煤礦井下定向鉆孔超長套管下放技術(shù)

白 剛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

0 引言

瓦斯抽采是煤礦區(qū)域瓦斯治理及實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的關(guān)鍵技術(shù)，由于我國煤層透氣性普遍較低，常常面臨煤層瓦斯抽采率低、鉆孔有效影響范圍小、鉆孔抽采濃度衰減快等問題，嚴(yán)重制約礦井采掘接替［1-3］。選擇合適的方法對(duì)煤層進(jìn)行增透，提高瓦斯抽采率，是近年來高瓦斯突出礦井瓦斯抽采的主要發(fā)展方向［4-5］。水力壓裂作為一種有效的、應(yīng)用前景廣泛的煤層增透技術(shù)，近年來在我國平頂山、焦作、淮南、陽泉、黃陵等礦區(qū)得到應(yīng)用，但目前大多是在煤礦井下常規(guī)穿層鉆孔和順層抽采鉆孔中應(yīng)用，鉆孔長度及壓裂影響范圍有限，且存在封孔不嚴(yán)實(shí)、壓裂漏水等問題。將定向鉆孔工藝與水力壓裂技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)長鉆孔整體壓裂，增透效果較好，有利于實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯區(qū)域整體卸壓、高效抽采［6-8］。

定向鉆孔孔口套管順利下放、封孔合格是水力壓裂成功的前提與關(guān)鍵。套管下入深度要根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆遇地層情況、水力壓裂工藝等要求而定［9-10］。國內(nèi)很多工程實(shí)踐均探索研究了下套管工藝，取得了相應(yīng)的應(yīng)用效果。孫新勝等［11-12］研究了順煤層瓦斯抽采鉆孔快速下套管技術(shù)及探放水鉆孔保直鉆進(jìn)下套管技術(shù)，張海慶［13］提出本煤層雙套管瓦斯抽采技術(shù)，鄧明明［14］研究了全孔深大孔徑插接花管瓦斯抽采技術(shù)?？傮w來看，目前本煤層常規(guī)鉆孔下套管及封孔技術(shù)比較成熟，定向鉆孔長距離下套管技術(shù)尚不完善，尤其與整體式水力壓裂工藝結(jié)合起來的定向鉆孔套管下放技術(shù)，目前的研究較少。基于此問題，筆者結(jié)合陽泉礦區(qū)碎軟低透煤層長鉆孔整體水力壓裂工程實(shí)踐，探索研究水力壓裂定向鉆孔超長套管下放技術(shù)，為類似工程施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為陽泉新景礦，鉆孔終孔及水力壓裂的目標(biāo)煤層為山西組3號(hào)煤層，平均厚度為2.25 m，受到構(gòu)造應(yīng)力的影響，煤層碎軟，煤體破壞類型屬Ⅲ、Ⅳ類。3號(hào)煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，老頂為發(fā)育穩(wěn)定的細(xì)粒砂巖，其平均厚度為6.17 m，直接底為約2.5 m厚的砂質(zhì)泥巖。

3號(hào)煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa，屬于突出煤層，且透氣性差，煤層中瓦斯較難抽采，嚴(yán)重制約了煤礦的采掘接替。

2 水力壓裂定向鉆孔布置及下套管要求

為了提高瓦斯抽采效果，通過在底抽巷布置鉆場(chǎng)，從底板開孔，向上部3號(hào)煤層施工穿層定向長鉆孔，見煤后鉆孔軌跡順目標(biāo)煤層延伸，并通過鉆孔向煤層內(nèi)注入高壓水介質(zhì)進(jìn)行壓裂，達(dá)到增大煤層透氣性的目的。

針對(duì)3號(hào)煤層儲(chǔ)層物性和鉆孔布置方式，采用封隔器快速封孔方式進(jìn)行整體水力壓裂。由于3號(hào)煤底板以砂質(zhì)泥巖為主，且底抽巷施工過較多穿層鉆孔，鉆場(chǎng)周圍巖層裂隙較多，為了防止壓裂過程巖層漏水，保護(hù)頂部南五正、副巷安全，須在巖孔段全部下入套管，并在套管內(nèi)進(jìn)行封隔器坐封、試壓。

定向鉆孔剖面軌跡示意圖如圖1所示。

圖1 水力壓裂定向鉆孔剖面軌跡示意Fig.1 Schematic diagr am of the hydr aulic fractur ing dir ectional bor ehole tr ajector y

3 超長套管下放技術(shù)難點(diǎn)及改進(jìn)措施

開孔段軌跡不平滑、偏斜較大，造斜段鉆孔曲率過大，套管與鉆孔孔壁間隙過小，孔內(nèi)沉渣較多、摩阻大，是導(dǎo)致套管下放深度受限及成功率低的主要原因，且人工下套管費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，深度超過100 m就較難實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述問題，提出了4種改進(jìn)措施，以保證超長套管能夠順利下入。

3.1 保直鉆進(jìn)技術(shù)

開孔段一般采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，但鉆孔軌跡偏斜較大。采用保直鉆具組合，將穩(wěn)定器布置在鉆頭后端與鉆桿之間，穩(wěn)定器外徑與鉆頭直徑相當(dāng)，起到支點(diǎn)的作用，使整個(gè)鉆具達(dá)到“剛、直”的效果，從而實(shí)現(xiàn)保直鉆進(jìn)，保證孔口段套管能夠順利下入。穩(wěn)定器的長度、數(shù)量及組合形式可根據(jù)地層情況及鉆具級(jí)配適當(dāng)調(diào)整，穩(wěn)定器保直鉆具組合示意圖如圖2所示。

根據(jù)套管規(guī)格及施工要求，一般先進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，再進(jìn)行多級(jí)擴(kuò)孔，保證套管下放有足夠大的環(huán)空間隙。常用的保直鉆具及穩(wěn)定器規(guī)格級(jí)配見表1。

圖2 穩(wěn)定器保直鉆具組合示意Fig.2 Schematic diagram of the straight-drilling assembly with stabilizers

3.2 鉆孔造斜段曲率控制技術(shù)

套管在彎曲孔段的下放深度與套管管體彎曲曲率、套管直徑與鉆孔孔徑、套管長度、鉆孔彎曲曲率等因素有關(guān)。其中套管彎曲曲率影響因素包括鋼材彈性模量、屈服強(qiáng)度。鉆孔彎曲曲率受施工過程造斜儀器及鉆進(jìn)參數(shù)等控制。

表1 保直鉆進(jìn)常用穩(wěn)定器及鉆具級(jí)配Table 1 Common stabilizers and drilling tool sizes for straight drilling

通過查閱資料，借鑒美國石油協(xié)會(huì)（API）和國際鉆井承包商協(xié)會(huì)（IADC）推薦的公式、以及我國學(xué)者韓志勇等提出的經(jīng)驗(yàn)公式［15］，地面鉆井用套管可通過的最大井眼曲率一般為15°/30 m～20°/30 m，該數(shù)值大小受套管螺紋連接強(qiáng)度、套管承受的軸向應(yīng)力等因素控制。煤礦井下各類定向鉆孔常用的套 管 規(guī) 格 為?168/?146/?127/?108 mm，壁 厚4.5～6.5 mm，材質(zhì)為DZ40/DZ50鋼管，單根長度一般為1.5～3 m。方俊等［16］、王建軍等［17］通過建立套管下放的剛性模型和彈性模型，進(jìn)行了分析研究，得出煤礦井下常用套管最大允許彎曲曲率一般不超過0.3°/m。

綜上考慮，在定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，將造斜段彎曲曲率控制在0.7°/3 m～0.9°/3 m為宜（鉆桿單根為3 m）。鉆進(jìn)過程中，選擇造斜強(qiáng)度適中（≤1.25°）的螺桿馬達(dá)，嚴(yán)格控制鉆機(jī)給進(jìn)壓力、泵量等參數(shù)，避免鉆進(jìn)速度忽快忽慢而導(dǎo)致軌跡偏斜；調(diào)整工具面向角時(shí)，要盡量釋放鉆桿反扭矩、減少因其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角度誤差；造斜孔段避免出現(xiàn)傾角和方位角參數(shù)同時(shí)變化，以減小孔內(nèi)阻力，利于長距離套管的下放。

3.3 鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鉆桿下放技術(shù)

加工改造了一種轉(zhuǎn)換接頭（如圖3所示），一端連接套管、另一端連接主動(dòng)鉆桿，利用鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆桿將套管送入孔內(nèi)，替代傳統(tǒng)人工推送下套管。同時(shí)在套管最前端連接套銑鉆頭，如孔內(nèi)阻力較大時(shí)，可適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿及套管，通過套銑鉆頭研磨孔內(nèi)巖屑，并且在鉆桿末端可連接泥漿泵管線，利用高壓沖洗液將孔底巖屑沖出，減小孔內(nèi)阻力，可實(shí)現(xiàn)套管長距離下放。

圖3 套管與鉆桿轉(zhuǎn)換連接示意Fig.3 Schematic diagram of the casing to drill pipe adaptor

3.4 套管導(dǎo)正技術(shù)

一般情況，在自重的作用下，套管在孔內(nèi)會(huì)存在“托底”的趨勢(shì)，隨著下入距離的增加，該趨勢(shì)更加明顯，從而導(dǎo)致套管與孔壁間隙變小、阻力增大，甚至?xí)龅綆r屑堆積而使套管難以下入的情況。地面油氣鉆探中，導(dǎo)正器指的是為確保下入的套管柱居于井筒中心而在套管外表面安裝的剛性并富有彈性的扶正構(gòu)架，應(yīng)用廣泛且技術(shù)成熟。煤礦井下各類鉆孔要求套管下入深度一般較淺，下套管工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，目前針對(duì)煤礦井下長距離鉆孔套管導(dǎo)正技術(shù)的研究及應(yīng)用較少。筆者結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，嘗試通過在套管表面焊接導(dǎo)正條的方式，以期達(dá)到套管導(dǎo)正的作用。

考慮到焊接可能對(duì)套管壁造成損傷，選用了壁厚8.5 mm的加厚鋼材。采用較小的焊接電流、較快的焊速、焊接前先進(jìn)行點(diǎn)固焊等特殊工藝來防止焊接過程套管壁被燒穿或受損傷。使用前對(duì)套管進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)，確保焊縫處無明顯裂紋及缺陷。另外，對(duì)焊接條的形態(tài)、性質(zhì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。直條強(qiáng)度高、剛性大，但對(duì)于孔內(nèi)有沉渣的情況則容易增加下放阻力。螺旋條強(qiáng)度及剛度相對(duì)略小，但套管下放時(shí)稍帶旋轉(zhuǎn)可增加排渣能力，更適用下斜孔段。本次工程試驗(yàn)下套管孔段為上仰形態(tài)，孔內(nèi)沉渣較少，故選用直條導(dǎo)正。

在套管表面均勻焊接3個(gè)導(dǎo)正塊，長度為500 mm、寬度為20 mm、高度為10 mm，起到使套管導(dǎo)正、居中的作用。如每根套管都焊接導(dǎo)正塊，則會(huì)使套管的彎曲曲率減小，不利于在造斜孔段下放。實(shí)際應(yīng)用中，每間隔5～10根可使用一根帶導(dǎo)正塊的套管，有利于減弱“托底”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)套管導(dǎo)正的目的。套管導(dǎo)正塊布置如圖4所示。

圖4 套管導(dǎo)正塊布置示意Fig.4 Placement of casing centralizers

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在新景礦南五底抽巷共設(shè)計(jì)施工4個(gè)水力壓裂定向穿層鉆孔，要求在鉆孔見煤點(diǎn)之前巖孔段全部下入壁厚8.5 mm、外徑146 mm的地質(zhì)鋼套管。定向鉆孔設(shè)計(jì)長度450～500 m，其中巖孔段150～180 m，鉆孔孔徑193 mm；煤層段300～320 m，鉆孔孔徑120 mm。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 水力壓裂定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design par ameters of dir ectional bor eholes for hydraulic fracturing

Y-3孔鉆進(jìn)時(shí)開孔段及后期擴(kuò)孔時(shí)未使用保直鉆具，導(dǎo)致軌跡偏斜較嚴(yán)重，巖孔造斜段距離短、平均造斜曲率達(dá)到0.42°/m，導(dǎo)致套管下深至113 m處阻力過大、鉆機(jī)系統(tǒng)壓力及扭矩升高，無法繼續(xù)下入。套管末端至見煤位置有29 m的巖層較破碎，后期施工過程該段巖層反復(fù)塌孔、掉塊、卡鉆，導(dǎo)致大量煤、巖屑堵塞，返水不暢，繼續(xù)鉆進(jìn)極其困難，在孔深192 m時(shí)停止施工?？紤]到裸露巖孔段較長、且破碎，煤層段距離太短，未對(duì)該孔進(jìn)行水力壓裂。

后續(xù)施工Y-4、Y-1及Y-2鉆孔時(shí)，先導(dǎo)孔采用?120 mm鉆頭+?89 mm接手（0.4 m）+?114 mm扶正器（0.5 m）+?89 mm鉆桿（1.5 m）+?114 mm扶正器（0.5 m）+?89 mm鉆桿（1.5 m）+?114 mm扶正器（0.5 m）+?89 mm鉆桿（3 m）的保直鉆具組合。多級(jí)擴(kuò)孔時(shí)采用?120/?153 mm擴(kuò)孔鉆頭+? 151 mm扶正器（1 m）+?89 mm鉆桿（3 m）及? 153/?193 mm擴(kuò)孔鉆頭+?191 mm扶正器（1 m）+?89 mm鉆桿（3 m）的保直鉆具組合，經(jīng)過測(cè)量鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，開孔段前60 m鉆孔傾角和方位角偏差控制在±1.5°，滿足保直鉆進(jìn)的施工要求。

另外對(duì)鉆孔造斜段軌跡重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，施工過程實(shí)時(shí)調(diào)整造斜段距離、造斜曲率并嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，將平均造斜曲率控制在0.25°/m以內(nèi)。對(duì)下套管工藝進(jìn)行改進(jìn)，在套管表面焊接導(dǎo)正塊，采取主動(dòng)鉆桿+套銑鉆頭方式推送套管，3個(gè)鉆孔均順利將套管下至見煤點(diǎn)位置。套管最長下深達(dá)到168 m，長度均超過150 m，套管下放成功率達(dá)100%。

鉆孔實(shí)鉆參數(shù)及套管下放情況如表3所示。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，以上改進(jìn)措施有效、實(shí)用，不僅提高了超長套管下放成功率，還縮短了下套管時(shí)間，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，平均工效由5.5 m/h最大提高至13.1 m/h。超長套管的順利下放，確保了巖孔段的穩(wěn)定及水力壓裂封隔器的坐封安全、合格，為整體式水力壓裂成功實(shí)施提供保障。

表3 水力壓裂定向鉆孔實(shí)鉆參數(shù)及套管下放統(tǒng)計(jì)Table 3 Actual directional drilling parameters and casing running data for hydraulic fracturing

5 結(jié)論

（1）針對(duì)超長套管下放受限及成功率低的問題，提出保直鉆進(jìn)、造斜段曲率控制、鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鉆桿下放及套管導(dǎo)正技術(shù)措施。

（2）采用穩(wěn)定器保直鉆具組合，60 m深度以內(nèi)鉆孔軌跡偏斜較小，傾角和方位角偏差可控制在±1.5°范圍，滿足保直鉆進(jìn)的要求。通過對(duì)造斜鉆具的優(yōu)選、鉆進(jìn)參數(shù)的控制，將造斜孔段曲率保持在0.25°/m以內(nèi)，滿足了長距離套管下放的要求。

（3）在新景礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完成3個(gè)定向鉆孔超長套管下放，最大下放深度達(dá)168 m，同時(shí)縮短了下套管時(shí)間，平均工效由5.5 m/h最大提高至13.1 m/h。驗(yàn)證了超長套管下放技術(shù)的可行性，為整體式水力壓裂成功實(shí)施提供了基礎(chǔ)與保障。