煤矿区煤层气（瓦斯）抽采 钻进技术与装备

石 智 军 研究员、博导

中国煤炭科工集团西安研究院

2013.5.27 ● 晋城

全国煤矿瓦斯抽采利用与通风安全技术现场会

提 纲

1

一、煤矿区煤层气资源开发概况

二、井下中硬煤层定向技术与装备

三、松软煤层中风压空气钻进技术与装备

四、地面远端对接井钻井施工技术与装备

一、煤矿区煤层气资源

开发概况

煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻进技术与装备

1.煤矿区煤层气开发利用的意义

煤层气是一种非常规天然气，开发煤矿区煤层气可实现优质能源的利用。

开发利用煤矿区煤层气是消除煤矿重大瓦斯事故的治本措施。

开发利用煤矿区煤层气可大幅降低温室气体排放，利于环保。

资源 安全 环保

我国是煤层气资源量大国，煤矿区煤层气开发是煤层气开发

的重要形式，具有节能、安全、环保、社会效益显著等特点。

煤体结构完整的中硬煤层煤矿区：晋城、阳泉、沁源，柳

林、焦坪、黄陵、彬长、华亭矿区，铁法、黄陇煤田、等，一

般采用采煤前地面预采、采煤中采动区开采和井下瓦斯抽放三

种开发方式。

2.煤矿区煤层气开发现状

构造煤发育的软煤层煤矿区：松藻、丰城、淮南、淮北、

平顶山、焦作、鹤壁、韩城等矿区，煤储层渗透率低，可抽性

差，较少采用地面预采的开发方式，通常多采用井下瓦斯抽放

方式和地面采动区井开发方式。

西回风道 西回风道

西火

药库

1#西

西翼

水仓

西翼

水仓

变电所

皮带检修通道

5#调车场回风联络巷

主撤架通道

辅撤架通道

X13015巷

X13011巷

辅助运输巷

机头

8#B11

C3C

11

C12

C13

C14

B16

C16

A16

4966

4966

2000

2000

5531

5531

5000

5000

α=180°

α=178°30'

α=178°30'

α=178°30'

α=178°30'

α=88°

30'

α=90°

α=88°

30'

撤带通道

1004

0907

补2

628.98283.70

6.13

560.696.10

624.48301.36

5.21

124

22630.00

22630.00

矸

0YH-071

YH-072

YH-094

10# 9#

7# 6#

5#

4#

3#

2#

1#

7#

11#

CS13

8#9#

6# 5#

4#

3#

2# 1#

1#2#3#4#5#6#

49

30

95

90

101

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

千米钻机位置(西900米,东500米)

1#2#

4#

6#

8#

12#

14#

17#

19#

22#

23#

24#

25#

21#

16#

22630.00

22630.00

α=178°30'

315.25

124

不返水

13#

掉杆22根

17#

瓦斯大 19#

50#

塌孔 53#

见空

矸

4#钻场

不返水

串孔

1#

10#不返水

见矸不返水

串孔

不返水

串孔

串孔 50#

不返水

不返水

串孔 不

返水

软煤

塌孔

软煤

软煤

软煤

66

米煤,

108

米矸

150全

煤

380

370

360

350

340

330

320

310

300

290

280

4#2008.11. 03

12#

13#

7#8#

14#

15#

16#

17#

SHX13012 SH

X13013 SHX13015

SHXW2301

2.煤矿区煤层气开发现状

煤矿区煤层气抽采量逐年提升，井下抽采量从2008年的23亿

m³增加到2012年的114亿m³；地面抽采量从2008年的4.4亿m³

增加到2012年的27亿m³。

2.煤矿区煤层气开发现状

3.煤矿区煤层气高效开发需解决的技术

井下中硬煤层长钻孔定向钻进装备及配套工艺开发；

井下松软煤层抽采钻孔钻进装备及配套工艺开发；

地面水平井技术与装备，包括分支水平井和定向羽状水平井

技术与装备的开发。

我国煤层气（瓦斯）开采存在的主要问题是: 中硬煤层

的高效抽采和软煤层的有效抽采。

二、井下中硬煤层定向

技术与装备

煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻进技术与装备

水平定向长钻孔是高效抽采井下煤层气（瓦斯）的主要技术途径。

钻进效率高

有效距离长

多分支孔

一孔多用

集中抽采

……

9

主要优点

1.定向钻进技术特点

10

配套钻进工艺 千米履带定向钻机 随钻测控仪器

专用定向钻具

2.定向钻进装备系统组成

定向钻机

2.定向钻进装备系统组成

中心通缆式高强度大通孔钻杆

中心通缆钻杆

2.定向钻进装备系统组成

YHD1-1000 便携式

YHD1-1000（A） 机载式

YHD2-1000 机载式

测量精度： 倾 角：±0.2° 方 位：±1.5° 工具面：±1.5°

随钻测量系统

2.定向钻进装备系统组成

定向钻进用于井下煤层气（瓦斯）抽采的四种形式

梳状定向钻孔抽采煤层气

顶板高位定向长钻孔抽采煤层气

集束型定向钻孔抽采煤层气

井上下联合抽采煤层气

3.定向钻进技术与装备的应用

集束型定向钻孔抽采瓦斯

集束型定向钻孔是指在一个钻场内施工多个多分支定向钻孔，

其主孔开孔点孔段相对集中，钻孔或分支孔方位呈扇型、花束

型展开或平行延伸，主孔深度也基本相同的钻孔集合体。

集束型定向钻孔结构示意图

3.定向钻进技术与装备的应用

集束型定向钻孔瓦斯抽采（宁夏汝箕沟煤矿）

32215工作面施工总进尺7000米，施工10个主孔，14个分支孔，最深孔

961m，平均钻孔深度大于700m，穿煤率100%。

工

作

面

长

度

较

长

集束型定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

保德煤矿五盘区81503综采工作面定向钻孔平面布置图 （钻孔平均深度达到800米以上，100m瓦斯抽采效率达到常规钻孔的5倍，瓦斯抽采浓度达到85%以上）

保德煤矿81306回撤通道2号钻场3#钻孔剖面示意图

（单孔最深达到1111.6m，开分支7次，探顶5次）

工

作

面

长

度

较

长

集束型定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

2011年8月大佛寺煤矿2#辅运大巷1#钻场4#钻孔 （孔深1212m，探顶两次，开分支5次。纯瓦斯流量达到8.27m³/min）

集束型定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

某矿每百米钻孔瓦斯抽采效果对比 某矿相同条件下工作面瓦斯抽采量对比

单孔瓦斯抽采量，随钻测量定向钻进装备施工钻孔瓦斯抽采量是常

规回转钻进装备的3-5倍。

整个工作面瓦斯抽采量，随钻测量定向钻进方法施工的钻孔覆盖的

工作面抽采量是常规回转钻进施工方法的3-4倍。

集束型定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

煤层硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用梳状钻孔进行瓦

斯抽采。梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工水平长钻孔，

并进行分支穿入煤层实现难成孔软煤层的瓦斯有效长期抽采。

梳状定向钻孔抽采瓦斯

顶板梳状定向钻孔示意图 底板梳状定向钻孔示意图

3.定向钻进技术与装备的应用

施工梳状定向钻孔分为前进式和后退式两种方式。

前进式梳状钻孔施工 后退式梳状钻孔施工

梳状定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

平

面

剖

面

-5

5

15

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

2#钻孔轨迹孔平剖面

-5

5

15

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

1#钻孔含分支孔8个，主孔最大孔深603m，分支孔最大孔深147m，总进尺1268m

2#钻孔含分支孔9个，主孔最大孔深603m，分支孔最大孔深135m，总进尺1371m

淮北朱仙庄煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图

梳状定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

焦作九里山煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图

（主孔深510m，梳状分支孔7个，试验总进尺848m ）

梳状定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

某煤矿工作面高位钻场煤层气抽采量曲线图

梳状钻孔1月中旬开始抽

采，截止5月底，共抽采煤

层气88173m3。抽采存量最

大3.32m3/min.

高位钻场1月初开始抽采，

截止5月底，共抽采煤层气

53887m3。

梳状钻孔抽采煤层效果较好，

能够满足煤矿井下松软煤层

煤层气抽采的需要。

某煤矿工作面梳状钻孔煤层气抽采量曲线图

梳状定向钻孔抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯

在219工作面灌浆行距回采面450m处完成定向钻孔5个，最大单孔深度408m，累计

进尺1380m，最大瓦斯抽采浓度达到64%，最大瓦斯纯流量达到1.8m³/min。（即

可以抽采采空区瓦斯，又可抽采采动影响区瓦斯）

铜川下石节煤矿高位定向长钻孔平面布置图 铜川下石节煤矿高位定向长钻孔瓦斯抽采原理图

采空区 工作面 钻场

3.定向钻进技术与装备的应用

井上下联合抽采瓦斯

煤矿井下集束定向钻孔群穿过

地面竖井压裂区域，利用集束

型定向钻孔在井下排水并进行

水位控制，地面竖井进行煤层

气无动力抽采，实现采气、排

水分离作业，形成地面、井下

煤层气立体化抽采模式。

煤层气地面、井下立体化抽采示意图

煤层气地面、井下立体化抽采剖面图

3.定向钻进技术与装备的应用

目标直井（YH-075）是一口取芯生产井，

2008年8月3日完井，完井深度为505.90m，

完井方式为射孔压裂，钻井的是一方面是

获取储层资料，另一方面是开发利用3#煤

层的煤层气、降低煤层瓦斯含量。

YH-075井于2009年4月开始产气，最

初日均产气量为750m³左右；2009年9

月后日均产气量达到3000m³以上；

2012年4月以来，日均产气量维持在

3500m³至4000m³之间。

YH-075排采井场

YH-075产气历史数据

井上下联合抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

井下定向孔水平面内实钻轨迹

井下定向孔剖面实钻轨迹

井下水平定向孔施工钻场位于

寺河矿西盘区W23014巷与W2301

工作面辅撤交汇处；试验孔5月

10日开孔，通过注水泥浆方式

固定钢质封孔管，封孔长度

9.0m；5月13日终孔，最大主孔

深度252m，分支孔6个，总进尺

536m。

井上下联合抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

日 期 日产气量m³/d

5月10日 17:00 — 5月11日 17:00 3928 5月12日 17:00 3761 5月13日 17:00 3844 5月14日 17:00 2453 5月15日 17:00 3358 5月16日 17:00 4465 5月17日 17:00 4833 5月18日 17:00 4760 5月19日 17:00 4287 5月20日 17:00 4583 5月21日 17:00 4378 5月22日 17:00 4483

井下定向钻孔与地面直井压裂区贯通后，由于井

下负压抽吸，地面直井的产气量下降；井下钻孔

封闭终孔后，地面直井日均产气量逐步达到了

4200m³以上，产气量平均增幅达到了20%左右。

井上下联合抽采瓦斯

3.定向钻进技术与装备的应用

三、松软煤层中风压空气钻

进技术与装备

煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻进技术与装备

中风压空气钻进技术借助小体积大功率钻机，以独立防爆空

压机作为风源，配合宽矮叶片螺旋钻杆以复合方式排渣；利

用多级无力动力源除尘

器解决孔口粉尘污染问

题；施工到预定孔深后，

通过大通孔钻杆和脱芯

钻头下入筛管护孔，防

止孔壁坍塌影响瓦斯抽

采效果。

1.松软煤层中风压空气钻进技术原理

防爆空压机 宽叶片螺旋钻杆

流量计 履带式钻机 孔口除尘器

孔口密封器

中风压空气钻进成套装备

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

宽叶片能够实现机械拧卸

钻杆，减轻工人劳动强度

叶片搅动钻孔内沉粉，提

高排粉效果

大通孔，减小过风阻力，

为下入大直径筛管提供通

道

钻杆内径达到了50mm，可

满足筛管下放

宽叶片螺旋钻杆

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

钻头由内芯和钻头体两部分组成。

内芯在筛管作用下与钻头体分离。

残留内芯尺寸对采煤没有影响。

配套钻头

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

可脱式钻头 一字铰接内芯可开闭式钻头

钻头内芯采用铰接，可侧向张开。

内芯与钻头不分离。

对采煤没有影响。

排气量 m3/h 1050

排气压力MPa 1.25

排气温度℃ ≤80

电机功率kW 132

重 量kg 3850

空压机技术参数

钻进用风为断续用风，空压机频繁加载，降低了空压机可靠性和寿命。

空压机安装在主巷道，利用专用输风管路作为储气罐，形成稳压系统。

防爆空压机

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

利用排粉的残余风压作为动力，结

构简单、安全可靠

采用惯性、水浴、文丘里除尘原理

，按照大中小的顺序逐级分离钻屑，增

强除尘效果

检测位置 检测数值

单位 开启前 开启后

钻机操作台处 145 10

下风向5m处 465 8.3 mg/m3

下风向10m处 457.5 7.2

除尘器开启前后粉尘浓度实测数据

实物照片

三级无动力源孔口除尘器

除尘器

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

选用阻燃、抗静电的聚氯乙烯管

质量轻、强度高，拉伸强度≥35MPa

性能符合MT558.2标准要求

筛眼直径Φ10mm，间距200mm，四排，孔眼

呈梅花型

整体式筛管 插接式筛管

阻燃式筛管

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

筛管局部示意图

筛管固定装置

2.松软煤层中风压空气钻进装备组成

重量轻，结构简单，安装与操作方便。

满足固定护孔筛管强度的需要。

可单个使用或多个串接，联接方式灵活。

筛管固定装置

筛管固定装置工作状态

39 钻杆内孔安设筛管护孔技术

筛管置留在孔内， 有效解决钻孔坍塌影响

抽采效果的难题

钻进到预定孔深

由钻杆内孔下入筛管

顶掉钻头内芯

提拔钻具

3.松软煤层中风压空气钻进护孔技术

40

4.松软煤层中风压空气钻进技术应用

不同护孔筛管深度平均单孔流量随抽采时间变化对比表

孔号 筛管 深度

抽采5天 m³/min

抽采10天m³/min

抽采15天m³/min

抽采20天 m³/min

抽采25天m³/min

抽采30天m³/min

平均抽采 m³/min

115# 65m 0.15 0.13 0.08 0.08 0.06 0.05 0.09

95# 118m 0.18 0.16 0.16 0.13 0.12 0.11 0.14

不同护孔筛管深度单孔预抽达标时间对比表

孔号 护孔筛管深度(m)

单孔布置范围内瓦斯总量

（m³）

预抽率（%）

单孔需抽采瓦斯量（m³）

单孔平均流量 （m³/min）

单孔平均日抽采量（m³）

抽采 天数

115# 65 17371 30 5211

0.09 129 40

95# 118 0.14 201 26

煤层气（瓦斯）抽采对比

四、地面远端对接井钻井

施工技术与装备

煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻进技术与装备

直

井

丛

式

井

羽

状

分

支

井

远

端

对

接

井

1.地面钻井常用开发模式

2.地面远端水平对接井钻进工艺技术特点

1-拐弯钻孔垂直段

2-拐弯钻孔造斜段

3-拐弯钻孔水平对接段

4-洞穴前水平分支孔

5-洞穴后水平分支孔

6-洞穴后水平延伸段

7-垂直孔

8-煤层段洞穴

●分支孔增加了孔组煤层气有效供给面积、扩大了排水降压的波及

范围和煤层气有效解吸区，提高煤层气抽采效果。

●远端对接连通为修井创造了有利条件，增加孔组有效产气时间。

3.地面远端水平对接井钻进工艺配套装备

车载钻机 型号 MDY-60型全液压车载钻机

名义钻井深度 600m(孔径311mm)

最大提升力 60t

井架伸出时高度 21.5m

井架缩回时高度 14m

柴油机

型号 康明斯QSK19

功率 563kW

转速 1800rpm

液压系统 工作压力

动力头旋转系统 28MPa

快速升降系统 28MPa

辅助液压系统 21MPa

动力头 最大输出扭矩 12kN.m

最大输出转速 140rpm

空压机

型号 阿特拉斯.科普柯ORX12

排气量 35m3/min

排气压力 3.0MPa

整车运输尺寸 13.8m×2.85m×4.3m

整车重量 60t

项 目 参 数

给进系统 提升力 90.7 (t) 下压力 18.1 (t)

回转系统 最大扭矩 23 (kN·m)

转速 0-180 (r/min)

发动机功率 760 (HP)

桅杆净空行程 15.24 (m)

工作台最大工作高度 2.41 (m)

工作台最大通径 768 (mm)

动力头通孔孔径 105 (mm)

外形尺寸 15.5×2.55×4.3(m)

3.地面远端水平对接井钻进工艺配套装备

车载钻机

RMRS系统原理示意图

钻具组合：

钻头＋永磁短节＋定向螺杆

马达＋无磁钻挺＋MWD＋钻杆。

RMRS系统软件界面

旋转磁测距系统(RMRS)

3.地面远端水平对接井钻进工艺配套装备

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

沁水盆地潘庄区块“U”型对接井

晋城矿区寺河煤矿

SHU2/SHU3孔位平面图

深度250m，两井口水平距离557m，煤层中长度910m

晋城矿区寺河煤矿

SHU2/SHU3孔井身结构示意图

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

该井组2011年2月底开始排采产气，最高日产气量超过21000m3，截止

2013年1月累计产气达399万m3。

沁水盆地潘庄区块“U”型对接井

DFS-C

04

井组

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

大佛寺矿“U”型对接井

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

大佛寺矿“U”型对接井

孔 号 垂 深 （m）

一开 二开 三开

孔深 （m）

钻头尺寸（mm）

套管尺寸（mm）

孔深 （m）

钻头尺寸（mm）

套管尺寸（mm）

孔深 （m）

钻头尺寸（mm）

DFS-C04-H1 483.5 159.49 311.15 244.5 536.2 215.9 177.8 1412.73 149.2

DFS-C04-H2 500.5 179.22 311.15 244.5 576.0 215.9 177.8 1396.0 149.2

DFS-C04-V1 576.0 180.0 311.15 244.5 576.0 215.9 177.8

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

大佛寺矿“U”型对接井

施工现场及对接瞬间

52

2012年7月-

2013年4月在晋

城寺河矿东五、

东四盘区施工的

两组煤层气水平

对接井，每个井

组由3口水平井

与1口直井对接。

2013/5/

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

寺河矿加密“U”型对接井

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

寺河矿加密“U”型对接井

孔号 垂 深 （m）

一开 二开 三开

孔深 （m）

钻头尺寸 （mm）

套管尺寸 （mm）

孔深 （m）

钻头尺寸 （mm）

套管尺寸 （mm）

孔深 （m）

钻头尺寸（mm）

SH-U2-1 379.00 12.80 311.15 244.5 479.13 215.9 177.8 971.69 149.2

SH-U2-2 456.00 49.70 311.15 244.5 490.17 215.9 177.8 1059.14 149.2

SH-U2-3 450.00 34.00 311.15 244.5 460.15 215.9 177.8 1098.89 149.2

SH-U2-4 534.00 33.45 311.15 244.5 479.00 215.9 177.8 534.00 152.4

54

两组井累计完井井深

6046.49m，累计煤层进尺

3229.49m。 SH-U2井组3口

水平井下入φ50mm筛管累计

长度达1366m。SH-U1井组自

2012年12月开始排采，截至

2013年5月初累计产气量超

过275万m3。 2013/5/

4.地面远端水平对接井钻进工艺技术应用

寺河矿加密“U”型对接井

敬请各位专家指正