下向掏穴钻孔抽采瓦斯效果的研究

摘 要：在煤层气开发过程当中，掏穴井既能取得分层参数，为多分支水平井钻井施工提供可靠依据，又可作为欠平衡施工的注气井，在生产阶段作为多分支水平井排采井。文章介绍了掏穴井施工中，应选用合理的钻具组合、适当的钻井参数以及先进的掏穴技术。
关键词：煤层气掏穴井 钻井工具 钻井参数 掏穴技术
瓦斯是煤矿安全的最主要的问题之一。抽采瓦斯是解决这一问题的主要方法，但对于低透气性煤层简单的抽采瓦斯效果很不明显，尤其是下向钻孔效果更不理想，但是采用下向掏穴效果很明显。本论文针对朱集矿的状况进行了实验。
我们知道钻孔周围煤层内的瓦斯流动状态属于径向不稳定流动过程，其计算公式为：
(1-1)
式中，QN为流量准数；
TN为时间准数；
a、b为常数。
流量准数和时间准数的计算公式为：

(1-2)

(1-3)
表中：q—煤暴露表面排放瓦斯时间为t时的比流量，m3/(m2.d)；

Q—在时间t时刻，钻孔瓦斯流量，m3/d；
L—流场长度，一般等于煤层厚度，m；
λ—煤层透气性系数，m2/(MPa2.d)；
po—煤层原始瓦斯压力，MPa；
p1—煤暴露表面的瓦斯压力，MPa；
t—排放瓦斯时间，d；
α—煤层瓦斯含量系数，m3/(m3.MPa0.5)；
r1—钻孔半径，m。
为了考察采取掏穴钻孔后对11-2煤层瓦斯预抽效果的影响，此次试验地点为1112(1)运输顺槽高抽巷，主要考察单孔及整组的瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采混量、瓦斯抽采纯量，并于相邻的普通钻孔抽采效果进行比较。选择1112(1)轨输顺槽高抽巷第38、40为掏穴钻孔组，第37、41组为普通钻孔对比组。布置平面图如图5-22。剖面图如图5-23所示。其中：(1)第38、39、40采用掏穴钻孔； (2)第37、41、42组为普通钻孔；(3)钻孔开孔间距为0.7m*0.4m,终孔布置形式为5m*10m。

图1：掏穴钻孔布置平面图

图2：掏穴钻孔布置剖面图
掏穴钻孔抽采效果考察
采用掏穴钻孔后，大大增加煤层在钻孔的暴露面积，为瓦斯流动提供更大的空间。对采取掏穴钻孔增透后瓦斯抽采效果进行考察，分别对掏穴组钻孔(38组和40组)与普通组钻孔(37组和41组)瓦斯抽采浓度、抽采混量、抽采纯量进行比较。抽采系统负压稳定在15.4kpa。具体考察参数见表1表2。考察参数变化趋势见图1～图6。
表1：掏穴钻孔38组和普通钻孔37组考察参数对照表

图3：38组掏穴钻孔与37组普通钻孔单孔抽采浓度对比图

图4：38组掏穴钻孔与37组普通钻孔单孔抽采混量对比图

图5：38组掏穴钻孔与37组普通钻孔单孔抽采纯量对比图
通过表1和图3～图5可知：(1)普通钻孔的瓦斯抽采浓度为1.9%～4.4%，平均抽采浓度为3.1%；瓦斯抽采混量为0.19m3/min～0.31m3/min，平均抽采混量为0.25m3/min；瓦斯抽采纯量为0.00418m3/min～0.01147m3/min，平均抽采纯量为0.0078m3/min。(2)掏穴钻孔的瓦斯抽采浓度为4.1%～10.3%，平均抽采浓度为7.4%；瓦斯抽采混量为0.27m3/min～0.41m3/min，平均抽采混量为0.35m3/min；瓦斯抽采纯量为0.01394m3/min～0.03535m3/min，平均抽采纯量为0.0253m3/min。(3)掏穴钻孔与普通钻孔瓦斯抽采浓度比为1.22～2.93，平均抽采浓度提高2.4倍；瓦斯抽采混量比为1.04～2.05，平均抽采混量提高1.4倍；瓦斯抽采纯量比为1.28～4.34，平均瓦斯抽采纯量提高3.3倍。
结论：采取掏穴钻孔工艺后，大大增加了单孔的抽采面积，为瓦斯流动提供更大的空间，瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采混量、纯量都有提高，但由于11-2煤瓦斯含量低、透气性差，瓦斯抽采浓度依然很低，最高仅为10.3。
[参考文献]
[1]贺天,秦勇.煤层气勘探与开发利用技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,1995．
[2]傅雪海,赵庆波,叶建平,等.煤层气储气层与开发工程研究进展[M].徐州：中国矿业大学出版社,1995．
（作者单位：安徽理工大学能源与安全学院）