晋城矿区采空区煤层气井施工问题及对策分析

郭文水

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司）

煤矿采空区是因地下煤炭被采出后形成的空洞区，受落煤、保护煤柱、围岩、邻近煤层瓦斯解吸和运移影响，多数采空区内富含瓦斯资源，是我国煤层气开发的潜力区域［1-3］。不过受采空区地层复杂影响，造成在地面钻井过程中普遍存在井漏、掉块卡钻、下套管遇阻、固井质量差等一系列问题，严重制约了煤矿采空区煤层气资源开发的进度［4-6］。随着近几年国内对清洁能源需求的快速增长，为挖掘自身开发潜力，煤层气作为非常规天然气的重要组成部分，是下一步开发的热点［7］。因此，对制约采空区钻井施工的难点开展分析和对策研究迫在眉睫。

1 晋城矿区采空区煤层气井施工现状

煤矿采空区煤层气开发涉及资源评价、区块优选、钻井施工等多个方面，综合开发难度较大，目前在国内尚处于起步阶段。山西晋城矿区的3#煤层资源赋存条件好、埋深浅，采后形成的采空区内煤层气普遍储量大、浓度高，是我国现阶段煤矿区煤层气资源开发的示范区。因此，以晋城矿区为例，介绍目前采空区钻井施工的现状。

晋城矿区针对采空区地层的钻井施工分为采空区煤层气井（简称采空井）和穿采空区煤层气井（简称穿采空井）2 种模式［8］，井身结构示意图见图1 所示。

综合分析图1可以看出，晋城矿区采空井的目的是开发3#煤层采空区内富集的煤层气资源，目标层位是采空区裂隙带中下部地层；穿采空井的目的是穿过3#煤层采空区开发下组煤的煤层气资源，目标层位是15#煤层。虽然2 种开发模式之间存在较大差异，但是都涉及到采空区复杂地层的钻井施工，是目前的难点所在。

受采空区地层裂隙发育影响，当钻进到裂隙带时，普遍会发生严重井漏，而现场多数采用泥浆加锯末、核桃壳、棉籽壳等桥塞材料或者注水泥浆工艺进行堵漏施工，因无法满足大裂缝地层的堵漏要求，往往效果较差，造成基于常规堵漏施工的泥浆钻井工艺无法适用于采空井钻进。后期为满足采空区煤层气资源开发需要，钻井队将冲洗液由泥浆调整为空气，实现了欠平衡钻井，解决了钻井液漏失严重的问题，同时还因空气来源充足和便利特点，成为采空井施工的最适用工艺。不过随着该工艺的推广应用，空气钻井暴露出一个重大安全隐患：因空气钻井采用潜孔锤作为动力钻具，利用冲击回转方式进行碎岩，当钎头冲击岩石表面时会产生热量，加上空气循环供氧，使得采空区存在遗煤自燃或煤层气燃烧的风险，安全性无法保障［9］。为此，综合考虑空气钻井的安全风险和欠平衡钻井的技术优势，现场施工时又将冲洗液由空气调整为氮气，成功解决了安全问题［10-11］，目前已成为晋城矿区钻进采空区裂隙地层的主要钻井工艺。不过随着氮气欠平衡钻井工艺的推广应用，因需要单独配置制氮机、增压机等设备，该工艺暴露出作业成本高的问题。

综合来看，晋城矿区的采空井和穿采空井施工工艺先后经历了泥浆堵漏钻井、空气欠平衡钻井、氮气欠平衡钻井的优化过程，并且经过现场的不断完善，形成了成熟的钻井工艺流程：针对未漏失地层，采用常规泥浆钻井或空气钻井工艺施工，完钻后下套管并固井；针对裂隙发育地层，将冲洗液由泥浆或空气调整为氮气，钻至煤层底板，如果是采空井则提钻裸眼或下筛管完井，是穿采空井则下套管固井，封隔采空段，常规工艺三开钻至15#煤层底板。截止目前，该钻井工艺已支撑了几百口采空井和穿采空井的施工。不过随着环保作业要求的提高，欠平衡钻井过程中的扬尘、噪声等问题开始显现，已成为当下钻井施工的一个短板。

2 煤矿采空区地层特征

目前在煤矿采空区地层施工钻井时问题多、难度大，究其根本是受采空区特有的地层条件决定的，尤其是地层裂隙对漏失的影响，是制约钻井工艺的关键。因此，开展钻井难度分析和对策研究，前提是对采空区地层特征有所了解。

当工作面回采时，煤层上覆岩层会经历变形—破断—垮落的过程，到采煤结束后，将逐步形成一种稳定的地层形态。根据经典的矿压理论［12-13］，对采场围岩变形空间划分方法，采场上覆岩层会形成“三带”分布特征，从下到上依次是底部的冒落带、中部的裂隙带及上部的弯曲下沉带，如图2所示。

由图2 可知，冒落带位于最底部，是岩层变形程度最剧烈的区域，形成的裂缝尺寸大、分布广、导通性好；裂隙带位于冒落带之上，相比而言，其裂缝的尺寸减小很多，但裂隙在横向和垂向依然十分发育，裂隙之间连通性良好；弯曲下沉带从裂隙带顶部至地表，其裂隙发育程度非常低，只有底部存在较小的离层裂隙。综合来看，采空区地层的裂隙呈现出上小下大的变化形态，在裂隙带和冒落带层段，横向离层裂隙和竖向破断裂隙连通性较好，是目前发生井漏的地层段。

通常在油气井堵漏施工时，漏失地层的准确位置、深度、漏层特征等是设计堵漏工艺的基础依据。因此，针对煤矿采空区钻井，为了分析施工的难点和研究适用对策，首先需要明确采空区裂隙地层的位置和深度，即“三带”的准确分布范围。因晋城矿区的3#煤层普遍赋存稳定、变化不大，所以本研究参照晋煤集团寺河煤矿的顶板岩层条件（中硬砂岩为主），选用经验公式计算上覆岩层裂隙在垂向上的发育范围。

其中，冒落带高度为

式中，Hm为冒落带高度，m；∑M为累计开采煤层厚度，m。

裂隙带高度为

式中，HL为裂隙带高度，m。

寺河煤矿的3#煤层平均厚度为6.0 m，采煤工艺为一次采全高，由此计算得到冒落带和裂隙带高度Hm=10.5～14.9 m，HL=39.9～51.1 m。按最大值取值，则冒落带高度范围为0～14.9 m，裂隙带高度范围为14.9～66.0 m。

综合上述分析和计算可以得出，在采空区钻井时，开始发生井漏的大概位置在煤层以上66 m，整个漏层段长度约为66 m，钻进过程中漏失最严重的区域是从煤层底板到14.9 m高度范围的冒落带。

3 采空井施工问题分析及对策

3.1 采空井施工问题分析

从前述分析可知，煤矿采空区地层呈现出典型的“三带”分布特征，不仅地层裂隙普遍发育，而且裂隙发育的地层段长度比较长，由此对后期的钻井施工造成严重影响，产生众多施工难题，主要表现在以下几个方面。

（1）井漏问题。采空区地层是原始状态被破坏后形成的一种类似“构造地层”，其中岩层间存在大量离层和破断裂隙，由此导致地层压力非常小，当循环介质的压力大于地层压力时，循环介质将进入地层的裂隙通道，从而发生漏失。钻井液因密度大，形成的正压差大，所以泥浆钻井漏失最明显，而当采用空气或氮气钻进时，受压差小影响，发生漏失的严重程度较泥浆减轻许多。不过在冒落带地层，因裂隙通道尺寸大，钻进过程中空气或氮气也会漏失，出现井口不返屑的现象。

（2）井壁失稳问题。采空区地层在经历垮落或下沉过程中，不同岩层间因位移变化不同，造成后期的岩体分布多呈碎块状，使得地层的结合强度低。当钻进到该地层时，钻具的扰动和循环介质的冲刷将造成井筒周围地层发生失稳，进而导致掉块或井壁坍塌。此外，因套管外径大，在完钻下套管时，套管易与井壁发生刮擦，进而加重破碎地层失稳，最终导致下套管遇阻。

（3）安全问题。目前晋城矿区施工采空井形成了成熟的技术，即空气+氮气欠平衡钻井工艺，其中为了控制成本，一般一开和二开钻进选用空气循环，当钻进到采空区时再更换为氮气循环。由于空气钻井是利用冲击方式进行碎岩，井底会产生热量，加上循环供氧，当钻进到裂隙带上部揭露采空区时，存在煤层气被钻燃的风险，具有非常大的安全问题。

（4）固井问题。目前晋城矿区施工采空井，一般二开完钻的层位以发生漏风为界限，这导致二开固井时井底存在漏失问题，而采用堵漏施工将污染下部的产气层，由此造成二开固井效果难以保证；当施工穿采空井时，二开完钻的层位是煤层底板以下22 m 左右，这导致固井时水泥浆只能上返到底板，技术套管下部的有效固井段只有22 m 左右，影响二开固井的效果。

（5）完井问题。目前晋城矿区针对采空井，多数采用裸眼或下筛管的方式完井，由于采空区地层裂隙发育、胶结强度低，当采用裸眼完井时，抽采过程中面临井壁失稳坍塌堵塞井筒的问题；当采用筛管完井，筛管本体强度难以匹配地层变化时将发生挤压变形，此外抽采过程还存在筛眼被堵塞的问题。

3.2 采空井施工对策研究

通过前述分析可知，受采空区这种特殊的地层形态影响，在采空区施工钻井存在一系列问题，因此为满足采空区煤层气大规模开发的需求，急需对制约施工的行业难题进行攻关，结合多年来积累的现场经验，提出以下几个方面的研究对策。

（1）基于空气或氮气钻井施工采空区地层的技术优势，研究雾化或泡沫钻井工艺，改变循环介质类型，不仅降低钻进过程中冲洗液的漏失压力，还可以解决安全风险难题。

（2）借鉴油气井套管钻井技术，实现边钻边下套管，解决常规工艺下套管时因井壁失稳导致的遇阻难题。

（3）结合采矿学理论，准确判别裂隙带高度范围，进而优化井身结构，确保二开完钻层位在裂隙带之上，保证二开固井不发生漏失。

（4）通过分析采空区地层被扰动后井筒四周岩体的稳定性情况，对比优化完井工艺，设计高强度的完井筛管。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）针对采空区煤层气井施工，目前晋城矿区经过不断摸索，已形成一套成熟的钻井工艺，即空气+氮气钻井技术，但该工艺面临施工安全、钻井成本高、环境污染等问题。

（2）通过研究晋城矿区的采空区地层可知，采空区裂隙在垂向发育范围0～66 m，深度范围大，导致后期钻井时存在井漏、井壁失稳、钻完井工艺不匹配等问题。

（3）基于当前晋城矿区采空区煤层气井施工现状，急需通过优化钻完井工艺，解决制约行业发展的难题。

（4）随着国家对采空区煤层气资源的高度重视，在采空区规划施工的钻井数量将越来越多，通过对制约目前采空井施工难题的宏观分析，为国内外研究机构提供一个明确的研究方向，以期推动采空区钻井技术的行业发展。