CN111878156A - 一种微l型长寿命防破坏采动井的井身结构及其钻井方法 - Google Patents
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Abstract
一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构及其钻井方法，属于煤矿采动区瓦斯地面抽采技术领域，可解决常规采动直井在采煤过程中受顶板剧烈位移影响易破坏、寿命短的问题。本发明将井口从工作面回风巷内侧上方挪至工作面回风巷外侧3‑5米处的煤柱上方，并在顶板裂隙带上方80‑100米处向工作面内侧定向造斜，形成“微L”型井身结构，分为三开结构，分段固井。综合来说，该井身结构设计合理，可以较低的成本实现大幅提高井身结构稳定性、显著提高钻井服役寿命和瓦斯抽采量的效果。
Description
技术领域
本发明属于煤矿采动区瓦斯地面抽采技术领域，具体涉及一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构及其钻井方法。
背景技术
工作面采煤后形成的“O型圈”是采动卸压瓦斯流动的主要通道，也是卸压瓦斯抽采的主要区域。常规采动直井通常布置在回风巷内侧40m以内的区域，主要抽采工作面采煤过程中的卸压瓦斯。因其井身结构完全位于工作面内，受采动影响剧烈，井筒很容易被顶板的剧烈位移和变形挤压、剪切破坏，难以长时间保持井筒畅通。
目前的采动区地面钻井一般为直井，从高效抽采卸压瓦斯角度考虑，需要把钻井布置在工作面内的回风巷内侧区域。但在采煤过程中，该区域上覆岩层水平位移变形较大，对钻井的破坏作用较强，特别是在煤厚较大、采用一次采全高工艺的采煤工作面，钻井往往在工作面推过井底后不久即被破坏，极大缩短了采动井抽采周期。
经统计，目前采用的采动井直井，抽采寿命一般为20-50天左右，通常在工作面推过钻井井底80-150米后即被破坏。抽采寿命短、抽采总量低成为制约采动井大范围推广的最大症结，如何有效提升采动井井筒稳定性成为行业性难题。
发明内容
本发明针对常规采动直井在采煤过程中受顶板剧烈位移影响易破坏、寿命短的问题，提供一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构及其钻井方法。
一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构，包括依次连接的钻井井口、竖直段和弯曲段，其中，钻井井口位于工作面外回风巷外侧3-5m处的煤柱上方地表，竖直段位于顶板裂隙带上方80-100m处，弯曲段向回风巷内侧区域工作面方向倾斜，弯曲段的终孔段位于回风巷内侧20-40m范围。
所述弯曲段的水平截面的面积为直井的2-3倍。
一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构的钻井方法，在采煤工作面回采之前施工钻井，采用三开钻井工艺，具体包括如下步骤：
第一步，将钻井井口由工作面内回风巷内侧上方地表挪至工作面外回风巷外侧3-5米处的煤柱上方地表，一开钻至地表松散层下的稳固基岩内10m后下入套管固井；
第二步，二开根据矿区实际情况判断顶板裂隙带高度，垂直向下钻进至顶板裂隙带上方80-100米处止钻，以避开钻孔破坏高危段，下入套管固井；
第三步，三开采用定向钻井工艺，向工作面回风巷内侧区域定向造斜，钻遇工作面内煤层止钻，裸眼或下入筛管完井，三开井段终孔处位于回风巷内侧20-40米区域，即“O型圈”内的顶板冒落裂隙带瓦斯富集区。
第一步中所述一开采用D311.15mm钻头，钻至地表松散层下的稳固基岩层内10m，以避免套管下陷、松散层坍塌、渗水，然后下入D273.05mm套管固井。
第二步中所述二开根据矿区实际情况判断顶板裂隙带高度，采用D241.3mm钻头钻进至顶板裂隙带上方80-100米处止钻，下入D193.7mm套管固井。
第三步中所述三开采用定向钻井工艺、D171.5mm钻头，裸眼或下入D139.7mm筛管完井。
相比采动井原本采用的位于工作面内、直井井型设计，微L型采动井一开和二开井段处于工作面外煤柱上方，三开井段为倾斜形态，水平截面积约为直井的2-3倍，可以承受更大的顶板水平剪切位移（为钻井破坏主要原因），更加不容易被剪切破坏堵死（类似于斜着切黄瓜，黄瓜片更大），可显著延长钻井抽采寿命，提高瓦斯抽采总量。
本发明的有益效果如下：
1. 微L型采动井上半部分的井身结构受采动破坏较小，在采动后仍然能够保持稳定；
2. 微L型采动井终孔段位于“O”型圈内的瓦斯富集区，可高效抽采富集区域内的卸压瓦斯。
3. 微L型采动井下半部分为倾斜形态，水平截面积约为直井的2-3倍，可以承受更大的水平剪切位移（为钻井破坏主要原因），不容易被剪切破坏堵死（类似于斜着切黄瓜，黄瓜片更大）。
综合来说，该井身结构设计合理，可以较低的成本实现大幅提高井身结构稳定性、显著提高钻井服役寿命和瓦斯抽采量的效果。
附图说明
图1为本发明的井身结构示意图；
图2为本发明实施例的微L型井的井斜数据的平面投影图；
图3为本发明实施例的微L型井的井斜数据的剖面投影图；
图4为本发明实施例的微L型井的井斜数据的立体投影图；
图5为本发明实施例的微L型井与常规采动直井效果对比图。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
一种微L型长寿命防破坏采动井井身结构设计，在采煤工作面回采之前施工钻井，采用三开钻井工艺。
具体步骤是：
一开：井口位于工作面外回风巷外侧3-5米处的煤柱上方地表，采用D311.15mm钻头，钻至地表松散层下的稳固基岩层内10m，以避免套管下陷、松散层坍塌、渗水，然后下入D273.05mm套管固井。
二开：根据矿区实际情况判断顶板裂隙带高度，采用D241.3mm钻头钻进至顶板裂隙带上方80-100米处止钻，下入D193.7mm套管固井。
三开：采用定向钻井工艺、D171.5mm钻头，向工作面回风巷内侧区域定向造斜，钻遇工作面内煤层止钻，裸眼或下入D139.7mm筛管完井。三开井段终孔处位于回风巷内侧20-40米区域，即“O型圈”内的顶板冒落裂隙带瓦斯富集区。
表1 井身结构钻套参数
本发明三开井身结构中采用的钻头、套管直径尺寸不局限于本权利要求书中提出的级配组合（311.15mm/273.05mm—241.3mm/193.7mm—171.5mm/139.7mm），根据钻井设计抽采量的不同，如采用其他的级配组合，只要能保证钻井的正常施工成井，也是可行的。
实施例
现场应用效果
（1）应用情况简介
以晋煤集团寺河矿的地面定向“微L”型采动井为例。该矿5301工作面主采3#煤层，采高为6.5m，一次采全高。工作面地质构造较简单，为一单斜构造，在此基础上发育有背斜、向斜，煤层倾角为2-8°，走向长1549.5m，倾斜长296.3m，面积为459116.85m2。为了有效解决采煤过程中5301工作面瓦斯超限难题，建立两口垂直钻井用于抽采井下瓦斯，分别为SHCD13-02“微L”型采动井和SHCD13-01地面垂直钻井。
在5301工作面施工的SHCD13-02“微L”型井，用以研究工作面推进过程中“微L”型井的抽采情况，该“微L”型井的竖直轨迹如图1所示。其中，“微L”型钻井的施工过程为一开钻进，钻头规格直径为425.00mm三牙轮，下入直径为377.00 mm表层套管，经48小时固井候凝后进行二开钻进；下入直径为311.15mm三牙轮钻头进行二开钻进，下入直径为244.48 mm套管，经48小时固井候凝后下入直径为215.90mm三牙轮钻头进行三开钻进，并下入直径为168.28 mm的筛管，达到设计目的后完钻，完钻井深为350.57m。
SHCD13-02“微L”型井的井斜数据表如表2所示。
表2 SHCD13-02“微L”型井井斜数据
根据井斜数据表表分别生成的平面投影图如图2所示、剖面投影图如图3所示、立体投影图如图4所示。
SHCD13-02“微L”型井和SHCD13-01垂直钻井都位于5301工作面，且距离较近，具有相同的地质状况、瓦斯解吸和流动特性，因此选择这两口井的瓦斯抽采数据进行对比，由图5可知：
抽采初期：SHCD13-01垂直钻井和SHCD13-02“微L”型井在抽采初期瓦斯抽采纯量相差不大。
抽采中期：因上覆岩层弯曲错动，导致两口钻井发生不同程度的变形，瓦斯抽采纯量和浓度都呈下降趋势，明显可看出，SHCD13-01垂直钻井瓦斯纯量及浓度下降较快，说明SHCD13-01垂直钻井的变形更为严重，而SHCD13-02“微L”型井瓦斯抽采浓度和流量出现稍微下降，仍可正常抽采井下瓦斯。
抽采末期：当SHCD13-01垂直钻井完全失效而无法继续抽采瓦斯时，“微L”型钻井仍可保持正常抽采。
对比结论：“微L”型井抽采能力与普通垂直钻井相同，但其井身稳定性较高，能够避免因工作面推进引起上覆岩层移动而导致的钻井井身破坏，使用寿命较普通地面垂直钻井明显延长。
（3）整体抽采效果
2018年SHCD13-02井抽采纯瓦斯量为185.5万m3，与普通垂直采动井比较，可多抽采50万m3瓦斯纯量，按照每立方米1.7元的出厂价计算（含国家补贴0.4元），可多创造产值约85万元。而“微L”钻井造斜的施工成本仅比普通直井多10万元，本设计的经济效益较好。建议未来施工的新采动井统一采取本设计，预期可有效延长采动井抽采寿命，提高单井瓦斯抽采量。
（4）应用前景
按工作面正常回风瓦斯浓度1%计算，地面每抽采1立方米纯瓦斯，相当于井下增加100立方米新鲜风流的稀释效果，因此，采动井可有效缓解井下瓦斯治理压力、降低治理成本。本成果可有效延长采动井抽采寿命，与普通垂直钻井比较，单井每年可多抽采50万立方米纯瓦斯。
本发明预期可推广应用至国内已大量施工采动直井的晋城、大同、西山、淮南、淮北等煤炭主产区，也可推广应用至国内其他可利用采动井开展瓦斯治理的矿区。
Claims (6)
1.一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构，其特征在于：包括依次连接的钻井井口、竖直段和弯曲段，其中，钻井井口位于工作面外回风巷外侧3-5m处的煤柱上方地表，竖直段位于顶板裂隙带上方80-100m处，弯曲段向回风巷内侧区域工作面方向倾斜，弯曲段的终孔段位于回风巷内侧20-40m范围。
2.根据权利要求1所述的一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构，其特征在于：所述弯曲段的水平截面的面积为直井的2-3倍。
3.一种如权利要求1所述的微L型长寿命防破坏采动井的井身结构的钻井方法，其特征在于：在采煤工作面回采之前施工钻井，采用三开钻井工艺，具体包括如下步骤：
第一步，将钻井井口由工作面内回风巷内侧上方地表挪至工作面外回风巷外侧3-5米处的煤柱上方地表，一开钻至地表松散层下的稳固基岩内10m后下入套管固井；
第二步，二开根据顶板裂隙带高度，垂直向下钻进至顶板裂隙带上方80-100米处止钻，下入套管固井；
第三步，三开采用定向钻井工艺，向工作面回风巷内侧区域定向造斜，钻遇工作面内煤层止钻，裸眼或下入筛管完井，三开井段终孔处位于回风巷内侧20-40米区域，即“O型圈”内的顶板冒落裂隙带瓦斯富集区。
4.根据权利要求3所述的一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构的钻井方法，其特征在于：第一步中所述一开采用D311.15mm钻头，钻至地表松散层下的稳固基岩层内10m，然后下入D273.05mm套管固井。
5.根据权利要求3所述的一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构的钻井方法，其特征在于：第二步中所述二开采用D241.3mm钻头钻进至顶板裂隙带上方80-100米处止钻，下入D193.7mm套管固井。
6.根据权利要求3所述的一种微L型长寿命防破坏采动井的井身结构的钻井方法，其特征在于：第三步中所述三开采用定向钻井工艺、D171.5mm钻头，裸眼或下入D139.7mm筛管完井。
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