1、煤田钻探中煤层坍塌的原因分析及防治措施【摘要】：随着我国经济的高速发展，对煤炭的需求也越来越大，煤田地质勘探任务的增多，开采量急剧增加。但是虽然当前开采技术较之前有了较大进步，但煤田的开采仍然存在着一些问题。在煤田钻探中煤层坍塌的问题长久以来都在困扰着煤炭工作者。本文首先给出了煤对煤田坍塌研究的意义，随后分析了煤层坍塌的常见种类以及原因，最后指出了处理方法以及预防措施。 【关键词】：煤炭;煤田钻探;煤层坍塌;措施 中图分类号： X952 文献标识码： A 引言 随着社会经济的快速稳定的发展，作为经济发展的支柱-能源的生产已经在社会发展中起到了最为关键的作用。我国百分之七十的能源来自于煤。因此现
2、在越来越多的高校和研究机构都在全力研究煤矿的安全、高效的生产。而在煤田的钻探开采过程中，虽然经历了发展取得了长足的进步，但是一些问题仍然急需解决。在煤田钻探中煤层的坍塌原因一直都在困扰着煤矿工作者，尤其在煤田开采量急剧增加的今天，此问题就显得更加的突出。本文将就煤层坍塌研究的意义，种类以及处理方法和防止措施等进行了详细的分析。 对煤层坍塌研究的意义 煤层坍塌的危害 由于煤层本身硬度小，脆性大，割理发育，机械强度低，容易垮塌，加上大斜度井段煤层悬重大，煤岩地层遇水后更易发生严重垮塌，轻者卡钻划眼，重者埋钻具，导致井眼钻井工程报废，更为严重的是:下部煤层已打开而无法封闭、导致上下含水层水力联系,后
3、续采矿不得不增设保护煤柱,造成资源浪费。即使勉强抑制住坍塌,坍塌部位也是下部施工的隐患。因此煤层坍塌严重地制约着我国煤层气钻井技术的快速发展。 煤层强度低、性脆、裂缝发育导致在煤层钻井施工过程中极易破碎坍塌,尤其是大曲率井段和水平井段,由于受到垂直应力的作用较大,煤层井壁极易发生失稳,坍塌现象,给钻井施工带来很大的不便。钻井过程中滤液侵入煤层,也会导致煤层坍塌和失稳。如果发生煤层垮塌,井口会返出大量煤屑,而且伴有接单根困难、上提遇阻和下放遇卡、憋泵、憋停顶驱等问题。煤层井眼也由于坍塌,井径严重扩大,形成大葫芦井眼,此处的钻井液环空上返速度骤然降低,携岩洗井效率很差,有形成岩屑床现象,容易导致井
4、下复杂和事故。煤层坍塌后,容易形成台阶和键槽,影响后续的施工质量,如影响固井质量等。 除此之外，众所周知，煤层塌陷属于很严重的煤矿安全事故，据不完全统计，我国从 2005 年到 2010 年短短五年的时间内，平均生产 1 千万吨煤死亡 11.82 人。生产 1 亿吨煤死亡 118.2 人。生产 10 亿吨煤死亡1182 人。中国煤炭工业协会发布的2008 年全国煤炭工业统计快报显示 2008 年，我国煤炭产量完成 27.16 亿吨。据此计算，2008 年煤炭工业生产死亡总人数 3210 人。其中，煤层塌陷占到了很大比例，因此，煤层塌陷必须在安全方面引起人们足够的重视。 研究意义 由煤层塌陷的危
5、害可以看出，对煤田钻探中的煤层塌陷的研究，有助于我国煤层气钻井技术的发展，提高采集效率，并且可以提高煤矿作业的安全性。因此，国家每年都会投入巨资对此进行研究。 常见的煤层坍塌的种类及原因 非含煤地孔壁坍塌 在煤田钻探中，由于地质构造、破碎带、断层以及溶蚀地层等影响，很容易引起钻孔孔壁坍塌。孔内坍塌的迹象有: 取上的岩心松散、破碎，胶结性变差，钻进时岩心易堵塞，钻进时泵压异常，孔内回转阻力增大，有时甚至憋泵。 较厚粉煤层、结构松散层的孔壁坍塌 钻探中，偶遇层厚大于 5 m 的粉煤层、结构松散的水敏性地层孔段的严重坍塌。此类地层，用普通性能的泥浆根本无法控制其坍塌，有时甚至造成埋钻、糊钻事故。 诱
6、发原因 工艺因素 （1）水力冲刷,由于绳索取芯钻进工艺孔壁环状间隙小,即使在泵量不大的情况 下,仍有较高的泵压、较高的上返流速,对煤层有较大的冲刷作用。 （2）泥浆使用存在矛盾。煤层结构松散、地层压力大,工艺要求调节泥浆密度, 来平衡或超平衡压制地层压力,但是绳钻转速高、对泥浆要求固相含量低,否则钻杆 内结泥皮,影响施工。 （3）绳钻依靠液压或钻杆加压,难免钻具产生多次弯曲,高速回转时对井壁高频 率横向撞击,对煤层有较强的破坏作用。 （4）提升钻具过快,孔内造成负压、对孔壁抽吸作用严重,同时无法向井内补充 泥浆平衡地层压力。下钻过快,对孔内产生频繁压力激动,同样不利于稳定松散层。 地层本身因素
7、 （1）由于构造影响,煤层发生塑性流变,多为粉煤,胶结差,松散。受构造运动的影响,残存应力集中区,当钻孔揭穿煤层,使其失去平衡、应力释放,煤层垮塌。 （2）煤层中瓦斯含量高,压力大。当钻穿煤层时,所用泥浆不能抑制地层、瓦斯压力,瓦斯涌出,侵入泥浆,使泥浆密度进一步降低,无法平衡地层压力,造成坍塌。 （3）煤层及顶、底板破碎,在钻具高频率回转撞击下产生掉块,煤层纵向失稳垮落。 （4）煤层松散、无胶结,泥浆中自由水渗入,促使煤层离解。 对于煤层塌陷的处理方法以及防治措施 常见煤层塌陷的处理方法 对于非含煤地层孔壁坍塌，应该采取以下处理方法。 （1）提高冲洗液的浓度，加入护壁、防塌性能较好的处理剂。
8、 （2）扫孔时采取慢转、轻压、适当加大泵量来进行泥浆循环、排渣护壁。对于坍塌物颗粒较细的，循环数小时后，一般可以恢复正常。 （3）若孔内有较多、较大且比较硬的坍塌物，可以用钢丝钻头专门来捞取。 一般情况下，排除或捞净孔内坍塌物之后，即可恢复钻进。继续钻进时，要密切注意孔内情况，保持泥浆的性能。如再发生坍塌，应提高钻具，进行冲扫孔，直至坍塌现象被控制为止。 对于较厚粉煤层、结构松散层的孔壁坍塌，应该采取如下处理方法。（1）浅部孔段可用套管把坍塌层全部隔离，深部孔段采用优质泥浆循环护孔; （2）灌注水泥浆。用水泥封闭煤层前，必须先行测井或须经地质的许可。 对煤层塌陷的防治措施 （1）打煤前,必须保
9、证钻孔不漏失,以保证泥浆质量稳定。 （2）煤系地层钻进应采用优质泥浆,保证低失水,低固相,粘度符合要求.其目的是:控制孔壁泥皮厚度,防止泥皮垮塌;防止粘土岩吸水膨胀,造成缩径:减少岩粉量,避免钻具内壁结皮,以保证内管打捞顺利。水泥浆液要经过滤网过滤，排除水泥浆液中的结块及小颗粒。送完之后，马上按计算好的替浆量进行替浆，然后缓慢提起钻具到预定位置，泵入清水或泥浆，把上部多余的水泥浆冲掉，以减少扫水泥的时间，且候凝时间一般 4872 h。 （3）揭露煤系前,若泥浆中有气泡滋出,为防止煤层中瓦斯大量快速涌出,造成孔内涌水和煤层垮塌,应适当加大泥浆密度。 （4）巨厚煤层钻进适当控制泵量、转速,减轻对煤
10、层的冲刷和撞击;同时适当控制打煤进度,保证煤层揭穿后泥浆及时造壁保护煤层。 （5）尽量使用表镶或复合片钻头打煤,以确保钻头底唇过水间隙;同时卡簧座和钻头内台阶之间的间隙要适当。不要因煤层是粉煤而过分减小内外管间隙,造成孔底或循环路径憋压。 （6）密切注意孔内上返泥浆的变化,穿透煤层一定时间后,若仍持续挟带煤粉或气泡,或钻进中伴有整泵现象,即为煤层坍塌的症兆,应及时采取措施. 结语 由于对煤田钻探中的煤层塌陷的研究，有助于我国煤层气钻井技术的发展，提高采集效率，并且可以提高煤矿作业的安全性，越来越多的人开始对煤田钻探中煤层坍塌的问题进行了研究。本文对煤层塌陷的种类入手，深入分析了其各种诱发原因，最后提出了对坍塌事故的处理方法以及对煤层塌陷的防治措施，对我国煤层气钻井技术的发展，提高采集效率，提高煤矿作业的安全性方面有着非凡的意义。 【参考文献】 王富华，李万清.大安地区井壁稳定性机理与硅醇成膜防塌钻井液技术J.断块油气田，2012,14（4）：68-70 王生维,侯光久,张明,等.晋城成庄矿煤层大裂隙系统研究J.科学通报,2011,50(增刊):38-4. 陈博文.煤层坍塌机理与防塌技术分析J.科技探索,2012(7).
