井地聯合壓裂長鉆孔技術實踐

趙學良

（山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048000）

兩淮、重慶、云貴等礦區[1-4]煤層松軟、透氣性差，瓦斯含量及壓力大，通過底抽巷施工穿層鉆孔，并在底抽巷內布置壓裂設備進行煤層水力壓裂，取得了較好的效果。在晉城礦區，通過地面壓裂[5-6]對煤層增透，地面壓裂發揮場地優勢，排量大、壓裂影響范圍廣。地面壓裂后采用正壓排采的方式開發利用煤層瓦斯，井下壓裂進行的是小排量、分段壓裂，壓裂后采用的是負壓抽采瓦斯[7-10]。以寺河礦廢棄預抽井為壓裂通道，通過耐高壓管路連接地面大型壓裂設備對井下100～150 m鉆孔進行一次性整段壓裂試驗，驗證井地聯合壓裂技術可行性。

1 井地聯合壓裂區域及技術概況

寺河礦西井區煤層絕對瓦斯涌出量10.9～22.8 m3/min，在開采煤層的下部10 m布置巖巷，在巖巷鉆場內使用千米鉆機向上施工鉆孔進行瓦斯預抽以掩護上部煤層巷道掘進。為了提高瓦斯抽采效率，復用該區域已經廢棄的地面預抽井，在地面預抽井及巖巷內布置壓裂管路，連接地面壓裂設備與本煤層長鉆孔，對煤層長鉆孔進行壓裂。井地聯合壓裂系統示意圖如圖1。

2 井地聯合壓裂關鍵技術簡介

2.1 壓裂裝備及材料介紹

煤層的起裂壓力一般為20～30 MPa，井地聯合壓裂管路長，局部阻力及摩擦阻力大，對地面壓裂設備能力及連接管路要求高，所選的壓裂裝備及管路參數見表1和表2。

圖1 井地聯合壓裂系統示意圖

表1 壓裂及輔助設備車輛名稱及數量

表2 耐高壓管路技術參數

2.2 井下長鉆孔施工及封孔工藝

在煤層下部巖巷使用千米鉆機向上施工穿層鉆孔進入待開采煤層。

1）鉆孔具體施工過程。直徑165 mm組合鉆頭開孔至12 m，然后退桿→直徑200 mm鉆頭擴孔至4 m→孔內放入直徑193 mm封孔管、注漿封孔、水泥凝固后安裝防噴孔裝置→直徑99 mm鉆頭正常鉆進至鉆孔設計深度→直徑165 mm鉆頭擴孔至鉆進深度。鉆孔施工區域地質構造穩定，并考慮與其他鉆孔的距離，確保壓裂時不串孔、不卸壓、不壓穿。

2）鉆孔內下管及封孔過程。鉆孔分為巖孔段和煤孔段，為確保鉆孔壓裂時不漏液，確定鉆孔的封孔長度為65 m，壓裂鉆孔內下入65 m長的直徑89 mm耐高壓管，單根耐高壓管長度為4 m，采用接箍連接，為保證孔內管路的居中度及管路的順利移動，管路最前端安裝穩斜，每4 m安裝1個直徑153 mm的扶正器，φ20 mm注漿管隨耐高壓管一起下入孔內（注漿管共下2根，30 m 1根、60 m 1根）。注漿順序：先進行30 m注漿管注漿，待60 m的注漿管返漿后，再進行60 m注漿管進行注漿，直至直徑89 mm耐高壓管返出漿為止。

2.3 高壓管路對接工藝

1）孔口裝置安設及管路安裝。封孔水泥漿凝固后，接孔口裝置。壓裂過程中通過不同的閥門組合控制壓裂過程，壓裂孔口閥門連接示意圖如圖2，1#閥門用于控制長鉆孔施工過程中及完成后與抽采系統的連接，3#閥門控制壓裂后排液，4#閥門連接壓力表，2#閥門、5#閥門控制著壓裂鉆孔與壓裂系統的對接。壓裂前，2#閥門關閉，1#閥門打開并連接抽采系統，壓裂過程中，1#閥門和3#閥門關閉，2#閥門、4#閥門、5#閥門打開，監測壓裂過程中的孔口壓力；壓裂完成后保壓，待管內壓力降到一定程度，打開3#閥門排液；排液完成后，撤掉3#閥門、4#閥門、5#閥門，1#閥門、2#閥門接入抽采系統進行瓦斯抽采。

圖2 壓裂孔口閥門連接示意圖

2）管路固定。為防止高壓壓裂過程中管路晃動，直井段管路通過水力錨及封隔器固定，巖巷段管路每隔一定距離用地錨固定，巖孔段管路通過長距離封孔來保壓及固定。在管路拐彎的地方，通過一定角度的耐高壓彎頭對接，減小摩阻并提升拐彎處抗壓能力。

2.4 井地聯合微震監測技術

根據本次壓裂特點，在地面與井下都布置有微震監測點，在壓裂過程中進行井地聯合微震監測，提高微震監測定位精度。此次微震測點的布置原則主要包括：①地面觀測點以壓裂為中心，布置網狀觀測網絡，觀測點的平面范圍盡可能包圍破裂位置；②在地面應根據實際情況，盡可能多地布置觀測點；③地面觀測點盡量選擇在基巖出露的溝谷地方，減少地面低速帶影響，減小微震波能量損失；④地面觀測點盡可能布置在不同的高程上。

為確保各頻率段的微震信號都被接收，選擇3個頻段的縱波檢波器進行對比，分別是10 Hz高靈敏度檢波器、4.5 Hz縱波檢波器、100 Hz縱波檢波器，在每個觀測點均安裝3種檢波器。

地面檢波器采用埋置的安裝方法，在每個物理觀測點挖1個約0.5～1.5 m深的土坑，將3種檢波器（YTZ3-Z礦用本安型地震數據采集儀）插入坑中，再用土將檢波器埋實，與微震采集站（ZTG3-Z三分量傳感器）連接好。井下檢波器采用錨桿連接安裝法，檢波器通過檢波器轉接頭與錨桿連接，錨桿相當于檢波器尾椎。

3 2 次井地聯合壓裂試驗及效果考察

為驗證井地聯合壓裂系統可靠性，第1次壓裂采用的是清水壓裂，在第1次成功壓裂的基礎上，進行了第2次加砂壓裂。

3.1 壓裂過程分析

第1次壓裂壓裂鉆孔巖層段長度92 m，煤層段長度為102 m。第1次壓裂曲線如圖3。

圖3 第1次（清水）壓裂曲線圖

由圖3可知：地面泵車啟動7 min后，壓力上升至13.3 MPa，排量上升至4.09 m3/min，此時煤層破裂。在壓裂穩定階段，壓裂壓力（平均值）經過15.52、17.87、19.93 MPa 3個顯著變化階段，排量隨之經過4.05、4.56、4.99 m3/min 3個顯著變化。整個壓裂過程持續210 min，有效壓裂過程140 min，累計壓入液量623.25 m3，壓裂系統穩定。

第2次壓裂鉆場與第1次壓裂鉆場之間相距270 m，避開了第1次壓裂的影響范圍，第2次壓裂鉆孔巖層段長度90 m，煤層段長度為150 m。第2次壓裂曲線如圖4。

圖4 第2次（加砂）壓裂曲線圖

由圖4可知：地面泵車啟動11 min后，壓力上升至17.49 MPa，排量上升至4.59 m3/min，煤層破裂。26 min后壓力上升至22.96 MPa，排量上升至5.26 m3/min，壓裂過程穩定。壓裂至112 min，開始加砂作業，平均砂比從3.66%分階段穩定提升至12.2%。整個壓裂過程持續215 min，有效壓裂過程190 min，累計壓入液量998.67 m3，壓入砂量35.89 m3，壓裂系統穩定。

3.2 壓裂影響范圍的確定

根據測點布置原則，結合測區的實際地形、地物條件，第1次壓裂監測一共布置物理測點24個，其中地面16個，井下8個。地面測點采用G838手持亞米級高精度GPS數據采集器測量各物理點坐標，井下巷道內測點采用卷尺測量。第2次壓裂監測一共布置物理測點24個，其中地面13個，井下11個。

通過井地聯合微震監測，第1次壓裂影響范圍：以壓裂中心，東西延伸約110 m，南北延伸約80 m，高差約10 m，主要分布在煤層中。第2次壓裂的影響范圍：東西延伸約117 m，南北延伸約258 m，高差約15 m，主要在煤層中。

3.3 壓裂區域抽采效果分析

第1次壓裂完成后，在壓裂影響區域內只有壓裂鉆孔1個抽采鉆孔；第2次壓裂完成后，分別在距離壓裂鉆孔40、110 m的煤層中施工1#抽采孔和2#抽采孔，第2次壓裂影響范圍內共計施工鉆孔煤層段長度為390 m。在未壓裂區域施工1個對比孔，對比孔煤層段長度470 m。將各鉆孔接入抽采系統，各鉆孔的百米鉆孔抽采數據對比見表3。

表3 鉆孔抽采數據對比表

由表3可知：未壓裂煤層中百米鉆孔抽采量0.74 m3/min，抽采濃度49.3%。第1次壓裂鉆孔百米鉆孔抽采量是未壓裂煤層的5.22倍，達到3.86 m3/min，抽采濃度提高了0.2倍，達到59.3%；第2次壓裂（加砂）區域內百米鉆孔抽采量是未壓裂煤層的7.01倍，達到5.19 m3/min；抽采濃度提高了0.44倍，達到71.13%。除此之外，壓裂區域的鉆孔有效抽采時間延長，鉆孔抽采總量相應地提高3.08～17.4倍，壓裂后抽采效果比未壓裂好。第2次壓裂區域內百米鉆孔抽采量是第1次壓裂區域的1.34倍，抽采濃度提高20%，說明加砂壓裂比清水壓裂效果更好。第2次壓裂區域范圍內，距離壓裂鉆孔越遠鉆孔抽采效果越好，說明壓裂過程存在水驅氣現象。

4 結論

1）合理選擇壓裂設備及管路，在壓裂過程中，在最高壓裂壓力22.96 MPa，最大排量5.36 m3/min，最大砂比12.2%條件下，整個壓裂過程穩定，沒有出現管路漏液等意外狀況，證實井地聯合壓裂的可行性。

2）通過井地聯合微震監測，得到2次壓裂影響范圍。

3）通過分析各鉆孔的百米鉆孔抽采量、平均抽采濃度、累計抽采量、抽采時間4個指標，得到壓裂區域鉆孔抽采效果遠優于未壓裂區域，加砂壓裂區域鉆孔抽采效果優于清水壓裂區域鉆孔抽采效果。