碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)研究

龍威成，孫四清，陳 建

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

煤炭是我國的主體能源，根據(jù)2019 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，煤炭在一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中分別占68.8%和57.7%[1]。礦井瓦斯一直是煤炭開采的主要致災(zāi)因素之一，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)，煤體破碎、瓦斯含量高、構(gòu)造復(fù)雜等特征使得礦井瓦斯治理工作變得更加復(fù)雜[2-3]。碎軟煤層是指煤體結(jié)構(gòu)和堅固性被破壞，破碎成碎片狀、碎塊狀、碎粒狀、粉末狀、鱗片狀，原有的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被毀壞甚至消失，在我國分布廣泛，約占我國煤炭資源總量的60%[4-5]。碎軟煤層賦存層位多，普遍存在構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、瓦斯壓力高、煤體力學(xué)強(qiáng)度低、滲透性差等特點，鉆進(jìn)時存在易塌孔、噴孔、孔壁失穩(wěn)，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難、孔內(nèi)事故頻發(fā)、成孔深度淺、鉆孔堵塞等問題[6-7]，且碎軟煤體在變壓環(huán)境中瓦斯逸散機(jī)理尚待深入研究[8]，碎軟煤層瓦斯含量測定結(jié)果不準(zhǔn)的問題已嚴(yán)重影響了煤礦區(qū)煤層瓦斯信息的超前大區(qū)域探測與評價。煤層保壓/密閉取心技術(shù)較早在石油及天然氣水合物等領(lǐng)域提出[9-10]，中煤科工集團(tuán)西安研究院針對煤炭與煤層氣開采領(lǐng)域煤層賦存相對較淺、儲層壓力較低、取心要求不高的地質(zhì)特征和現(xiàn)實需求，研發(fā)了煤礦井下長距離密閉取心技術(shù)及裝置[11-13]，在晉城等中硬煤層礦區(qū)進(jìn)行試驗應(yīng)用，結(jié)果表明，煤層長距離密閉取心技術(shù)減少了損失氣量估算環(huán)節(jié)，有效提高深孔煤層瓦斯含量測試精度[14-15]。近年來，巖(煤)層深地深孔密閉、保真取心已成相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點[16-17]。針對碎軟高瓦斯煤層井下鉆孔取心遇水易發(fā)生噴孔、塌孔等現(xiàn)象導(dǎo)致難以成功取心的問題，結(jié)合礦井鉆取干燥煤樣的需求(測定煤巖層原始水分含量，如通過測定煤巖層水分變化來考察水力壓裂影響范圍等)，開展碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)及工藝研究，以期為碎軟煤層井下瓦斯含量測定提供技術(shù)支撐。

1 井下煤層長距離定點密閉取心裝置

1.1 技術(shù)思路

煤層長距離密閉取心技術(shù)，是指在井下鉆孔長距離取心時，利用密閉取心裝置和配套的鉆探設(shè)備鉆取煤心，運用高壓流體遠(yuǎn)程控制技術(shù)工藝實現(xiàn)密閉取心裝置在孔底原位密封煤心，防止煤心在采樣過程發(fā)生瓦斯逸散，解決瓦斯含量測定過程瓦斯損失量估算不準(zhǔn)確的問題，從而提高井下長鉆孔取心瓦斯含量測定準(zhǔn)確度?；诖怂悸范邪l(fā)的密閉取心裝置和技術(shù)工藝是長距離取心測定瓦斯含量的關(guān)鍵。采取系列方法實現(xiàn)在孔外遠(yuǎn)程控制孔底的煤心原位密封，包括在密閉取心裝置內(nèi)筒收集煤樣后，依托增壓系統(tǒng)，經(jīng)由鉆桿內(nèi)通道注入高壓流體至密閉取心裝置作為驅(qū)動力，迅速遠(yuǎn)程控制驅(qū)動密閉取心裝置的兩端閥門關(guān)閉，保證煤心在退鉆、裝罐、自然解吸全程被密閉，最大限度減少深孔取心過程的瓦斯逸散量，從而大幅提高煤層瓦斯含量測定準(zhǔn)確度。

1.2 取心裝置及配套設(shè)備

1) 取心裝置

煤層密閉取心裝置主要由取心外筒總成、壓力推動總成、取心內(nèi)筒總成和取心鉆頭等四大部分組成，其中，取心外筒總成包括上接頭、軸承組和取心外筒；壓力推動總成包括液壓推動頭、打壓球座和推動筒；取心內(nèi)筒總成由內(nèi)筒筒體、解吸閥和剪切關(guān)閉球閥等組成，各部分連接如圖1 所示。經(jīng)過多次升級改造，目前煤層密閉取心裝置(含鉆頭)全長1 300～1 500 mm，取心外筒最大直徑有100、93 和89 mm 等多種規(guī)格，體積小、質(zhì)量輕，適用于煤礦井下深孔密閉取心瓦斯含量測定；密閉取心鉆頭有?98、?113、?120 mm 等多種規(guī)格，滿足孔徑98 mm 及以上鉆孔密閉取心需求，可鉆取?38 mm 煤心樣品。

圖1 煤層密閉取心裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of coal seam sealed coring device

2) 配套裝備

除煤層密閉取心裝置外，井下長距離定點取心瓦斯含量測定，還需配套定向鉆探裝備(如ZDY6000LD、ZDY12000LD、ZDY15000LD 型等)，實現(xiàn)深孔鉆探和鉆孔軌跡精準(zhǔn)控制等(如YHD3-1500 型)，以及實現(xiàn)深孔投球壓力傳遞功能的、通孔直徑不小于20 mm 的取心鉆桿，此外還需要配套瓦斯含量現(xiàn)場和實驗室測定裝備。定向鉆機(jī)的選取，應(yīng)在滿足定向深孔密閉取心工程試驗技術(shù)要求的前提下，結(jié)合試驗現(xiàn)場施工條件和礦井現(xiàn)有鉆探設(shè)備情況綜合考慮。

2 碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)工藝

煤礦井下煤層深孔定點密閉取心技術(shù)，既融合了定向鉆孔軌跡實時測控和深孔鉆進(jìn)的優(yōu)點，又體現(xiàn)了煤層密閉取心技術(shù)的保壓、密封特性，從而提高井下煤層瓦斯含量測定的采樣深度和瓦斯含量測定精度，實現(xiàn)井下深孔、定點、精準(zhǔn)測定瓦斯含量的目的。

2.1 碎軟煤層鉆進(jìn)取心存在的問題

碎軟煤層具有煤體破碎、地應(yīng)力較高、滲透性差等特點，現(xiàn)有的煤礦井下煤層深孔定點密閉取心技術(shù)不能滿足碎軟煤層區(qū)域探測瓦斯賦存信息的需求。定向鉆孔密閉取心技術(shù)是采用高壓水作為密閉取心裝置的動力源，而水對于碎軟高瓦斯煤層鉆孔鉆進(jìn)過程易產(chǎn)生不良影響，主要表現(xiàn)在：(1) 碎軟煤層鉆屑一般為小顆粒狀、粉末狀，遇水容易形成泥狀，不利于排出孔外，造成鉆孔堵塞；(2) 碎軟煤層區(qū)一般構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、煤體力學(xué)強(qiáng)度低，鉆孔遇水容易造成孔壁失穩(wěn)坍塌，產(chǎn)生夾鉆抱鉆現(xiàn)象；(3) 碎軟煤層一般滲透性差、瓦斯壓力高，煤體孔隙發(fā)育，水接觸碎軟煤體初期會產(chǎn)生暫時封堵瓦斯現(xiàn)象，抑制瓦斯解吸，但當(dāng)煤體內(nèi)部瓦斯積聚到一定壓力時會造成碎軟煤體連同高壓瓦斯一起噴出，形成噴孔現(xiàn)象；(4) 碎軟煤層取心煤心易沖散，取心率較低?；谏鲜鲈颍檐浢簩泳旅荛]取心需要采取措施防止水進(jìn)入密閉取心裝置浸濕煤樣，同時也要避免水對后續(xù)定向孔施工帶來的不利影響。針對碎軟煤層特點，提出“氣體取心鉆進(jìn)+氣體輸送封堵球+高壓水與氣體聯(lián)合密閉煤心”的雙循環(huán)介質(zhì)碎軟煤層井下長距離定點密閉取心工藝及技術(shù)。

2.2 工藝流程

煤礦井下煤層深孔定點密閉取心，主要包括密閉取心鉆孔設(shè)計與施工、煤心密閉采樣等兩個階段。根據(jù)取心目的進(jìn)行取心鉆孔設(shè)計、取心孔口(套管)段和無心定向孔段施工、煤心密閉采樣、取心內(nèi)筒及煤心檢查等環(huán)節(jié)。

(1) 密閉取心鉆孔設(shè)計與施工。取心鉆孔設(shè)計前，如取心區(qū)域煤層賦存等狀況不清，則需施工探查孔弄清煤層結(jié)構(gòu)、展布等地質(zhì)情況。

(2) 煤心密閉采樣。該步驟主要包括密閉取心裝置及鉆具配置、密閉取心裝置組裝及輸送、取心鉆進(jìn)、投球并泵送封堵球、泵注加壓剪斷并密閉煤心、裝置回收及拆卸、取心內(nèi)筒取出檢查及現(xiàn)場解吸等環(huán)節(jié)。如發(fā)現(xiàn)取心內(nèi)筒漏氣、煤心質(zhì)量不滿足測試要求等狀況，則需重新組裝密閉取心裝置，重復(fù)密閉取心步驟進(jìn)行取心；取心內(nèi)筒檢查合格則可直連解吸儀進(jìn)行現(xiàn)場解吸，并判斷該測點是否為最終測點，如若不是，則送入鉆具進(jìn)行無心鉆進(jìn)至下一測點，或可直接密閉取心鉆進(jìn)，之后重復(fù)密閉取心步驟直至取心結(jié)束。

針對碎軟煤層特點，提出“氣體取心鉆進(jìn)+氣體輸送封堵球+高壓水與氣體聯(lián)合密閉煤心”的雙循環(huán)介質(zhì)井下長距離定點密閉取心技術(shù)及工藝(圖2)。取心鉆進(jìn)過程采用壓風(fēng)排渣和冷卻鉆頭，確保鉆取過程煤心保持干燥狀態(tài)；投球打壓階段，基于井下壓風(fēng)取樣鉆進(jìn)的長距離干式密閉取心系統(tǒng)(圖3)，首先采用壓風(fēng)將封堵球送入孔底密閉取心裝置內(nèi)，之后迅速切換為壓水系統(tǒng)，高壓水壓縮鉆桿系統(tǒng)內(nèi)氣體并驅(qū)動密閉取心裝置，以風(fēng)和水兩種介質(zhì)組合打壓驅(qū)動密閉取心裝置在孔內(nèi)關(guān)閉，以避免高壓水與煤心接觸而導(dǎo)致煤樣潮濕，同時避免鉆孔煤體遇水發(fā)生噴孔、塌孔現(xiàn)象。

圖2 碎軟煤層井下長距離定點密閉取心工藝Fig.2 Long distance fixed-point sealed coring technology in broken-soft coal seam

圖3 基于井下壓風(fēng)取樣鉆進(jìn)的長距離干式密閉取心系統(tǒng)Fig.3 Long distance dry sealed coring system based on pressurized air sampling drilling

為確保鉆取到干燥煤樣并及時密閉，需要特別注意如下兩點：

(1) 密閉取心裝置輸送至孔底后，取心鉆進(jìn)前，需要開啟壓風(fēng)進(jìn)行沖洗，一是為了排除在裝置輸送過程中取心內(nèi)筒可能積存的鉆孔壁巖(煤)層水，防止該煤心浸濕，二是為了排除鉆孔內(nèi)殘留鉆屑和水，以免產(chǎn)生鉆孔堵塞，確保密閉取心過程孔內(nèi)通暢。

(2) 壓風(fēng)和壓水兩種打壓系統(tǒng)應(yīng)同時操作切換，確保高壓水進(jìn)入鉆桿內(nèi)部空間時，鉆桿內(nèi)部氣體保持正壓力；壓水系統(tǒng)打壓時，密切注視高壓泵壓力表，當(dāng)壓力升至高點出現(xiàn)驟然下降時立即關(guān)停高壓泵，泄壓使得鉆桿內(nèi)的水逆流排出，防止高壓水進(jìn)入密閉取心裝置。

2.3 密閉取心打壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器

為避免鉆孔取心過程中發(fā)生噴孔、塌孔等問題，碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)使用了壓風(fēng)和壓水兩種打壓系統(tǒng)，用于取心鉆進(jìn)和打壓密閉煤心。為了迅速切換打壓系統(tǒng)，并在切換打壓系統(tǒng)時使得鉆桿系統(tǒng)內(nèi)壓力保持，設(shè)計了碎軟煤層密閉取心打壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，如圖4 所示。打壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器主體為三通結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計3 個閥門和1 個投球口。取心過程中，將密閉取心裝置連接取樣鉆桿輸送至孔底，鉆桿尾部由高壓管連接至轉(zhuǎn)換器閥門3，轉(zhuǎn)換器一分支(閥門1)連接井下壓風(fēng)系統(tǒng)或空壓機(jī)，轉(zhuǎn)換器二分支(閥門2)連接鉆機(jī)配套高壓泵和井下壓水管路。關(guān)閉壓水系統(tǒng)閥門，打開壓風(fēng)系統(tǒng)閥門1 和閥門3，采用壓風(fēng)取樣鉆進(jìn)，利用壓風(fēng)將鉆頭研磨破碎的碎渣排出孔外，并利用壓風(fēng)冷卻取樣鉆頭。密閉取心內(nèi)筒收集煤樣后，關(guān)閉壓風(fēng)系統(tǒng)閥門1 和閥門3，擰掉轉(zhuǎn)換器上的投球口堵頭，將低密度封堵球投入投球口并擰緊堵頭，然后打開壓風(fēng)系統(tǒng)閥門1 和閥門3，開啟壓風(fēng)或空壓機(jī)將封堵球送入孔內(nèi)密閉取樣裝置球座。迅速關(guān)閉轉(zhuǎn)換器閥門1，并打開閥門2，切換至高壓泵注水系統(tǒng)，持續(xù)壓入清水直至高壓驅(qū)動密閉取樣裝置關(guān)閉，由于鉆桿內(nèi)存在壓縮氣體，高壓水不會在取樣內(nèi)筒密閉前進(jìn)入內(nèi)筒而浸濕煤樣。

圖4 密閉取心打壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural diagram of pressure system converter for sealed coring

3 工程試驗

3.1 試驗區(qū)地質(zhì)概況

試驗礦井地層自老至新有石炭系太原組、二疊系山西組及石盒子組、第四系，其中石炭系太原組、二疊系山西組及石盒子組為含煤地層。試驗?zāi)繕?biāo)煤層位于上石盒子組中下部，煤層厚度1.30～8.41 m，平均3.71 m，屬厚煤層；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分區(qū)域含有2～5 層夾矸，夾矸多為泥巖或炭質(zhì)泥巖；煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，基本頂為砂巖，并見煤層沖刷現(xiàn)象；底板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖。井田總體形態(tài)為褶曲構(gòu)造，發(fā)育一縱貫全區(qū)的軸向東西轉(zhuǎn)南東向的背斜，其間次級褶曲、斷層發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度中等。礦井生產(chǎn)期間井下實測目標(biāo)煤層瓦斯含量5.65～15.67 m3/t，瓦斯含量隨著煤層埋深的增加而增大的總體趨勢顯著，且瓦斯含量和斷層、煤層埋深都有一定關(guān)系；13-1 煤層堅固性系數(shù)f值為0.45～0.92，平均0.77，瓦斯放散初速度Δp為9～15；在某斷層下盤?800 m 高程實測13-1 煤層瓦斯壓力達(dá)到6.93 MPa。

3.2 碎軟煤層密閉取心鉆孔及采樣設(shè)計

在試驗礦井的西翼軌道大巷鉆場設(shè)計布置4 個穿層定向鉆孔，鉆孔編號分別為HNX1、HNX2、HNX3和HNX4，鉆孔初步設(shè)計方位角為220°～245°，開孔傾角為2°～5°，鉆孔布置如圖5 所示。圖5 中灰色線條表示取心鉆孔軌跡，鉆孔軌跡是根據(jù)煤層傾角、起伏和煤厚預(yù)想剖面設(shè)計的，實際取心鉆孔軌跡可根據(jù)鉆遇地層情況調(diào)整。鉆孔施工過程，要求鉆孔孔壁規(guī)則和平滑，嚴(yán)格控制軌跡，并盡可能減少因糾偏而導(dǎo)致的開分支孔情況，以防止密閉取心裝置無法準(zhǔn)確、快速輸送到位。由于施工巷道與目標(biāo)煤層垂距較小，取心鉆孔設(shè)計為小角度穿層上仰孔，定向鉆孔鉆遇目標(biāo)煤層后在煤層中延伸一定距離再進(jìn)行密閉取心，設(shè)計每個回次取心進(jìn)尺1.5 m，4 個鉆孔共計設(shè)計密閉取心樣品4 個。

圖5 鉆孔布置Fig.5 Schematic diagram of borehole layout

3.3 密閉取心及瓦斯含量測定

由于井下取心測試鉆場布置在巖巷中，鉆孔在鉆遇煤層前需要穿過巖層，巖層段采用水力鉆進(jìn)以便于提高鉆進(jìn)效率。當(dāng)取心鉆孔鉆遇煤層即停鉆，迅速切換至壓風(fēng)系統(tǒng)，然后繼續(xù)鉆進(jìn)一定距離，開啟壓風(fēng)將孔內(nèi)鉆屑和積水排除干凈，退出孔內(nèi)所有鉆具。安裝密閉取心裝置，并依次接續(xù)取心鉆桿，輸送至鉆孔孔底，嚴(yán)格按照雙循環(huán)介質(zhì)碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)工藝進(jìn)行取樣。由于鉆孔均為上仰孔，為便于壓風(fēng)迅速輸送封堵球進(jìn)入密閉取心裝置球座，試驗過程中，在滿足封堵球打壓強(qiáng)度的前提下，采用低密度木質(zhì)球代替高密度橡膠球作為封堵球使用。據(jù)此依次完成鉆孔HNX1、HNX2、HNX3 和HNX4 的密閉取樣。此外為驗證密閉取樣效果，采用常規(guī)取心方法進(jìn)行對比取樣(干燥煤樣)。本次密閉取心樣品均為鉆孔鉆取實體煤，煤心形狀以小塊狀為主，部分樣品為顆粒狀(表1)，煤樣干燥，質(zhì)量滿足井下煤層瓦斯含量測試要求。

表1 井下煤層鉆孔取樣信息Table 1 Borehole sampling of underground coal seam

煤層密閉取心樣品和常規(guī)取心樣品在現(xiàn)場解吸后，再次檢查取心內(nèi)筒與瓦斯罐的密封完好后，送至實驗室進(jìn)行下一步分析化驗。密閉取心樣品瓦斯含量(解吸氣量和殘余氣量)測試參照GB/T 23250?2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》執(zhí)行。試驗區(qū)域采集的煤層瓦斯含量樣品測定結(jié)果顯示，密閉取心瓦斯含量測值為6.65～7.82 m3/t，常規(guī)取心瓦斯含量測值為5.11～6.45 m3/t。總體上密閉取心樣品瓦斯含量測值高于常規(guī)取心，主要原因是前者避免了煤心在孔底鉆取后至裝罐前的瓦斯逸散，規(guī)避了瓦斯損失量估算環(huán)節(jié)，使得煤樣瓦斯含量測定的各部分氣體量均為實測獲得，提高了瓦斯含量測定結(jié)果準(zhǔn)確度。

4 結(jié) 論

a.采用現(xiàn)有定向鉆孔高壓水保壓密閉取心技術(shù)進(jìn)行碎軟煤層取心時，存在煤心易沖散、孔壁易坍塌、噴孔、取心率低、安全風(fēng)險大等問題，結(jié)合礦井鉆取干燥煤樣的需求，提出采用“氣體取心鉆進(jìn)+氣體輸送封堵球+高壓水與氣體聯(lián)合密閉煤心”的雙循環(huán)介質(zhì)碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)工藝，研發(fā)了基于井下壓風(fēng)取樣鉆進(jìn)的長距離干式密閉取心系統(tǒng)，以壓風(fēng)代替壓水用于鉆孔排渣、取心鉆頭冷卻和封堵球輸送；以風(fēng)和水兩種介質(zhì)組合打壓驅(qū)動密閉取心裝置在孔內(nèi)關(guān)閉。

b.開發(fā)了密閉取心配套的打壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，選配密閉取心與定向鉆探裝備，開展碎軟煤層典型礦井工程試驗。布置了4 個穿層定向孔進(jìn)行長距離定點密閉取樣及瓦斯含量測定，密閉取心瓦斯含量測值為6.65～7.82 m3/t，常規(guī)取心瓦斯含量測值為5.11～6.45 m3/t，總體上密閉取心樣品瓦斯含量測值高于常規(guī)取心。

c.碎軟煤層井下長距離定點密閉取心技術(shù)，為碎軟煤層井下深孔瓦斯含量測定提供了一種新途徑，實現(xiàn)碎軟煤層井下精準(zhǔn)定點、長距離瓦斯含量精確測定，滿足碎軟高瓦斯煤層井下大區(qū)域探測瓦斯賦存信息需求，保障礦井安全高效生產(chǎn)。基于高壓水與氣體雙循環(huán)介質(zhì)聯(lián)合密閉煤心的碎軟煤層井下長距離定點密閉取心工藝，目前僅在上向孔中試驗，對于下向孔可能仍存在無法鉆取干燥煤樣、高壓水浸濕孔底煤體的情況。下一步需要研發(fā)基于中低壓氣體驅(qū)動的密閉取心技術(shù)及裝置，研究能夠滿足各種施工角度的碎軟煤層井下長距離定點密閉取心工藝。