松软煤层瓦斯抽采钻孔冲洗液应用研究

王建强

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

随着我国煤矿开采量的日益增加，松软煤层所占比例越来越大，导致松软煤层瓦斯治理问题越来越突出，尤其是松软煤层瓦斯抽采钻孔施工过程中存在的塌孔，导致钻孔深度达不到要求，制约着煤层瓦斯的高效治理。近年来国内外专家学者在该方面也作了大量研究，其中最具代表性的主要包括：水力排渣钻进工艺、低风压空气钻进工艺、中风压空气钻进工艺、干式螺旋钻进工艺、反循环钻进工艺、泡沫钻进工艺和保压钻进工艺[1-6]，以上研究成果对提高松软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度都起到了重要作用。但冲洗液技术在煤层瓦斯抽采钻孔中的应用研究还比较缺乏。有鉴于此，借鉴石油钻井工程中的冲洗液技术，针对煤层瓦斯抽采钻孔自身特点，配制了相应冲洗液，并通过对钻具性能影响测试和现场试验应用，试验结果表明该冲洗液有助于提高孔底马达回转扭矩和转速，有助于提高松软煤层钻孔深度，其中，在赵庄矿进行的回转穿层钻孔现场试验中，钻孔煤中进尺由1～3 m提高到9～17 m；在成庄矿进行的顺层定向钻孔现场试验中，单孔平均钻孔深度可以提高约10 m。

1 煤层瓦斯抽采钻孔用冲洗液

煤层瓦斯抽采钻孔用冲洗液与石油钻井用冲洗液要求不同，前者要求冲洗液不能影响钻孔瓦斯抽采，不能降低煤层的透气性，不能堵塞瓦斯解吸通道，为此，针对煤层瓦斯抽采钻孔的自身特点，特配制了粉基和液基2种冲洗液，其中，液基冲洗液具有自动降解功能，粉基冲洗液虽然没有自动降解功能，但是在使用时通过加入生物酶，可实现降解功能。

1.1 粉基冲洗液

粉基冲洗液主要由钻屑高效悬浮剂、防渗成膜剂、增黏剂、降失水剂、分散稳定剂、减阻剂和渗透率恢复剂组成。完全成浆时的钻井液性能主要参数为：表观黏度 40 mPa·s，切力 18 Pa，失水量 14 mL/30 min，密度1.02 g/cm3，润滑系数0.28，动塑比0.67，后期可降解至初始黏度的30%。

1.2 液基冲洗液

液基冲洗液主要由PCM、TCA、乳化剂、分散剂、消泡剂、引发剂组成。完全成浆时的钻井液性能主要参数为：表观黏度 17 mPa·s、塑性黏度 13 mPa·s、动切力4 Pa，静切力1.5/2.5(1′/10′)Pa，流性指数0.7，稠度指数 0.14。

2 冲洗液对试验钻具影响分析

煤层瓦斯抽采钻孔钻进技术主要有常规回转钻进技术和定向钻进技术，其中，煤矿井下用定向钻进技术采用孔底马达为孔底动力驱动钻头回转碎岩，所以钻进过程中对冲洗介质性能要求较严格[7-9]，为了确保定向钻进技术中采用的孔底马达性能不受冲洗液影响，在室内进行了冲洗液对孔底马达性能影响测试。

测试在螺杆钻具性能测试试验台上进行，测试用泵的排量为194 L/min，分别选取清水、粉基冲洗液（体积比2%）、液基冲洗液（体积比0.3%）和液基冲洗液（体积比0.5%）进行测试，主要测试在入口压力一定的条件下，孔底马达输出扭矩和输出转速的变化。

在同样入口压力条件下，观察马达输出扭矩变化，冲洗液对孔底马达输出扭矩影响曲线如图1。由图1可知，其中入口压力在1.6～4.1 MPa范围，输出扭矩由大到小依次为：液基冲洗液（体积比0.5%）、液基冲洗液（体积比0.3%）、粉基冲洗液（体积比2%）和清水。由此可以得出，液基和粉基冲洗液都可以提高马达输出扭矩，从提高的幅度来看液基冲洗液（体积比0.5%）效果最好。马达输出扭矩越高，则马达对地层适应范围越广，相应钻头碎岩能力越高，有助于提高钻进效率。

图1 冲洗液对孔底马达输出扭矩影响曲线图

在同样入口压力条件下，观察转速变化，冲洗液对孔底马达输出转速影响曲线图如图2。由图2可知，入口压力在1.4～4.3 MPa范围，转速由大到小依次为：液基冲洗液（体积比0.5%）、液基冲洗液（体积比0.3%）、粉基冲洗液（体积比2%）和清水。由此可以得出，液基和粉基冲洗液都可以提高马达转速。马达转速越高，则可以提高单位时间钻头碎岩次数，即可提高钻进效率。

图2 冲洗液对孔底马达输出转速影响曲线图

3 冲洗液现场试验

为了测试冲洗液实际应用效果，先后在赵庄矿和成庄矿进行现场试验，其中在赵庄矿采用回转钻进技术施工穿层钻孔，在成庄矿采用定向钻进技术施工顺层定向钻孔。

3.1 冲洗液在回转钻进技术现场试验

在赵庄矿1307-2底抽巷进行现场试验，试验煤层为3#煤层，该煤层平均厚度4.60 m，煤层松软，坚固性系数为0.23～0.65，采用回转钻进施工瓦斯抽采穿层钻孔常常发生塌孔、卡钻和不返水，导致钻孔煤层中进尺少。

试验设计6个穿层钻孔，各钻孔岩孔段全部采用清水作为冲洗介质，钻遇煤层后分别用清水和冲洗液作为冲洗介质进行对比试验。试验选取粉基冲洗液，试验前需要把配料与水按质量比15‰～25‰的比例配置成浆液，配好的浆液在使用前需要按质量比0.35‰～0.4‰的比例加入生物酶。赵庄太回转钻进试验数据统计见表1，1#～3#钻孔实钻轨迹如图3，4#～6#钻孔实钻轨迹如图 4。

通过分析现场试验数据可以发现，6个钻孔煤层段用清水钻进孔深在1～3 m，平均煤中进尺1.8 m，而用冲洗液钻进孔深在9～17 m，平均煤中进尺13 m。分析其中原因，首先，冲洗液具有一定黏度，有助于提高其排渣能力[10]，通过现场试验现象也发现，用冲洗液钻进时返出的煤渣中，有部分直接呈漂浮状，而用清水钻进时只有少量煤粉呈漂浮状，煤渣都沉淀在底部；其次，该冲洗液是由各种高分子聚合物组成，能够吸附在煤层孔壁表面，从而起到一定胶结作用，可以在一定程度上提高煤层孔壁的稳定性。

表1 赵庄矿回转钻进试验数据统计表

图3 1#～3#钻孔实钻轨迹

图4 4#～6#钻孔实钻轨迹

后期通过对各试验钻孔与对比钻孔瓦斯抽采数据监测（图5和图6），试验钻孔平均瓦斯抽采浓度在50%～90%，对比钻孔平均瓦斯抽采浓度在30%～80%；试验钻孔平均日瓦斯抽采量在50～80 m3/d，对比钻孔平均瓦斯抽采浓度在20～60 m3/d。从数据分析试验钻孔平均瓦斯抽采浓度和平均瓦斯日抽采量与相邻对比钻孔效果相近甚至略好，从而表明该冲洗液的使用不会堵塞瓦斯解析通道，不会影响钻孔瓦斯的正常抽采。

图5 试验钻孔与对比钻孔平均瓦斯抽采浓度曲线

图6 试验钻孔与对比钻孔平均日瓦斯抽采量曲线

3.2 冲洗液在定向钻进技术现场试验

在成庄矿13071巷，试验煤层为15#煤，该煤层软硬不均、节理裂隙发育多、胶结性差、夹矸多，在定向钻进施工过程中存在的主要问题是塌孔，导致钻孔深度浅。为此，采用液基冲洗液进行试验。

试验钻孔为2#定向钻孔，为了观察冲洗液的使用效果，只在异常孔段使用冲洗液。冲洗液质量配比为1‰～5‰，该钻孔累计孔深531 m，累计煤中进尺447 m，冲洗液钻进累计进尺74 m，成庄矿定向钻进试验数据2#钻孔见表2，实钻轨迹图如图7。

表2 成庄矿定向钻进试验数据统计表

通过分析现场试验数据可以发现，该钻孔1个主孔，6个分支孔，使用冲洗液使得各钻孔煤层中进尺有不同程度增加，增加3～15 m，单孔平均深度提高约10 m，该冲洗液的使用在一定程度上提高了顺层定向钻孔的深度。

图7 2#钻孔实钻轨迹图

分析原因主要是由于该冲洗液的加入可以显著提高冲洗介质的黏度，从而可以提高冲洗介质携粉排渣能力。在松软煤层中施工顺层定向钻孔，往往由于煤层松软导致塌孔产生的大量煤渣不能及时排出，导致煤渣在孔内慢慢积聚，最终堵塞排渣通道，通过使用冲洗液，可以有效提高冲洗介质的排渣能力，对于轻微塌孔产生的煤渣相对较少，能够及时排出孔外，不至于堵塞排渣通道，从而在一定程度上可以提高钻孔深度。

4 结论

1）通过室内试验，证明该冲洗液能够满足定向钻进用孔底马达工作性能要求，不会对其工作性能产生不利影响，反而有助于提高孔底马达输出扭矩和输出转速。

2）通过现场试验，证明该冲洗液能够提高冲洗介质的黏度，从而可以显著提高冲洗介质排渣能力，在一定程度上有助于提高钻孔深度；该冲洗液具有可降解性，使用后不会堵塞瓦斯解析通道，不会影响钻孔瓦斯正常抽采。

3）为了更好的发挥冲洗液的作用，避免不必要的浪费，建议研发煤矿井下泥浆固控装置，实现冲洗液的循环利用。