论高瓦斯煤矿大口径瓦斯抽采的钻孔施工技术

关键词：煤矿安全；瓦斯抽采；大口径；钻孔技术 
前言
为提升煤矿瓦斯抽采利用进程，探讨瓦斯抽采钻孔施工技术，特别高瓦斯煤矿大口径瓦斯抽采钻孔施工技术，是当前解决瓦斯抽采技术中的重要环节。对有效提高煤矿瓦斯抽采效率、降低煤矿安全生产风险、节约施工成本、促进节能环保型能源开发利用，具有重要意义。下面本文就以工程实例为背景，介绍大口径瓦斯管道孔空气钻进技术。
一、地质概况
钻孔设计深度为575 m，揭露地层依次为第四系80 m、第三系120 m，石炭系375 m，其中第四系以粘土、砂质粘土为主，第三系以粉、细砂岩、泥灰岩为主。基岩段主要为泥岩、泥质灰岩、花斑泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩、石英砂岩。钻孔共穿过煤层lO层，总厚度为17．60 m，其中可采煤层4层。第三系以下至终孔岩石倾角80°～20°。
二、待钻孔结构
一级孔径550 mm，深度进入基岩约20 m(即181．18 m)位置，下入478×10 mm套管，隔离第四系及风化带，管外用合格的普通硅酸岩水泥封闭，要求此套管必须下到完整坚硬岩石上。二级孔径450 mm，深度269．70 m，下入426 × 10 mm套管，管外用水泥全封闭。三级孔径400 mm，深度575．15 m，全孔下入325 × 10 mm套管，管外用水泥全封闭。要求管外孔口返上水泥浆方为封闭合格。
三、钻孔方法
(1)第四系用常规泥浆钻进，进入基岩后用气动潜孔锤钻进。终孔偏斜率≤5‰。
(2)全孔无心钻进，判准主要煤层的深度和厚度。记录及时、清楚、正确、完整。
四、施工技术
1、主要机械设备及其安装
施工采用GZ一2000水井钻机，24 m四角钻塔，第四系使用BW一1200泥浆泵。基岩中钻进使用XHPl070空压机和JWD350型气动潜孔锤。钻塔基础及各种设备安装必须周正坚固平整，要求天轮、钻机立轴轴心和钻孔中心必须在同一条铅垂线上，施工中应注意随时测量，发现偏斜必须及时纠正。
2、第四系冲积层钻进
(1)对泥浆的要求
第四系冲积层使用普通化学泥浆钻进，泥浆中成分及其含量(重量比)分别为：清水1 m3加优质膨润土50 kg、PHPl0—20 kg、腐殖酸钾1％～1．5％、纤维素0．1％、火碱0．3％。
配制方法为：PHP、腐殖酸钾、火碱和纤维素分别泡制，按照泥浆体积和比重，先向一定量的清水中加入粘土充分搅拌，预解的PHP、火碱和纤维素浆液缓缓倒入泥浆中充分搅拌。腐殖酸钾在钻进过程中缓慢连续加入量为10％一15％(体积比)。泥浆比重为1．1一1．2、pH值为8—9、粘度在19—21 s，钻进中对上述参数随时进行测量调整，保证泥浆的性能。
泥浆循环槽总长度不得小于15 m，其宽度为300 mm，深度200 mm，坡度为1／100～1／80，每隔1．5 m设一个挡板，并每隔5 m设一个沉淀池，以利于岩粉的沉淀。
(2)钻进措施
开孔用170 mm凹心钻头，150 mm钻铤1立根，127 mm钻铤1立根，并分别在l50 mm钻铤上部和l27 mm钻铤上部各加一个导正器，以增加钻具的刚度和稳定性。开孔时为防止钻孔具摆动，要扶正主动钻杆上部的送水器，并要求使用轻压慢转。钻进入基岩后，再逐级扩孔到550 mm孔径，下入500 mm套管，隔离第四系和风化带。然后使用潜孔锤钻进。
3、基岩中钻进
(1)基岩中钻进使用气动潜孔锤。
(2)按照潜孔锤钻进规范和工艺要求，潜孔锤钻进时，在粗径钻具上部接一根325mm捞粉管作为导向器使用。因此潜孔锤钻进钻具组合为：350型(450、400)潜孔锤+240 mm钻铤+325 mm捞砂管+127 mm钻杆。
(3)潜孔锤钻进时的钻进参数如下：钻具回转速度为10～20转／分钟。轴推力(冲击压力)为1．0—1．5 t 。在无水状态下正常工作气压为0．5—0．8 MPa。在有水状态下要充分考虑水头到孔底的高度以计算空压机的送风压力，保证潜孔锤的正常工作风压。
(4)为减少孔口气压的突然释放和防止岩粉向四周喷射扩散，要求在孔口处设置气粉分离器和岩粉收集器。
4、钻进安全技术要求
(1)每根钻杆打完，孔内岩渣吹扫干净，减少气量，将冲击器慢慢放入孔底，再慢慢停气，方可接上另一根钻杆。要注意钻杆内的清洁，以免沙土、岩渣及管内铁锈等脏物进入冲击器内，引起零部件损坏或发生停钻事故。冲击器在正常工作时不要突然停气，以防岩粉倒灌入冲击器内。
(2)接上主动钻杆后，先向内送人高压气体，气体送通后，再慢慢下降钻具工作。钻具向下送时，保持吹气，直到把孔内岩粉全部吹干净，方可进行冲击钻进。钻进中经常从孔底提起冲击器进行充分排渣。若孔内出现突然坍塌现象，应保持冲击器动作并立即在孔内作上下串动，坚决禁止一次拉死。如果必要，还可以增加冲击器转速，一直到冲击器能自由上下，岩粉从孔底排净为止。
(3)要求潜孔锤钻进时机上余尺不宜太多，加接钻杆后，潜孔锤距孔底应有0．5—1．0 m的安全距离(视孔内岩粉多少)。(4)操作中应避免潜孔锤在不回转的情况下冲击，以防打出健槽孔。因故障被迫停止回转时，应迅速将钻具提高一定距离或立即刹紧绞车，使潜孔锤尽快由冲击状态变为吹孔状态。
(4)钻进中发现涌漏水，应立即停钻，并准确测量出水位，及时用水泥进行封闭。封闭结束待水泥凝固24小时后，把孔内水吹出，然后继续钻进。若带水钻进，提钻后，下钻前必须及时准确测量水位，以便于判断涌漏水层位，保证及时封堵。
(5)钻进过程中要特别注意空压机压力表的变化。总结在无水状态下和有水状态下，正常钻进和吹孔时的压力值，并在钻进中密切注意压力变化，一旦发现压力提高，说明孔内岩粉堆积较多，要立即停止冲击进入吹孔状态，待把孔内岩粉吹净后方可钻进。
五、常见故障的原因分析与处理措施
1、钻进效率低。原因：一是冲击器零件磨损，二是钻头磨损，三是排渣不充分，四是气压太低。处理办法：检修冲击器，修磨或更换钻头，充分排渣或加大节流塞内孔，调高气压等。
2、冲击器运行时断时续。原因：一是冲击器内进入岩渣或钻头堵塞，二是冲击器内零件窜动，三是钻头损坏。处理方法：清洗冲击器，保证胶垫的压缩量或者更换钻头。
3、冲击器不工作。原因：一是钻进时孔内积水太多，二是气压过低，三是钻头排气孔堵塞，四是冲击器内进入岩渣，五是润滑油过粘。处理方法：把冲击器提离孔底，将孔内水吹出一部分，再慢慢放至孔底，同时适当提高气压，若不见效，则提出钻具进行检查处理。
六、钻进效率
作业总台时：3721 h，其中：非钻作业台时2162 h、钻探作业台时1659 h(纯钻479、辅助912、其他268)。平均时效1．2 m，最高时效7．8 m。
七、结束语
在大倾角片冒地层中施工大口径瓦斯抽采管道孔，该区以往采用常规泥浆钻进工艺均未获成功，采用空气钻进技术有效地解决了成孔技术难题，在钻井质量和钻井效率等方面取得了较好效果，获得了宝贵的实践经验，为今后在同类地层施工类似工程提供了可资借鉴的应用实例，具有一定的技术先进性和生产实用性。
参考文献
[1]叶建平，范志强．中国煤层气勘探开发利用技术进展．北京：地质出版社，2006．
[2]王世光.钻探工程[M].北京：地质出版社，1986.
[3]周金葵，李效新.钻井工程[M].北京：石油工业出版社，2006.