摘要：针对煤矿地面瓦斯采动井受地层拉伸剪切力影响，导致部分抽采井存在拉脱、挫断等质量问题，严重制约了瓦斯采动井抽采能力，结合淮北矿业地层赋存及钻井受力情况，分析制定了相对应的地面钻井施工及结构优化方案。
关键词：煤矿；地面采动井；井型结构；优化
一、概况
矿区目前主要采取保护层开采和预抽煤层瓦斯措施，利用地面压裂井、地面采动井、底（顶）板巷穿层钻孔、顺层钻孔、定向高位钻孔（高位、拦截钻孔）等抽采方式。各矿根据《防治煤与瓦斯突出细则》并结合开采条件、瓦斯赋存及生产接替，完善矿井防突及瓦斯治理模式，均按需要建立瓦斯抽采系统。
随着开采区域向深部延伸，部分矿井主采煤层逐步由非突出煤层向突出煤层转变，无突出危险区向突出危险区转化，瓦斯治理工程量、成本不断增加，瓦斯治理难度不断加大。
近年来，矿区瓦斯治理逐步由井下向地面转移，利用地面井抽采本煤层及邻近层卸压瓦斯，井下定向长钻孔代替普通高位钻场，创新顺煤层定向长钻孔施工工艺，逐步实现以钻代巷，减少钻孔及巷道工程，提高抽采效果。
二、当前地面采动井存在问题
一是地面采动井各层套管均采用液态CO2饱和焊接方式对套管进行焊接，焊接工艺存在受力、抗风及抗低温能力差，焊接质量因人而异，高温焊接易淬硬开裂，内部存在埋藏裂纹等致脆缺陷，且受地层拉伸时易在焊接位置拉脱；二是对焊接位置未进行有效的探伤，对焊接的质量不能做到可靠的把控；三是对钻井内局部高受力区域破坏能力未做到有效的分析，未根据预算的承载力选用不同刚度材质的套管；四是部分钻井内套管在工作面采动后，受拉伸力影响，导致套管被拉脱，新地层水进入工作管，严重影响抽采效果。
三、井型结构优化
1.强化施工监督
通过充分认识采动井对卸压瓦斯抽采的重要作用，提高重视成都、认真研究，着力解决采动井质量事故问题，提高抽采可靠性。加强施工质量过程管理，改进施工工艺；强化下管、固井、洗井等关键节点的验收等手段提高抽采效果一是为保证施工质量，所有套管焊接位置必须进行探伤检测，固井后必须进行声幅测井，评价固井质量，做到有记录可查；二是洗井后采用井下成像仪，下置至孔底查看钻井情况，并保留影像资料。
2.优化钻井结构
（1）钻孔结构。一是坚持掏穴施工工艺，增加掏穴深度；二是采取止水工艺，防止第四系松散层水进入钻井；三是优化飞管下置，增加飞管筛管段与二开套管重合距离，适当缩小飞管管径，增加自由面，减少拉伸影响。
（2）井位布置。优化采动井布置，合理避开工作面顶板冒落见方、地质构造等应力集中位置，避免错断。
3.结构选型
根据目前地面采动井施工情况，经研究优化后形成三种结构，既小口径A型（花管直径139mm）、中口径B型（花管直径177.8mm）及大口径C型（花管直径244.5mm）三种类型，主要结构如下:
地面采动井钻井结构（单位mm）
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四、采动井优化特点
（1）采取掏穴施工工艺。掏穴深度增加至回采煤层裂隙带中上部，在花管外预留环状空间进行“避让”，有效缓冲岩层在采动后剪切、挤压对花管破坏，保留完好的出气通道；另外增加目标层位出气表面积，进一步提高产气量。
（2）提高三开套管强度。材质采用N80石油套管，套管自花管（含花管）向上至K3砂岩顶板5-10m段增加壁厚，有效提高套管强度，减少采动破坏影响，保证钻孔具有良好的出气通道。
（3）增加三开套管止水工艺。三开套管上提至井口，与二开重合段底部设置不少于8m止水橡胶，有效预防二开套管渗漏后，地层水进入三开套管，能够保留出气通道。
（4）采用扶正器+石油固井技术。二开双层套管采用石油固井技术，固管采用石油G级水泥，每间隔30m设置一个环形扶正器，确保两层套管处于同圆心，两层套管焊接部位错茬布置，增加强度。
（5）一开套管与井壁之间增设管外封隔器。即一开套管下设完成后，在套管与井壁之间的环状空间底部设置自膨胀封隔器，有效预防固井后水泥与井壁间固封效果差，地层水沿井壁渗漏至套管底部进入套管内影响固井质量。
（6）二开双层套管加设软连接套管。即在二开双层套管靠近上部位置，分别加设1节软连接套管，赋予石油套管在受力时具有可拉伸性，有效预防新地层高强度拉伸破坏使套管从受力点被拉断，导致地层水从套管拉脱位置进入工作管。
（7）除一开套管外，其他各层套管选用丝扣连接方式。目前在用地面井均采用液态CO2饱和焊接方式对套管进行焊接，焊接工艺存在受力、抗风及抗低温能力差，焊接质量因人而异，高温焊接易淬硬开裂，内部存在埋藏裂纹等致脆缺陷，且受地层拉伸时易在焊接位置拉脱；改用丝扣连接，一是提升套管接口处抗拉伸挫断强度；二是省去焊接程序，降低用工成本；三是平原地区适用能力强，不受潮湿、大风、低温等条件影响；四是丝扣具有可伸缩性，具有弹性形变特性，提高了套管受高压状态下防挫断能力。
（8）在预计强受力区域选用更高强度的石油套管。目前所有套管均采用N80石油套管，未根据地层结构等情况，按钢材自身强度选取不同钢级套管；建议在预计高受力区域选取更高强度的P110石油套管，进一步提高套管抗挤压、挫断性能。
（9）除新地层外，所有固管试用分级固井技术。即通过应用1个或多个分级箍实现两级或者多级注水泥，解决深井或水平井水泥上返困难、固井质量不好的问题，同时预防深井防止水泥浆压漏地层，全面提升固井质量。
参考文献
[1]姚尚文.改进抽放方法提高瓦斯抽放效果[J].煤炭学报,2006,31（6）：721-726.
[2]杨文清,宋宽强,姚正民,等.大口径瓦斯抽放井施工技术[J].中国煤炭地质,2008,20（8）：77-79.
基金项目：十三五国家科技重大科技专项课题（2016ZX05068）
论文作者:李健
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：套管论文; 瓦斯论文; 地层论文; 钻孔论文; 煤层论文; 地面论文; 强度论文; 《基层建设》2019年第30期论文;