煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探的施工技術(shù)研究摘要：河南省資源環(huán)境調(diào)查一院成功中標(biāo)陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司的五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程項目。該項目旨在利用新型鉆井設(shè)備施工瓦斯管路鉆孔，以實現(xiàn)煤層瓦斯泄壓抽采，保障采煤安全。詳細(xì)闡述了施工工藝流程，包括引導(dǎo)孔與擴孔施工的關(guān)鍵技術(shù)、鉆具組合與鉆進(jìn)參數(shù)的選定、鉆井液材料的選用與性能控制，以及下套管與固井技術(shù)。研究成果為煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探提供了技術(shù)參考。關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯大口徑排放井鉆探技術(shù)瓦斯抽采安全生產(chǎn)ResearchonConstructionTechnologyofDrillingLarge-DiameterGasDischargeWellinCoalMineTIANHequanGAOGuanqiang*InstituteofResourcesandEnvironmentalSurveyofHenanProvince，Zhengzhou，He’nanProvince，451150ChinaAbstract：TheFirstInstituteofResourceandEnvironmentalSurveyofHenanProvincehassuccessfullywonthebidforthedrillingprojectofWukuangHuaheyuGasPipelineofYangquanXinyuGeotechnicalEngineeringCo.，Ltd.Thisprojectaimstousenewdrillingequipmenttoconstructgaspipelinedrilling，soastoachieveseamgaspressurereliefandextraction，andensurecoalminingsafety.Thispaperindetailelaboratestheconstructionprocessflow，includingthekeytechnologyofguideholeandexpansionholeconstruction，selectionofdrillingtoolcombinationanddrillingparameters，theselectionandperformancecontrolofdrillingfluidmaterials，andthetechnologyofcasingandcementing.Theresearchresultsprovideatechnicalreferenceforthedrillingoflarge-diametergasdischargewellsincoalmines.KeyWords：Minegas;Large-diameterdischargewell;Drillingtechnology;Gasextraction;Safeproduction在當(dāng)今煤炭資源的深度開發(fā)與高效利用中，煤礦瓦斯問題如同一道難以逾越的坎日益凸顯其復(fù)雜性與嚴(yán)峻性，成為煤礦安全生產(chǎn)的一大瓶頸。瓦斯作為煤礦開采過程中的伴生氣體，其積聚與突出不僅威脅著礦工的生命安全，也嚴(yán)重影響著煤礦的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益。為解決這一棘手問題，煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探技術(shù)應(yīng)運而生，為煤礦瓦斯治理開辟了新的路徑。該技術(shù)憑借其獨特的施工瓦斯管路鉆孔方式，能夠有效實現(xiàn)煤層瓦斯的泄壓與抽采，從源頭上降低瓦斯?jié)舛龋瑸椴擅鹤鳂I(yè)筑起一道堅實的安全屏障。本文將緊密結(jié)合陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司的五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程項目實例，深入剖析煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探的施工技術(shù)要點，力求為相關(guān)領(lǐng)域的工程實踐提供科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮⒖寂c借鑒。1項目概況與施工準(zhǔn)備1.1項目概況本項目由河南省資源環(huán)境調(diào)查一院于2020年4月26日通過投標(biāo)，從陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司承接，項目名稱為五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程。項目旨在利用新型鉆井設(shè)備施工大口徑瓦斯管路鉆孔，以實現(xiàn)陽煤集團五礦煤層瓦斯的有效泄壓抽采，保障采煤作業(yè)安全。項目位于山西省陽泉市平定縣冶西鎮(zhèn)陽煤五礦花河峪風(fēng)井工業(yè)廣場內(nèi)，規(guī)劃布置2口大口徑瓦斯抽采管路鉆孔，孔間距約7m。施工區(qū)域地處太行山脈北段西側(cè)，地勢北高南低。地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖半裸露，出露地層主要為二疊系上、下石盒子組，局部有石炭系和奧陶系地層。其中，奧陶系峰峰組巖性堅硬，可鉆性差；石炭系本溪組和太原組含煤建造，需要防垮、防漏；二疊系山西組和下、上石盒子組地層需要注意泥巖掉塊和煤層防塌；第四系地層則需要防止漏失和坍塌[1]。1.2施工準(zhǔn)備在設(shè)備準(zhǔn)備方面，選用了SPS-2000鉆機用于引導(dǎo)孔施工、BMC-500反井鉆機用于擴孔，GYD-20L全液壓多功能鉆機具備雙重功能。同時，配備了注漿泵、鉆井泵、泥漿泵、發(fā)電機、無線隨鉆測斜儀等設(shè)備，以及井架、游動滑車、大鉤、絞車等輔助設(shè)備，為施工提供全方位保障[2]。技術(shù)準(zhǔn)備工作方面，編制了詳細(xì)的施工設(shè)計方案，明確了施工工藝流程、鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)等。針對引導(dǎo)孔復(fù)合鉆進(jìn)，正常鉆進(jìn)時，密度控制在1.03～1.6g/cm3，鉆壓40～60kN，轉(zhuǎn)速43～103r/min，排量20～25L/s，泵壓4～8MPa；糾斜鉆進(jìn)時，參數(shù)相應(yīng)調(diào)整。鉆井液選用膨潤土、羧甲基纖維素（Carboxymethylcellulose，CMC）、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）等材料，采用低固相體系，嚴(yán)格控制性能指標(biāo)，如密度1.03～1.12g/cm3、[A1]"黏度30～35s、失水小于8mL等，以保證井壁穩(wěn)定和巖屑攜帶。2鉆探施工工藝與關(guān)鍵技術(shù)2.1施工工藝流程引導(dǎo)孔施工在煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探工程中占據(jù)基礎(chǔ)性地位，是為后續(xù)擴孔作業(yè)創(chuàng)造良好條件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以1#鉆孔為例，開孔時，施工團隊嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計方案，使用SPS-2000鉆機，采用輕壓吊打方式，控制初始鉆壓20～30kN、轉(zhuǎn)速30～40r/min，確保鉆頭平穩(wěn)接觸地層。技術(shù)人員通過鉆機傳感器實時監(jiān)測各項參數(shù)，每5min記錄一次，保證開孔精度。鉆進(jìn)過程中，采用無線隨鉆跟蹤測斜技術(shù)實時監(jiān)測井斜角度和方位角，一旦井斜超限，如超過0.5°，系統(tǒng)會立即警報。施工人員則根據(jù)地層情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，例如：降低鉆壓至40～50kN，調(diào)整轉(zhuǎn)速為50～70r/min，以糾正井斜[3]。1#鉆孔在100～150m深度區(qū)間遇巖石硬度變化，通過及時調(diào)整參數(shù)，成功控制井斜。1#鉆孔引導(dǎo)孔施工完成后，采用三級擴孔工藝。（1）一級擴孔使用Φ[A2]"600mm擴孔鉆頭，搭配穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿和驅(qū)動馬達(dá)，系統(tǒng)壓力控制在12～15MPa、轉(zhuǎn)速6～8rpm、給進(jìn)速度0.1～0.2m/min。遇硬巖（如砂巖）時，壓力提升至18～20MPa，轉(zhuǎn)速降低至5～6rpm。一級擴孔連續(xù)作業(yè)11d，成功反拉鉆進(jìn)497.6m。（2）二級擴孔更換為Φ940mm擴孔鉆頭，系統(tǒng)壓力設(shè)定15～17MPa、轉(zhuǎn)速7～9rpm、給進(jìn)速度0.15～0.25m/min。遇硬巖（如石灰?guī)r）時，壓力提升至20～21MPa，轉(zhuǎn)速調(diào)整為6～7rpm，實際擴孔鉆進(jìn)時間為15d。（3）三級擴孔采用Φ1400mm擴孔鉆頭，系統(tǒng)壓力控制在16～18MPa、轉(zhuǎn)速8～10rpm、給進(jìn)速度0.2～0.3m/min。遇軟巖（如泥巖）時，壓力降低至14～16MPa，轉(zhuǎn)速提高至10～12rpm，歷時15[A3]"d完成擴孔[4]。2#鉆孔引導(dǎo)孔施工完成后，直接進(jìn)行一級擴孔（如圖1所示）?？讖綇摩?15.9mm擴大至Φ1200mm，采用GYD-20L全液壓頂驅(qū)鉆機，鉆具組合為“Φ1200mm擴孔鉆頭+Φ159mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿”，系統(tǒng)壓力設(shè)定15～18MPa、轉(zhuǎn)速7～9rpm、給進(jìn)速度0.15～0.25m/min。由于一次性擴孔孔徑大，對設(shè)備考驗大，施工人員密切監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，每10min檢查一次溫度和壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備扭矩接近極限時，及時調(diào)整參數(shù)，降低給進(jìn)速度至0.1～0.15m/min，適當(dāng)增加系統(tǒng)壓力至18～20MPa，擴孔歷時25d成功完成。2.2鉆具組合與鉆進(jìn)參數(shù)引導(dǎo)孔復(fù)合鉆進(jìn)鉆具組合為“Φ215.9mm鉆頭+Φ159mm單彎螺桿+Φ212mm扶正器1個+Φ159mm定向接頭+Φ159mm無磁鉆鋌+Φ159mm鉆鋌×10根+Φ127mm鉆桿+Φ108mm方鉆桿”，該組合根據(jù)引導(dǎo)孔施工要求設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制井眼軌跡和減少井斜。1#鉆孔，一級擴孔鉆具組合為“Φ600mm擴孔鉆頭+穩(wěn)定鉆桿+普通鉆桿+驅(qū)動馬達(dá)”，二級擴孔為“Φ940mm擴孔鉆頭+升級后的穩(wěn)定鉆桿+普通鉆桿+驅(qū)動馬達(dá)”，三級擴孔為”Φ1400mm擴孔鉆頭+更高標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定鉆桿+普通鉆桿+優(yōu)化后的驅(qū)動馬達(dá)”，各級擴孔鉆具均根據(jù)施工要求進(jìn)行匹配和升級。2#鉆孔，擴孔鉆具組合為”Φ1200mm擴孔鉆頭+Φ159mm鉆鋌+Φ127mm鉆桿”，針對一次性擴孔至1200mm的要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。引導(dǎo)孔正常復(fù)合鉆進(jìn)時，密度控制在1.03～.6g/cm3，鉆壓40～60kN，轉(zhuǎn)速43～103r/min，排量20～25L/s，泵壓4～8MPa；糾斜鉆進(jìn)時，調(diào)整鉆壓為20～40kN、轉(zhuǎn)速為43～64r/min、排量為15～20L/s、泵壓為3～6MPa，以保證鉆井液正常循環(huán)和鉆頭冷卻，同時減少井斜[5]。2.3鉆井液材料與性能引導(dǎo)孔鉆井液的核心材料包括膨潤土和CMC。膨潤土作為鉆井液的關(guān)鍵組分，其加量控制在50～80kg范圍內(nèi)，用以增強鉆井液的粘度和切力，從而提升其懸浮和攜帶巖屑的能力。CMC則發(fā)揮著降濾失和改善流變性的雙重作用，通過在井壁表面形成致密濾餅，有效減少鉆井液失水，防止地層坍塌，并且調(diào)節(jié)鉆井液的流動性和穩(wěn)定性。在引導(dǎo)孔鉆井液中，CMC的加量精確設(shè)定為1.5%。進(jìn)入山西組地層前，鉆井液采用低固相體系，其性能指標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)格把控：密度維持在1.03～1.12g/cm3，以確保井壁穩(wěn)定；馬氏漏斗黏度控制在30～35s，既保證巖屑攜帶效率，又避免影響泵送性能；API失水量嚴(yán)格限制在8mL以下，以減少鉆井液向地層的滲透，防止井壁失穩(wěn)。這些指標(biāo)通過密度計、馬氏漏斗黏度計、失水測定儀等設(shè)備進(jìn)行定期檢測，每2h測量密度，每4h檢測失水，確保鉆井液性始終符合施工要求。2.4下套管與固井技術(shù)針對1#鉆孔的下套管作業(yè)，考慮到套管重量和施工現(xiàn)場安全，最終采用井架起吊方式。井架搭建過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對垂直度和穩(wěn)定性進(jìn)行多次檢查調(diào)整，并且通過專業(yè)設(shè)備測試承載能力，確保安全。下套管采用穿孔起吊法，管口上端0.6m處對稱切割φ230mm圓孔，穿杠規(guī)格為φ178～φ213mm短鉆鋌，鋼絲繩連接吊車大鉤進(jìn)行起吊。起吊過程中，每起吊5根套管檢查一次鋼絲繩磨損情況，控制起吊速度在0.1～0.2m/s，保證平穩(wěn)。綜上所述，本文研究的煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探施工技術(shù)不僅豐富了煤礦瓦斯治理的技術(shù)體系，還為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力保障。該技術(shù)具有顯著的理論價值和實用價值，適用于各類煤礦瓦斯排放井的鉆探施工。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信該技術(shù)在煤礦瓦斯治理領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用，為煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。[1]晏海波.