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摘要：为高效抽采煤矿采煤工作面采动释放瓦斯，提高煤矿的安全可靠性，利用XJ650石油钻机、海蓝MWD无线随钻测量仪和美国RMRS旋转磁测距仪，在淮北杨柳煤矿1071工作面开展了地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井试验研究。地面瓦斯抽采井由1个主孔、2个支孔和1个泄水孔组成的L型井组，累计抽采187天，共抽采瓦斯411 005m3，最大抽采瓦斯浓度74.1%，单日最大瓦斯抽采量8 430m3。该研究成果为煤矿采煤工作面采动瓦斯抽采提供了一种新的技术方法，可替代现有的地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位瓦斯抽采巷，以达到集成、高效的目标，具有良好的经济和社会效益。
关键词：地面L型定向近水平多分支井；瓦斯抽采；新技术方法
中图分类号： TD712文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）03-0042-06
Abstract：To reduce the gas extraction cost of working face mining releasing， improve the safety and reliability of the coal mine， the experimental study on L type directional nearly horizontal branch wells for gas extraction had been carried out using XJ650 drilling， MWD apparatus and RMRS Connect meter in Huaibei Yangliu Coal Mine 1071 working face. The L type well group was made up of one main hole， two branch holes and one drain hole. The drainage lasted 187 days for a total gas extraction of 411 005m3 ， with the largest gas concentration 74.1% and the biggest gas extraction 8 430m3.The research result provides a new technical method for gas extraction， which can replace the existing method of ground drilling， high gas drainage drilling and high gas drainage lane to achieve the purpose of integration and high efficiency. The new technical method will have good economic and social benefits.
Key words：L type directional nearly horizontal branch wells； gas extraction； new technical method
煤矿高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层采煤工作面回采期间的瓦斯抽采，一般采用地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔或高位瓦斯抽采巷进行抽采的方式。地面瓦斯抽采立井抽采半径一般100m左右，布孔多，地矿关系协调困难；井下高位瓦斯抽采孔需布置高位钻场，且钻场交替期间抽采效果差；井下高位瓦斯抽采巷掘进工程量大，成本高。
地面定向L型钻井在石油、页岩气开采中已大量运用，具有钻孔定位准、施工速度快、可多分支造孔的优点。为提高采煤工作面瓦斯抽采效率，降低瓦斯治理成本，提高煤矿安全保障的可靠性，淮北矿业集团与中煤科工集团西安研究院有限公司合作，在淮北杨柳煤矿开展了地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井试验研究，目的是替代地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位瓦斯抽采巷，为改进采煤工作面瓦斯治理技术与工艺进行了有益的尝试。
根据采煤工作面開采过程中瓦斯的运移规律，借鉴井下井下高位瓦斯抽采孔或高位瓦斯抽采巷的布置层位，采用定向钻进技术，在地面布置L型定向近水平多分支瓦斯抽采井。主孔布置于采煤工作面风巷下侧50m左右，到达设计位置后定向造斜，施工近水平多分支孔，支孔平面间距30m左右，钻孔有效抽采段层位布置在开采煤层顶板采动裂隙带中。为防止采动后岩层移动造成塌孔，在钻孔抽采段下入石油筛管。若抽采段钻孔井斜超过90°，还必须在定向孔最低处施工与井下巷道相通的泄水孔，防止产生水堵。成井后主孔与地面瓦斯抽采泵站连接，实现采煤工作面采动释放瓦斯的持续抽采。L型定向近水平多分支瓦斯抽采井布置如图1～图2所示。
2.1关键技术
柔性钻杆水平孔钻进技术。在近水平顺层段采用的钻具组合为：钻头+动力钻具+无磁钻铤+无磁短接+钻柱稳定器+无磁承压钻杆+加重钻杆+斜肩钻杆+随钻震击器+钻杆。
特殊泥浆冲洗液循环技术。近水平段采用连续泥浆罐、搅拌器、振动筛、除泥器等设备，对含沙量、泥饼等性能进行控制。加润滑剂、抑制剂等提高钻井液的润滑性、抑制性和携砂性，泥饼的摩擦系数小于0.1，含沙量低于0.5%，低密度固相含量小于12%，钻井液塑性粘度和动切力的比值不小于2∶1。 钻孔轨迹控制。为防治抽采孔高低起伏积水、渣，产生水堵现象，便于抽采筛管的下置，要求钻孔轨迹不能因地层硬度差异或控制误差，出现较大的曲率变化和高低起伏。
钻孔抽采段筛管下置。设计有效瓦斯抽采段长度≤400m，采用Φ127mm×6.5mm筛管，设计重量15t，长度必须严格控制，不得露出主孔影响抽采；且支孔空白段≥500mm，否则容易造成塌孔。
支孔无底开窗侧钻。大于90°井斜套管开窗侧钻在国内尚属首次，需对现有的可回收式封隔器/斜向器进行改造。设计施工工序为：通井/洗井→下入封隔器/斜向器座封→下入铣锥开窗→成井/洗井后下入筛管→打捞斜向器。
泄水孔精准贯通钻进。钻孔方位、井斜变化大，井下巷道支护的金属构件会对定向仪器产生磁干扰，加之透巷前可能会与井下已施工瓦斯抽采孔、巷道掘进产生的裂隙联通而提前漏浆，无法进行岩粉准确判层，须采用旋转磁测距以确保钻孔轨迹控制精度。
2.2设备选型
长水平段钻井施工要求钻机具有大扭矩和大给进起拔能力。选用具有回转扭矩大、给进起拔能力强、岩层适应性强等特点的XJ650石油钻机。采用海蓝MWD无线随钻测量仪实时准确地显示井斜、方位、工具面、磁场等井下参数，对钻孔轨迹进行严格控制。采用专门改进的可回收轨道式双向卡瓦封隔器/斜向器实现支孔开窗，同时配备完善的打捞工具。为确保泄水孔准确透巷，准备了美国VM公司生产的RMRS旋转磁测距仪，作为MWD的补充定位。
海蓝MWD无线随钻测量仪系统由地面设备和井下测量仪器两部分组成。地面设备包括：压力传感器、专用数据处理仪、远程数据处理器、计算机及有关连接电缆等。 井下测量仪器主要由定向探管、伽玛探管、泥浆脉冲发生器、电池、打捞头等组成。其工作原理为将传感器测得的井下参数按照一定的方式进行编码，产生脉冲信号，由脉冲器产生压力变化，使信号传送到地面，再由地面设备解码得出井下参数[1]，如图3所示。
3.1试验地点概况
淮北杨柳煤矿为瓦斯突出矿井，矿井瓦斯绝对涌出量为76.29m3/min，最大相对瓦斯涌出量17.99m3/min。主要开采7、82、10煤层，82、10煤层层间距80～100m。矿井开采10煤层作保护层，解放其上覆的7、82煤层[4]。
1071工作面走向长约1 450m，倾向宽约180m，煤层倾角4°～13°，煤厚1.21～5.74m，工作面走向俯采倾角10°左右，实测煤层最大瓦斯含量9.99m3/t。采用综采工艺，平均推进度5m/d[5]。
3.2钻孔布置
地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井试验工程，主孔设计与风巷平行，间距50m；由于采煤工作面呈俯采状态，为使钻孔近水平抽采段与煤层保持合适的距离，设计抽采段孔斜93°～94°。主孔两侧过最低点约40m分别后退式侧钻分支孔，与主孔间距30m；钻孔总位移700～750m，有效抽采段380～400m，设计抽采覆盖范围为风巷以内100m。在主孔最低段侧钻施工泄水孔，与工作面风巷贯通，防止主孔最低段积水产生水堵，影响抽采效果，如图6所示。
3.3钻孔结构
主孔采用三开结构如图7所示。
1） 一开表土层直孔段：0～160m，孔径Φ311mm，过风氧化带至完整基岩层段，下入Φ244.5mm×8.94mm孔口管，水泥固井后压水试验检验固井质量，隔离第四系表土层；
2） 二开定向导斜段：160～750m，孔径Φ216mm，过最低段40m至上仰段，下入Φ177.8mm×8.05mm技术套管，最低段位移260～280m，井斜90°，便于泄水孔側钻选位，水泥固井后压水试验检验固井质量，隔离煤层顶板含水层；
3） 三开稳斜上仰段：750～1 130m，孔径Φ152mm，钻孔轨迹位于10煤顶板以上25±5m，靶半宽3m，井斜93～94°稳斜上仰，成孔后下入Φ127mm×6.5mm筛管，有效抽采段长380～400m。
3.4试验效果
地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井施工历时4个月，共完成1个主孔，2个分支孔和1个泄水孔，累计钻探进尺2 200m，累计有效抽采段约1 000m。
地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井抽采试验历时187天，累计抽采瓦斯411 005m3，日均抽采2 257m3，最大8 430m3/d；抽采瓦斯浓度平均35.3%，最大74.10%，取得了良好的效果。如表1所示，图8为地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井抽采参数随时间变化关系曲线。
工业性试验表明，采用地面L型定向近水平多分支钻孔，抽采采煤工作面采动瓦斯是可行的。本次试验钻孔设计合理，设备选型科学，钻孔定位精确，达到试验目的。通过进一步优化，可替代地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位抽采巷，为创新采煤工作面瓦斯治理方法进行了有益的尝试。建议：
1） 需进一步完善支孔无底开窗侧钻工艺和设备，提高开窗成功率。
2） 单纯依靠MWD无线随钻测量仪，实现地面定向孔与井下巷道的贯通难度较大，需RMRS旋转测距仪配合校正，实现精确制导。同时必须对RMRS系统的供电电源和笔记本电脑等进行改装，以满足煤矿井下环境的使用要求。
参考文献：
[1]杜俊杰，范业活，韩永国.国内EM-MWD技术发展现状及在煤层气中的应用展望[J].中国煤层气，2014，11（4）：7-8.
[2]周跃云，许孝顺.胜利油田套管开窗侧钻技术[J].石油钻探技术，2001，29（4）：34-35.
[3]胡汉月，陈庆寿.RMRS在水平井钻进中靶作业中的应用[J].地质与勘探，2008，44（6）：89-90.
[4]安徽省煤田地质局第三勘探队.杨柳煤矿建井地质报告[R].淮北：淮北矿业（集团）有限公司杨柳煤矿，2010.
[5]中国矿业大学.杨柳煤业有限公司1071工作面里段（切眼向外0～400m）瓦斯区域治理效果评价报告[R].淮北：淮北矿业（集团）有限公司杨柳煤业有限公司，2014.
[6]孟君.水平分支井技术在地面负压抽采目的层瓦斯中的应用[J].煤矿开采，2014，19（5）：86-88.
[7]陈静，刘勇. EM-MWD系统无线传输技术探讨[J].电子测量技术，2009，32（10）：4-7.
（责任编辑：李丽，范君）
关键词：地面L型定向近水平多分支井；瓦斯抽采；新技术方法
中图分类号： TD712文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）03-0042-06
Abstract：To reduce the gas extraction cost of working face mining releasing， improve the safety and reliability of the coal mine， the experimental study on L type directional nearly horizontal branch wells for gas extraction had been carried out using XJ650 drilling， MWD apparatus and RMRS Connect meter in Huaibei Yangliu Coal Mine 1071 working face. The L type well group was made up of one main hole， two branch holes and one drain hole. The drainage lasted 187 days for a total gas extraction of 411 005m3 ， with the largest gas concentration 74.1% and the biggest gas extraction 8 430m3.The research result provides a new technical method for gas extraction， which can replace the existing method of ground drilling， high gas drainage drilling and high gas drainage lane to achieve the purpose of integration and high efficiency. The new technical method will have good economic and social benefits.
Key words：L type directional nearly horizontal branch wells； gas extraction； new technical method
煤矿高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层采煤工作面回采期间的瓦斯抽采，一般采用地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔或高位瓦斯抽采巷进行抽采的方式。地面瓦斯抽采立井抽采半径一般100m左右，布孔多，地矿关系协调困难；井下高位瓦斯抽采孔需布置高位钻场，且钻场交替期间抽采效果差；井下高位瓦斯抽采巷掘进工程量大，成本高。
地面定向L型钻井在石油、页岩气开采中已大量运用，具有钻孔定位准、施工速度快、可多分支造孔的优点。为提高采煤工作面瓦斯抽采效率，降低瓦斯治理成本，提高煤矿安全保障的可靠性，淮北矿业集团与中煤科工集团西安研究院有限公司合作，在淮北杨柳煤矿开展了地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井试验研究，目的是替代地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位瓦斯抽采巷，为改进采煤工作面瓦斯治理技术与工艺进行了有益的尝试。
1技术原理
根据采煤工作面開采过程中瓦斯的运移规律，借鉴井下井下高位瓦斯抽采孔或高位瓦斯抽采巷的布置层位，采用定向钻进技术，在地面布置L型定向近水平多分支瓦斯抽采井。主孔布置于采煤工作面风巷下侧50m左右，到达设计位置后定向造斜，施工近水平多分支孔，支孔平面间距30m左右，钻孔有效抽采段层位布置在开采煤层顶板采动裂隙带中。为防止采动后岩层移动造成塌孔，在钻孔抽采段下入石油筛管。若抽采段钻孔井斜超过90°，还必须在定向孔最低处施工与井下巷道相通的泄水孔，防止产生水堵。成井后主孔与地面瓦斯抽采泵站连接，实现采煤工作面采动释放瓦斯的持续抽采。L型定向近水平多分支瓦斯抽采井布置如图1～图2所示。
2关键技术与设备选型
2.1关键技术
柔性钻杆水平孔钻进技术。在近水平顺层段采用的钻具组合为：钻头+动力钻具+无磁钻铤+无磁短接+钻柱稳定器+无磁承压钻杆+加重钻杆+斜肩钻杆+随钻震击器+钻杆。
特殊泥浆冲洗液循环技术。近水平段采用连续泥浆罐、搅拌器、振动筛、除泥器等设备，对含沙量、泥饼等性能进行控制。加润滑剂、抑制剂等提高钻井液的润滑性、抑制性和携砂性，泥饼的摩擦系数小于0.1，含沙量低于0.5%，低密度固相含量小于12%，钻井液塑性粘度和动切力的比值不小于2∶1。 钻孔轨迹控制。为防治抽采孔高低起伏积水、渣，产生水堵现象，便于抽采筛管的下置，要求钻孔轨迹不能因地层硬度差异或控制误差，出现较大的曲率变化和高低起伏。
钻孔抽采段筛管下置。设计有效瓦斯抽采段长度≤400m，采用Φ127mm×6.5mm筛管，设计重量15t，长度必须严格控制，不得露出主孔影响抽采；且支孔空白段≥500mm，否则容易造成塌孔。
支孔无底开窗侧钻。大于90°井斜套管开窗侧钻在国内尚属首次，需对现有的可回收式封隔器/斜向器进行改造。设计施工工序为：通井/洗井→下入封隔器/斜向器座封→下入铣锥开窗→成井/洗井后下入筛管→打捞斜向器。
泄水孔精准贯通钻进。钻孔方位、井斜变化大，井下巷道支护的金属构件会对定向仪器产生磁干扰，加之透巷前可能会与井下已施工瓦斯抽采孔、巷道掘进产生的裂隙联通而提前漏浆，无法进行岩粉准确判层，须采用旋转磁测距以确保钻孔轨迹控制精度。
2.2设备选型
长水平段钻井施工要求钻机具有大扭矩和大给进起拔能力。选用具有回转扭矩大、给进起拔能力强、岩层适应性强等特点的XJ650石油钻机。采用海蓝MWD无线随钻测量仪实时准确地显示井斜、方位、工具面、磁场等井下参数，对钻孔轨迹进行严格控制。采用专门改进的可回收轨道式双向卡瓦封隔器/斜向器实现支孔开窗，同时配备完善的打捞工具。为确保泄水孔准确透巷，准备了美国VM公司生产的RMRS旋转磁测距仪，作为MWD的补充定位。
海蓝MWD无线随钻测量仪系统由地面设备和井下测量仪器两部分组成。地面设备包括：压力传感器、专用数据处理仪、远程数据处理器、计算机及有关连接电缆等。 井下测量仪器主要由定向探管、伽玛探管、泥浆脉冲发生器、电池、打捞头等组成。其工作原理为将传感器测得的井下参数按照一定的方式进行编码，产生脉冲信号，由脉冲器产生压力变化，使信号传送到地面，再由地面设备解码得出井下参数[1]，如图3所示。
3工业性试验
3.1试验地点概况
淮北杨柳煤矿为瓦斯突出矿井，矿井瓦斯绝对涌出量为76.29m3/min，最大相对瓦斯涌出量17.99m3/min。主要开采7、82、10煤层，82、10煤层层间距80～100m。矿井开采10煤层作保护层，解放其上覆的7、82煤层[4]。
1071工作面走向长约1 450m，倾向宽约180m，煤层倾角4°～13°，煤厚1.21～5.74m，工作面走向俯采倾角10°左右，实测煤层最大瓦斯含量9.99m3/t。采用综采工艺，平均推进度5m/d[5]。
3.2钻孔布置
地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井试验工程，主孔设计与风巷平行，间距50m；由于采煤工作面呈俯采状态，为使钻孔近水平抽采段与煤层保持合适的距离，设计抽采段孔斜93°～94°。主孔两侧过最低点约40m分别后退式侧钻分支孔，与主孔间距30m；钻孔总位移700～750m，有效抽采段380～400m，设计抽采覆盖范围为风巷以内100m。在主孔最低段侧钻施工泄水孔，与工作面风巷贯通，防止主孔最低段积水产生水堵，影响抽采效果，如图6所示。
3.3钻孔结构
主孔采用三开结构如图7所示。
1） 一开表土层直孔段：0～160m，孔径Φ311mm，过风氧化带至完整基岩层段，下入Φ244.5mm×8.94mm孔口管，水泥固井后压水试验检验固井质量，隔离第四系表土层；
2） 二开定向导斜段：160～750m，孔径Φ216mm，过最低段40m至上仰段，下入Φ177.8mm×8.05mm技术套管，最低段位移260～280m，井斜90°，便于泄水孔側钻选位，水泥固井后压水试验检验固井质量，隔离煤层顶板含水层；
3） 三开稳斜上仰段：750～1 130m，孔径Φ152mm，钻孔轨迹位于10煤顶板以上25±5m，靶半宽3m，井斜93～94°稳斜上仰，成孔后下入Φ127mm×6.5mm筛管，有效抽采段长380～400m。
3.4试验效果
地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井施工历时4个月，共完成1个主孔，2个分支孔和1个泄水孔，累计钻探进尺2 200m，累计有效抽采段约1 000m。
地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井抽采试验历时187天，累计抽采瓦斯411 005m3，日均抽采2 257m3，最大8 430m3/d；抽采瓦斯浓度平均35.3%，最大74.10%，取得了良好的效果。如表1所示，图8为地面L型定向近水平多分支瓦斯抽采井抽采参数随时间变化关系曲线。
4结论与建议
工业性试验表明，采用地面L型定向近水平多分支钻孔，抽采采煤工作面采动瓦斯是可行的。本次试验钻孔设计合理，设备选型科学，钻孔定位精确，达到试验目的。通过进一步优化，可替代地面瓦斯抽采立井、井下高位瓦斯抽采孔和高位抽采巷，为创新采煤工作面瓦斯治理方法进行了有益的尝试。建议：
1） 需进一步完善支孔无底开窗侧钻工艺和设备，提高开窗成功率。
2） 单纯依靠MWD无线随钻测量仪，实现地面定向孔与井下巷道的贯通难度较大，需RMRS旋转测距仪配合校正，实现精确制导。同时必须对RMRS系统的供电电源和笔记本电脑等进行改装，以满足煤矿井下环境的使用要求。
参考文献：
[1]杜俊杰，范业活，韩永国.国内EM-MWD技术发展现状及在煤层气中的应用展望[J].中国煤层气，2014，11（4）：7-8.
[2]周跃云，许孝顺.胜利油田套管开窗侧钻技术[J].石油钻探技术，2001，29（4）：34-35.
[3]胡汉月，陈庆寿.RMRS在水平井钻进中靶作业中的应用[J].地质与勘探，2008，44（6）：89-90.
[4]安徽省煤田地质局第三勘探队.杨柳煤矿建井地质报告[R].淮北：淮北矿业（集团）有限公司杨柳煤矿，2010.
[5]中国矿业大学.杨柳煤业有限公司1071工作面里段（切眼向外0～400m）瓦斯区域治理效果评价报告[R].淮北：淮北矿业（集团）有限公司杨柳煤业有限公司，2014.
[6]孟君.水平分支井技术在地面负压抽采目的层瓦斯中的应用[J].煤矿开采，2014，19（5）：86-88.
[7]陈静，刘勇. EM-MWD系统无线传输技术探讨[J].电子测量技术，2009，32（10）：4-7.
（责任编辑：李丽，范君）