mm 钻杆的塔式钻具。

60～480 m 采用φ311 mm 牙轮钻头钻进，使用φ172 mm 螺杆+φ159 mm 钻铤+φ127 mm 钻铤+φ114 mm 钻杆+φ89 mm 钻杆的塔式钻具。

480～866.50 m 采用φ215.9 mm 三牙轮钻头钻进，使用φ172 mm 螺杆+φ155 mm 无磁钻铤+φ121 mm 钻铤+φ114 mm 钻杆+φ89 mm 钻杆的塔式钻具。以上钻具组合在加压钻进及扩孔时，利用不超过钻铤总重量的30%～40%加压。

2.4 钻井技术参数

钻压、转数、泵量等统称为钻井工艺参数。施工中采用三牙轮钻头钻进工艺，参数为中钻压、大排量、中低转速。

此次选取三牙轮钻头和螺杆钻具钻头进行施工，牙轮钻头采用的钻压数值不超过钻铤重量的70%，在开孔、换层、地层情况异常时，钻压、转速需减小（表2）。

表2 正常钻进技术参数Table 2 Technical parameters of normal drilling

3 成井工艺

3.1 下管

该井设计分3 次下管分别为0～60 m 下入一级井管中339.7 mm×9.65 mm 成孔管选用材质J55 石油套管。0 ～480 m 下入二级井管φ244.5 mm×8.94 mm 成孔管选用材质N80 石油钢管。450～660 m 下入三级井管φ168.28 mm×8.94 mm 成孔管选用材质N80 石油套管。套管采用升降机提吊、吊卡夹持进行下套管。套管之间采用丝扣连接。

在下管前认真检查了动力设备和辅助设备的完好情况，保证设备在下管过程中性能良好，准备好水泥固井所需要材料、设备、排污场所，调整好泥浆性能。下管前进行充分圆孔，井管探井顺利后才进行下管工序。下管时应把井管编号、丈量、计算总长度，依次记录下入孔内套管的编号，记录下入孔内的每根管材的长度及位置。并核对下入孔内的井管数量及下入深度与设计是否相符。

3.2 固井

对下入护壁管管外都使用普通硅酸盐42.5 号袋装水泥进行永久止水（表3），水泥浆密度在1.70~1.85 g/cm3，井管外水泥浆返到地表。

表3 固井水泥用量Table 3 Cementing cement consumption

4 结 语

L 型地面钻井技术工期短、成本低、相对安全可靠。钻进和成井工艺方面满足了各项指标，说明钻进方法合理，钻进参数选择适当，封孔质量良好。此外，建议矿方尽快完善地面管道设施，尽快投入使用，减少人为和自然破坏的程度或可能性。