地面直井大流量水力壓裂消突在新景礦的應用

高 建 軍

（陽泉新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉045000）

1 區域地質概況

表1 所示。

陽煤集團新景礦位于陽泉市境內，井田東部與三礦二號井相連，西部與七元礦相連，北部與一礦井田相連，礦區井田出露地層主要為二疊系上統上石盒子組，下統下石盒子組，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，煤層厚度穩定，煤層總厚度為18.13m，含煤系數10.61%，山西組平均總厚度為62.55m，含煤總厚度4.53m，含煤系數7.24%；太原組總厚度為114.58m，含煤總厚度13.60m，含煤系數11.87%。井田區域全區可采的穩定煤層為3#、15#煤層，部分可采的較穩定煤層為8#、9#煤層，局部可采的不穩定為煤層6#、8#、12#與13#煤層。目前，新景礦主要對8#煤層進行煤回采，8#煤層南、北回風大巷以及輔運大巷在掘進過程中，瓦斯突出危險性較大，掘進工作面推進速度慢，為消除瓦斯突出危險隱患，提高掘進效率，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，預抽煤層瓦斯，確保掘進作業的安全性。鉆孔基本數據如

表1 鉆孔基本數據表

2 鉆井施工設計

2.1 井身結構設計

煤層氣立井采用潛孔錘施工工藝，采用二級井身結構，一開采用規格為Φ311.1mm 的鉆頭，鉆穿第四系風化層，至穩定地層10m 左右，預計井深20m，固井水泥返至地面；二開采用規格為Φ215.9mm 的鉆頭，鉆至15#煤層底板以下30m 位置處，預計井深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J55 煤層氣專用套管，下套管時，套管接箍避開每一目的煤層段。井身結構設計參數如表2 所示。

表2 井身結構設計參數表

2.2 井身質量要求

1）煤層氣井的地層測試和排采需保證井壁的規整性、光滑性、穩定性[1]，本次鉆進施工設計標準為：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，井徑擴大率%20%；

3）二開全角變化率≤1.3°/25m，井徑擴大率%20%。

2.3 鉆具組合

2.3.1 車載鉆機RD20Ⅱ

1）一開鉆具組合：規格為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

1）一開鉆具組合：規格為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定性，考慮到環境、地質構造與鉆井施工的方便性，在對第四系地層進行鉆進施工時，選用高粘度、大比重的鉆井液，對煤系上覆地層段進行鉆進施工時，采用低固相鉆井液[2]，對目的煤層段進行鉆進施工時，選用清水或其它密度≦1.05g/cm3的鉆井液。根據本鉆井的地質構造，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 鉆進參數

為確保井壁的規整性與穩定性，一般在上部地層打設鉆孔時，選用高轉速、中等鉆壓的鉆機參數設置，在下部地層打設鉆孔時，選用低轉速、高鉆壓的鉆機參數設置，鉆進煤層時，由于煤層質地松軟，需根據實際情況適當降低鉆機轉速、鉆壓以及排量，確保井壁的穩定成型[3-4]，本次鉆探設計的鉆井參數如表3 所示。

表3 鉆井參數表

3 固井設計

3.1 套管柱設計

通過對鉆井過程中各種載荷的計算，選用鋼級為J55，規格為Φ244.5mm×8.94mm 套管作為表層套管，深度以鉆穿風化層進入穩定地層10m 為準，表層套管頂部與地面平齊；選擇鋼級為J55，規格為Φ139.7 mm×7.72mm 套管作為生產套管，深度以15號煤層下30m 為準，生產套管距底面距離≦0.3m。套管柱設計參數如表4 所示：

表4 套管柱設計參數表

3.2 固井施工

一開區段鉆施工結束后，輸送表層套管，使用平均密度為1.85 g/cm3G 級石油固井水泥對地表疏松區域進行封固，二開區段鉆施工結束后，輸送生產套管，，使用平均密度＜1.85 g/cm3的G 級石油固井水泥封固井底至3#目的煤層上部200m 位置處，固井結束后侯凝48 h 試壓[5]，試壓壓力為20MPa，確保試壓過程中30min 內壓降＜0.5MPa。根據鉆井施工情況，設計表層套管固井施工與生產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

根據礦井區域地質構造，在固井施工完成后，采用大流量水力壓裂目標煤層的方法，地面預抽目標煤層瓦斯，壓裂施工作業過程中，用活性水循環主壓車，令循環液返回至大罐，地面高壓管井及口試壓為50MPa，測試穩壓3min，液體不發生滲漏確定為合格，施工作業限壓為45MPa。

各鉆井壓裂設計施工參數為：

1）壓裂層位：8 號煤層；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；支撐劑規格（目）：20/40；粒徑：0.425～0.850mm。

射孔設計參數如表6 所示。

表6 射孔設計參數表

5 結 語

針對陽煤集團新景礦巷道掘進施工過程中瓦斯突出，影響掘進速度的難題，采用地面立井大流量水力壓裂消突技術對煤層進行增透消突，同時對施工參數進行設計，通過預抽排煤層瓦斯，消除了南、北回風大巷以及輔運大巷瓦斯突出危險性，掘進期間，各掘進巷道鉆屑瓦斯解吸指標值一直保持在0.6 cm3/（g.min1/2）之間，掘進速度明顯提高，在一定程度上實現了礦井巷道高效、安全掘進的目標。