地面垂直采空區抽采鉆井井口連接裝置故障處理及改進

沈忠武

(鐵法能源有限責任公司,遼寧 112700)

1 引言

鐵法礦區煤層屬于低透氣性、高瓦斯含量復合煤層,煤層透氣性系數介于1.10×10-5～3.49×10-2m2/MPa2·d之間,煤層瓦斯壓力介于0.85～3.92MPa之間。為解決采煤工作面回采期間瓦斯超限的問題及提高瓦斯抽采率,基于對低透氣性煤層頂板受采動影響下的移動規律的研究,鐵法礦區于1995年通過聯合國UNDP項目率先在國內應用地面垂直采空區鉆井進行了地面瓦斯抽采技術的示范。通過16年的實踐,證明這項技術在鐵法礦區瓦斯抽采和利用中應用非常成功,產氣效果較好,單井抽采量在15m3/min左右,抽采濃度40%～70%。到目前為止,全礦區共有100口此類鉆井,均布置在高瓦斯含量區。圖1為該種結構鉆井的設計圖。

但是,這種結構的鉆井初期井口連接裝置,如圖2所示,當厚煤層的采煤工作面采過后,由于地層的下沉,鉆井中的技術套管下沉量超過地層的下沉量,將井口連接裝置損壞,使井下瓦斯抽采量和濃度降低,嚴重的影響瓦斯利用。如大興礦S5-711采場3#鉆井的技術套管在一個多月內下沉三次,下沉量達500mm,將井口連接裝置嚴重損壞,瓦斯濃度由50%降到20%。

針對鉆井初期井口連接裝置易損壞的現象,通過對損壞的井口連接裝置的故障處理,對鉆井井口連接裝置按薄、厚煤層鉆井進行了改進,取得了明顯的效果。

2 抽采鉆井井口連接裝置的故障處理方法

鉆井井口連接裝置的故障處理方法根據現場損壞程度及部位的不同處理方法也不同,本文列舉兩種典型的故障處理方法來說明。

圖1 地面垂直采空區抽采鉆井設計示意圖

圖2 地面垂直采空區抽采鉆井初期井口連接裝置示意圖

2.1 膠管連接火電焊處理法

在處理大興礦S5-711采場3#抽采鉆井井口連接裝置故障時采用了此方法。施工過程如下：

①用鋼鋸將技術套管上的壞彎頭鋸掉;

②將導氣裝置下入技術套管內 (如圖3所示),導氣裝置的上部灌入一定量的水,讓鉆井立孔內的瓦斯通過導氣裝置的導管排至作業坑外,使導氣裝置的上部及作業坑的瓦斯濃度不超過0.5%,滿足施火焊的條件;

③用一長800mm的短管與技術套管的鋸口進行焊接,焊完后抽出導氣裝置,再用φ200mm的膠管與橫管的彎頭相連接 (如圖4所示)。

處理前,抽采鉆井井口連接裝置為硬連接,地面管路與立孔技術套管間的連接由伸縮節、閥門和彎頭連接。此連接在垂直方向上沒有伸縮量,如技術套管下沉將損壞伸縮節或彎頭。

圖3 鉆井井口連接裝置故障處理時導氣示意圖

處理后,抽采鉆井井口連接裝置為軟連接,地面管路與立孔技術套管間的連接由彎頭、閥門和膠管連接。由于膠管留出足夠量,在垂直方向上有一定的伸縮量,如技術套管下沉不會損壞抽采鉆井井口連接裝置。

圖4 抽采鉆井井口連接裝置故障處理后示意圖

施工整個過程除動火焊期間作業地點風流中無瓦斯外,其他施工過程作業地點風流中存在一定濃度的瓦斯,存在安全隱患。

2.2 不動火電焊插接處理法

在處理曉明礦N2-403抽采鉆井井口連接裝置故障時采用了此方法。其方法是 (如圖5所示)：鉆井技術套管外管徑為 φ177.8mm,內管徑為φ163mm,重新制作井口連接裝置,與技術套管連接的管采用φ159mm的管路,采用插接法,重疊部分為800mm。修復時,將損壞三通連接裝置取下,用導氣裝置將鉆井內的瓦斯先引到工作現場以外,新井口連接裝置φ159mm的管路底部用防水膠帶纏好,纏繞三段,圈數由下至上逐段增加,最大圈的直徑不超過立孔管φ177mm的內徑 (φ163mm),然后將纏好膠帶的φ159mm的管路插入鉆井技術套管φ177mm內800mm深,最后在兩管路縫隙間灌入大量冷補膠,將管路縫隙封嚴。

圖5 抽采鉆井井口連接裝置采用插接式故障處理后示意圖

在施工現場不需要動用火電焊焊接斷口,杜絕了作業時引發火災的危險,確保工作現場的安全,保證了人身安全。

3 抽采鉆井井口連接裝置的改進

針對鉆井初期設計的井口連接裝置易損壞的弊端,我們對地面垂直采空區抽采鉆井井口連接裝置進行了改進。對于施工在厚煤層的地面垂直采空區抽采鉆井,考慮到鉆井中的技術套管下沉量大,采用了如圖5的井口連接方式。鉆井完孔后,鉆孔沒有受到采動影響,鉆井內還沒有瓦斯涌出,在鉆井技術套管上端焊一法蘭,再接一個帶取樣閥的三通,三通與地面管路間的連接由膠管和閥門連接,由于膠管留出足夠量,在垂直方向上有一定的伸縮量,既防止了技術套管下沉不會損壞抽采鉆井井口連接裝置,又解決了修復損壞鉆井井口連接裝置過程中火焊引起瓦斯燃燒或爆炸及人員窒息的危險。

圖6 地面垂直采空區抽采厚煤層鉆井井口連接裝置示意圖

圖7 地面垂直采空區抽采薄煤層鉆井井口連接裝置示意圖

對于施工在薄煤層的地面垂直采空區抽采鉆井,如小青礦W2采區各采場,采高為1.4m左右,考慮到鉆井中的技術套管下沉量很小,采用了如圖6的井口連接方式。

4 結語

對地面垂直采空區抽采鉆井井口連接裝置進行改進后,近一年沒有發生抽采鉆井井口連接裝置損壞現象。改進后的井口連接裝置大大提高了安全可靠性,但是,我們不能忽視地面垂直采空區抽采鉆井的檢查,發現抽采濃度降低、負壓降低和泵站抽采量突然增大,要對系統內每一個抽采鉆井井口連接裝置及管路進行仔細檢查。另外,在進入抽采鉆井的閥門井檢查井口連接裝置或取樣前,必須由外到里逐步檢查井內的瓦斯濃度不超過0.5%,方可進入閥門井內進行檢查。

[1] 李國君,劉正國.鐵法礦區煤層氣甲烷資源開發的理論基礎 [J].鐵法科技,2011,1：3-5.

[2] 沈忠武.原始煤層壓裂井采氣中的技術管理 [J].中國煤層氣,2010,7(1)：26-29.

[3] 中華人民共和國建設部.城鎮燃氣運行.維護和搶修安全技術規程 (CJJ51-2006)[Z].2006-11-29.

[4] 國家安全生產管理總局,國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程 [Z].2011-1-25.