地面直井大流量水力壓裂消突在新景礦的應(yīng)用

高 建 軍

（陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

表1 所示。

陽煤集團(tuán)新景礦位于陽泉市境內(nèi)，井田東部與三礦二號(hào)井相連，西部與七元礦相連，北部與一礦井田相連，礦區(qū)井田出露地層主要為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，下統(tǒng)下石盒子組，山西組及石炭系太原組、本溪組。其中，山西組與石炭系太原組分布范圍較大，煤層厚度穩(wěn)定，煤層總厚度為18.13m，含煤系數(shù)10.61%，山西組平均總厚度為62.55m，含煤總厚度4.53m，含煤系數(shù)7.24%；太原組總厚度為114.58m，含煤總厚度13.60m，含煤系數(shù)11.87%。井田區(qū)域全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層為3#、15#煤層，部分可采的較穩(wěn)定煤層為8#、9#煤層，局部可采的不穩(wěn)定為煤層6#、8#、12#與13#煤層。目前，新景礦主要對(duì)8#煤層進(jìn)行煤回采，8#煤層南、北回風(fēng)大巷以及輔運(yùn)大巷在掘進(jìn)過程中，瓦斯突出危險(xiǎn)性較大，掘進(jìn)工作面推進(jìn)速度慢，為消除瓦斯突出危險(xiǎn)隱患，提高掘進(jìn)效率，擬于地面施工3 組煤層氣立井，利用大流量水力壓裂煤層的方法，預(yù)抽煤層瓦斯，確保掘進(jìn)作業(yè)的安全性。鉆孔基本數(shù)據(jù)如

表1 鉆孔基本數(shù)據(jù)表

2 鉆井施工設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤層氣立井采用潛孔錘施工工藝，采用二級(jí)井身結(jié)構(gòu)，一開采用規(guī)格為Φ311.1mm 的鉆頭，鉆穿第四系風(fēng)化層，至穩(wěn)定地層10m 左右，預(yù)計(jì)井深20m，固井水泥返至地面；二開采用規(guī)格為Φ215.9mm 的鉆頭，鉆至15#煤層底板以下30m 位置處，預(yù)計(jì)井深639～739m，固井水泥返至3#煤層頂板以上300m 位置處，套管采用鋼級(jí)J55 煤層氣專用套管，下套管時(shí)，套管接箍避開每一目的煤層段。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

表2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2 井身質(zhì)量要求

1）煤層氣井的地層測(cè)試和排采需保證井壁的規(guī)整性、光滑性、穩(wěn)定性[1]，本次鉆進(jìn)施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：鉆井最大井斜≦2°，井底最大水平位移≦20m；

2）一開全角變化率≤1.2°/25m，井徑擴(kuò)大率%20%；

3）二開全角變化率≤1.3°/25m，井徑擴(kuò)大率%20%。

2.3 鉆具組合

2.3.1 車載鉆機(jī)RD20Ⅱ

1）一開鉆具組合：規(guī)格為Φ311.15mm 的三牙輪鉆頭（或Φ311mm 潛孔錘）+Φ159mm 鉆鋌×4+Φ114mm 鉆桿串。

2）二開鉆具組合：規(guī)格為Φ215.9mm 三牙輪鉆頭（PDC 鉆頭）+（Φ214mm 螺旋扶正器+Φ159mm 鉆鋌）×4+Φ114mm 鉆桿。

2.3.2 TSJ-2000 水源鉆機(jī)

1）一開鉆具組合：規(guī)格為Φ311.15mm 的三牙輪鉆頭鉆頭+Φ178mm 鉆鋌×2+Φ110mm 的方鉆桿。

2）二開鉆具組合：規(guī)格為Φ215.9mmPDC 鉆頭+Φ178mm 鉆鋌×4+127mm 鉆桿+110mm 方鉆桿。

2.4 鉆井液選取

為確保井壁的成型與穩(wěn)定性，考慮到環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造與鉆井施工的方便性，在對(duì)第四系地層進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，選用高粘度、大比重的鉆井液，對(duì)煤系上覆地層段進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，采用低固相鉆井液[2]，對(duì)目的煤層段進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，選用清水或其它密度≦1.05g/cm3的鉆井液。根據(jù)本鉆井的地質(zhì)構(gòu)造，確定一開井段鉆井液為粘土相泥漿或空氣和泡沫，二開井段鉆井液為低固相或無固相鉆井液體，選用中性清水配制，確保鉆井液的密度≦1.05g/cm3。

2.5 鉆進(jìn)參數(shù)

為確保井壁的規(guī)整性與穩(wěn)定性，一般在上部地層打設(shè)鉆孔時(shí)，選用高轉(zhuǎn)速、中等鉆壓的鉆機(jī)參數(shù)設(shè)置，在下部地層打設(shè)鉆孔時(shí)，選用低轉(zhuǎn)速、高鉆壓的鉆機(jī)參數(shù)設(shè)置，鉆進(jìn)煤層時(shí)，由于煤層質(zhì)地松軟，需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、鉆壓以及排量，確保井壁的穩(wěn)定成型[3-4]，本次鉆探設(shè)計(jì)的鉆井參數(shù)如表3 所示。

表3 鉆井參數(shù)表

3 固井設(shè)計(jì)

3.1 套管柱設(shè)計(jì)

通過對(duì)鉆井過程中各種載荷的計(jì)算，選用鋼級(jí)為J55，規(guī)格為Φ244.5mm×8.94mm 套管作為表層套管，深度以鉆穿風(fēng)化層進(jìn)入穩(wěn)定地層10m 為準(zhǔn)，表層套管頂部與地面平齊；選擇鋼級(jí)為J55，規(guī)格為Φ139.7 mm×7.72mm 套管作為生產(chǎn)套管，深度以15號(hào)煤層下30m 為準(zhǔn)，生產(chǎn)套管距底面距離≦0.3m。套管柱設(shè)計(jì)參數(shù)如表4 所示：

表4 套管柱設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 固井施工

一開區(qū)段鉆施工結(jié)束后，輸送表層套管，使用平均密度為1.85 g/cm3G 級(jí)石油固井水泥對(duì)地表疏松區(qū)域進(jìn)行封固，二開區(qū)段鉆施工結(jié)束后，輸送生產(chǎn)套管，，使用平均密度＜1.85 g/cm3的G 級(jí)石油固井水泥封固井底至3#目的煤層上部200m 位置處，固井結(jié)束后侯凝48 h 試壓[5]，試壓壓力為20MPa，確保試壓過程中30min 內(nèi)壓降＜0.5MPa。根據(jù)鉆井施工情況，設(shè)計(jì)表層套管固井施工與生產(chǎn)套管固井施工的的水泥使用量情況如表5 所示。

表5 固井水泥使用量

4 壓裂施工

根據(jù)礦井區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，在固井施工完成后，采用大流量水力壓裂目標(biāo)煤層的方法，地面預(yù)抽目標(biāo)煤層瓦斯，壓裂施工作業(yè)過程中，用活性水循環(huán)主壓車，令循環(huán)液返回至大罐，地面高壓管井及口試壓為50MPa，測(cè)試穩(wěn)壓3min，液體不發(fā)生滲漏確定為合格，施工作業(yè)限壓為45MPa。

各鉆井壓裂設(shè)計(jì)施工參數(shù)為：

1）壓裂層位：8 號(hào)煤層；井段位置：547.5～550.0m；厚度：2.5m；

2）注入方式：光套管注入；

3）壓裂井口類型：KQ-700 型；

4）液體類型：1050m3的活性水，添加1%KCL 溶液；支撐劑規(guī)格（目）：20/40；粒徑：0.425～0.850mm。

射孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表6 所示。

表6 射孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

5 結(jié) 語

針對(duì)陽煤集團(tuán)新景礦巷道掘進(jìn)施工過程中瓦斯突出，影響掘進(jìn)速度的難題，采用地面立井大流量水力壓裂消突技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行增透消突，同時(shí)對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過預(yù)抽排煤層瓦斯，消除了南、北回風(fēng)大巷以及輔運(yùn)大巷瓦斯突出危險(xiǎn)性，掘進(jìn)期間，各掘進(jìn)巷道鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值一直保持在0.6 cm3/（g.min1/2）之間，掘進(jìn)速度明顯提高，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了礦井巷道高效、安全掘進(jìn)的目標(biāo)。