摘要
为了进一步解决山西晋城矿区煤层气的开发利用问题，科学有效地开发和利用3号煤层采空区下部的煤层气，降低煤层中的瓦斯含量，以保障煤层气的高效合理利用，为煤矿开采提供安全保障。本文对该区穿采空区煤层气水平井的施工工艺进行了研究，提出了利用潜孔锤及空气螺杆+氮气施工的钻井工艺，进一步优化了钻井的井身结构，有效地解决了采空区敏感层段的坍塌、掉块、漏失等施工难题。穿采空区煤层气水平井的顺利施工，进一步验证了该钻井技术的可行性，对下一步煤层气的规模性开发具有重要的指导意义。
晋城矿区位于沁水盆地东南缘，地形以低山丘陵为主。主要可采煤层为二叠系下部的3号煤层和石炭系下部的9号、15号煤层，煤层总厚14.67 m，含煤系数10.8%，属高瓦斯矿
自20世纪80年代晋煤集团进行大规模煤层气开发以来，矿区范围内煤层气生产井、定向井已基本实现全覆盖控制，随着煤矿工作面的推进，部分地段已经形成采空区，很多3号煤层气地面预抽井不得已停产、拆解，已经严重制约了煤层气的产能。据相关资料显示，其下部石炭系15号煤层瓦斯含量均高于3号煤层，平均含气量达24.10
晋煤集团寺河矿主采煤层为3号煤层，属无烟煤，具有硬度高、瓦斯含量大、渗透率较高等特点；其构造形态与勘探阶段构造形态基本一致，以马庄背斜轴迹为主轴的褶曲构造，两侧发育次级短轴背向斜，中部主要以小规模正断层为主，影响范围较小。
矿区位于晋城市沁水县嘉峰镇附近，主要含煤地层为二叠系山西组和石炭系太原组，共含煤7~11层，其中可采煤层3层（见
3号煤层已于2010年前开采完毕，地表可见煤矿采空区塌陷及裂缝，但规模有限。根据近年采空区直井的施工经验，已采煤层底板以上60 m至底板以下20 m，为坍塌敏感层段，是施工中的难点。
9号煤层由于煤层较薄，目前暂时还没有开采计划。
15号煤层位于石炭系下部，厚度较为稳定，在区内无大的起伏，其展布形态与3号煤层一致，平面形态稳定（见
图1 15号煤层底板等高线图
根据邻井资料推算，3号煤层采空区位于斜深330~350 m之间。
采空区及冒落带地质条件复杂，会造成地层失稳、坍塌、泥浆失返等现象，井内大量岩屑重复循环，无法排出，从而造成卡钻、埋钻事故。同时由于井内存在大量空隙，废弃巷道里的瓦斯会运移到空隙里，对施工人员及设备安全造成隐患。
目前常用的定向仪器为电磁波脉冲仪器及泥浆脉冲仪器，由于钻井中面临泥浆失返的可能，无法实现信号传输，现有的钻井技术已经无法满足施工的需要，根据近年来空气螺杆钻井新技术的推广及应用，拟采用空气螺杆进行钻井施工，循环介质采用氮气。
氮气具有无色、无味、不易自燃、成本低的特点，是煤矿井下常用的防火惰性气体，完全能满足施工的需求。
钻机采用美国产T130型车载钻机，型号69T；泥浆泵：3NB1000型，排量1000 L/min；柴油机：G12V190PZL-3型，动力1000 kW；发电机组：BF-300GF型，功率300 kW；无线随钻：SEMWD-2000B型；制氮车、注氮机各1台；空气螺杆：Ø197、203 mm各一套；潜孔锤12 in（1 in=25.4 mm，下同）、8 in型号各一套。
本井采用四开井身结构，具体结构数据见
图2 四开井身结构
一开采用Ø445 mm钻头钻入稳定基岩10 m以上，下入J55、规格Ø377.7 mm表层套管，固井候凝。
二开采用Ø342.9 mm钻头钻至3#煤层底板以下5~20 m处，下入J55、规格Ø273.1 mm套管，水泥固井，候凝。若出现漏风情况，将把循环介质更换为氮气。
三开采用Ø241.3 mm钻头钻进，根据导眼井煤层资料，实时调整钻井轨迹。以合适的井斜角着陆在15#煤层，然后下入J55、Ø193.7 mm技术套管。
四开采用Ø171.5 mm钻头钻进，进入15#煤层后沿煤层钻进至设计水平长度后完钻，下入N80、Ø139.7 mm的套管至井底5 m以内。
2.3 钻具组合（表2 ）
与常规钻井相比，过采空区钻井最大的困难就是钻井液的漏失，不能建立正常的循环，致使地面的定向仪器无法接收信
二开钻井先用水源钻进，钻井至井深78 m处，按设计开始定向钻进，在井深285 m处遇采空区出现漏失现象，强打至366 m后起钻，更换钻具组合为空气螺杆钻进，使用螺杆规格为Ø244 mm，供风使用氮气，钻压控制在20 kN左右，风量140~170
钻进过程中要认真检查氮气管线的连接良好，运行正常，保持氮气的稳压连续供应，尤其钻至采空区，更要密切注意观察转速、钻压及氮气压力等钻进参数变化，做好预判，预防卡钻、埋钻事故。起下钻要稳，不能强拉硬提，划眼时要倒划眼，轻加压，多循环供气，尽量使井底岩粉清理干
在井深376~388 m钻遇3#煤层采空区，与设计数据基本相符，钻井中出现了漏风、钻速加快现象，上提钻阻力增大。定向资料显示：井斜55.79°，位移131.32 m；在井深402 m处，钻速下降，井内沉渣增多，确认进入煤层底板，经论证钻井轨迹能满足下一步钻井施工要求，即提前结束二开钻井任务。本段共用氮气67
定向段钻进，采用SEMWD-2000B型无线随钻仪，带双伽马，分别使用Ø216 mm液动螺杆及Ø244 mm空气螺杆，为了避免采空区井斜过低的问题，待方位角稳住后，使增斜略超出设计1°~2°，以防止过采空区井斜降低，满足不了着陆的需要。
螺杆适用参数：空气流量110 m/min；输出转速80~260 r/min；最大压降2.6 MPa：最大功率310 kW；适用钻压220 kN；弯点到钻头距离1.89 m。
水平段施工采用泥浆循环钻进，使用Ø135 mm液动螺杆，配Ø171.5 mm PDC钻头进行施工。15#煤层顶板为砂质泥岩，较致密，煤层中含夹矸1~2层，岩性为砂质泥岩，煤层具层状结构，中部较松软，易坍塌。为保证氮气欠平衡施工中井眼不坍塌，尽量在15#煤层顶部或煤层夹矸附近钻进，根据伽马赋值及电信号参数及时调整施工轨迹与设计轨迹尽量一
根据钻井进度每钻进一单根后划眼2次，以倒划眼为主，速度控制在2~4 m/min为宜，每加一单根后循环泥浆一周，及时测量泥浆性能，降低密度及含砂量，提高泥浆粘度，增加润滑剂，以降低钻具摩
每钻进200~250 m要进行短起，大泵量循环一周，将井底岩屑床彻底清理；每钻进400~500 m起钻一趟，确保井眼轨迹圆滑无阻力。
施工中应尽量减少扭方位的次数，而且应尽早把井眼方位调整好，这样就可利用靶底宽度限制井斜方位变化范围，直接钻完水平段，否则后期的井斜方位角调整会显著加大扭方位的次
二开结束后用原钻具进行划眼，划眼时用轻压倒划眼技术，上提时速度控制在2~3 min/m，加大氮气供风量，防止岩粉堵塞；向下划眼时速度要快，减小钻井压力，防止钻出新
二开下入套管为Ø273.1 mm，壁厚Ø8.89 mm，在井深377 m时遇阻，用氮气吹孔，供风量150~200
在使用Ø127 mm钻杆固井时，再次发现压力增大，钻杆被岩粉堵塞，起下钻疏通后，继续固井，共注入隔离液6
（1）采用空气螺杆进行穿采空区水平井施工是煤层气开发的新尝试，为沁水煤田 3#煤层采空区下部15#煤层的高效开发利用提供了技术支撑，破解了困扰多年的技术难题。
（2）基本掌握了穿采空区使用氮气进行定向钻进的工艺技术，合理调整了钻井设备和关键技术参数，掌握了适合于本区块穿采空区水平井钻井施工的新技术。
（3）对穿采空区水平井的井身结构进行了进一步优化，满足了施工需求；达到了简单易行、适宜于施工的目的。
（1）空气螺杆在施工过程中，存在一定的缺陷，钻压过高就会出现不工作现象，这与气体介质的可压缩性有很大关系，钻井效率较常规钻井效率低，进而影响造斜率及井斜、方位的调整幅度，增加钻井成本及钻井周期，施工时应提前予以考虑。
（2）水平段钻进过程中，由于钻具与井壁环空间隙较小，空气螺杆加大工作风量后，造成工作压力较大，另外气体悬浮岩屑的能力较差，易造成岩屑沉底堵塞，若不能及时排除，会造成卡钻事故。
（3）无线随钻仪器在使用过程中，受震动及冲击的影响，易出现信号失稳问题，虽做了多次模拟实验，仍然存在缺陷，还需进一步改进。
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