地面水砂壓裂井預抽瓦斯技術在立井井筒揭煤中的應用

趙晉龍

（山西華陽集團新能股份有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

華陽新材料集團有限公司泊里煤礦井田位于山西省沁水煤田東部邊緣，行政區劃屬于山西省和順縣管轄，北部跨入昔陽縣境內。礦井井田總面積為107.579 km2，6、8、9號煤層為局部開采煤層，15號煤層為全區可采煤層，平均厚度為5.38 m。井田范圍內，共有煤炭資源量91 136萬t，可采儲量為47 114萬t，設計生產能力500萬t/a，礦井服務年限77.6 a。根據中煤科工集團重慶研究院有限公司2014年3月編制的該井田各煤層煤與瓦斯突出危險性評估報告（表1），評估報告結論為各煤層均具有煤與瓦斯突出危險性，因此泊里煤礦按照煤與瓦斯突出礦井設計。

表1 各煤層煤與瓦斯突出危險性評估報告參數統計Table 1 Parameter statistics of coal and gas outburst risk assessment report of each coal seam

泊里煤礦為預防井筒施工期間發生煤與瓦斯突出，杜絕揭煤期間瓦斯超限，加快井筒施工進度，決定在井筒旁施工地面預抽瓦斯井，對目標煤層進行水力加砂壓裂工藝改造，改善井筒預揭煤層應力集中狀態。

2 水砂壓裂機理及井筒布置

2.1 水砂壓裂機理

水砂壓裂技術就是依靠地面高壓泵，通過管匯及井眼向目的儲層擠壓注入具有較高粘度的壓裂液。當注入壓裂液的速度超過射孔段（一般為目的煤層）吸收能力時，注入壓力將超過破裂壓力，煤層將被壓開，形成破裂裂縫。此時，若繼續不停地向煤層擠注壓裂液，裂縫就會繼續向煤層中遠井地帶擴張。

為了保持壓開的裂縫處于張開狀態，需繼續向煤層擠入帶有支撐劑（通常為石英砂）的攜砂液，攜砂液進入裂縫之后，一方面可以使裂縫繼續向前延伸，另一方面可以支撐已經壓開的裂縫，使其不閉合。再接著注入頂替液，將井筒的攜砂液全部頂替進入裂縫，用石英砂將裂縫支撐起來。

注入的高粘度壓裂液會自動降解排出井筒之外，在煤層中留下多條長、寬、高不等的裂縫，使煤層與井筒之間建立新的流體通道，提高煤層對瓦斯的導流能力，可以通過提前預抽降低煤層含氣量，提高井巷掘進速度及安全系數。

2.2 井筒及水砂壓裂井布置

泊里煤礦在3個井區共布置5個井筒，風井區布置一號進風立井、一號回風立井，井筒間距約25 m，設計深度為548 m；副井區布置中央回風立井、副立井；主井區布置1個斜井。

為預防井筒施工期間發生煤與瓦斯突出，加強井筒施工期間揭露突出煤層的瓦斯管理，根據相關資料分析，設計施工4口地面預抽瓦斯井，如圖1、圖2所示。

圖1 主斜井、風井區井筒及地面預抽井鉆孔平面圖Fig.1 Borehole plan of main inclined shaft,air shaft area and surface pre-pumping well

圖2 中央回風井、副立井井筒及地面預抽井鉆孔平面圖Fig.2 Borehole plan of central,auxiliary shaft and surface pre-pumping well

在主斜井施工PLW-1號鉆井服務井筒揭煤，井深456 m，壓裂煤層為6、8、9號煤。于2021年8月17日開始抽采，9月22日開始產氣，累計產氣量為45 976 m3。

在風井區的一號井、回風井施工PLW-2號鉆井，井深527 m，布站半徑為150 m，壓裂煤層為3、6、8、9、11、13號煤。于2020年12月11日開始抽采，累計產氣量為48 437 m3。

在中央回風井井區施工PLW-3號鉆井，布站半徑為150 m,鉆孔井深614.1 m，壓裂煤層為3、6、8、9、11、13號煤。于2020年12月10日開始抽采，累計產氣量為312 543 m3，抽放13號及以上煤層。

在副立井井區施工PLW-4號鉆井，布站半徑為150 m，井深685 m，壓裂煤層為6、8-1、8、9、11、12、13、15號煤。于2020年12月11日開始抽采，累計產氣量為75 807 m3，抽放15號及以上煤層。

3 水砂壓裂實施

3.1 水砂壓裂井設計

此次設計的鉆井井型為直井，所有鉆井均采用常規的煤層氣井二開井身結構。一開用φ311.15 mm鉆頭鉆進，進入完整硬巖不小于5 m，預計井深35.00 m，下入φ244.5 mm表層套管，封固地表松散覆蓋層及風化層，固井水泥漿返至地面，建立井口；二開采用φ215.9 mm牙輪或PDC鉆頭，鉆至15號煤層底板以下50 m完鉆，下入φ139.7 mm生產套管，封固煤系及上覆地層，固井水泥漿返至15號煤頂板上200 m處，人工井底位于15號煤層底板以下50 m，留作口袋。鉆井井深結構如圖3所示。

圖3 鉆井井深結構Fig.3 Drilling depth structure

地面井按照設計施工結束后，在地面井口立井架進行井筒試壓，壓力不低于20 MPa，穩壓時間不小于30 min，壓力未降視為試壓合格。利用φ118 mm通井規、油管進行通井。用水車正循環洗井，排量600 L/min，泵壓3.0 MPa，洗至進出口水色一致后停泵。洗井后重新探測一次井底，實測井深數據。

3.2 水砂壓裂施工

工藝流程：通井—洗井—井筒試壓—射孔—座壓裂井口—壓裂—排液—換井口裝置—下完井管柱—修井機試抽。其中通井、洗井、井筒試壓已在上文寫明，不再贅述。

（1）射孔。

射孔作業是指用聚能射孔彈將套管、水泥環以及部分煤層射穿，以射孔孔眼作為煤層與井筒的連通通道。射孔前進行測井校深，保證射孔位置準確。此次射孔器材選用102型射孔槍，裝填127型射孔彈，以標準孔密度16孔/m，初始相位角60°螺旋布孔對目標層段進行射孔。射孔質量驗收標準為檢查發射率達到95%為合格，否則重新補孔。

（2）座壓裂井口。安裝700型壓裂井口，壓裂井口用繃繩固定。

（3）壓裂。

根據泊里煤礦實際情況研究分析，此次壓裂液采用活性水壓裂液，壓裂液配方為清水+0.05%殺菌劑+0.05%表面活性劑；支撐介質選擇石英砂，包括20～40目中砂（850～425 um）和12～20目粗砂（1 700～850 um）兩種規格，中砂和粗砂的比例為1.33～1.67∶1。

壓裂時先對最下目標煤層射孔、壓裂，施工結束后，當井口停止溢流時，然后填砂封隔，封堵最下目標煤層，探砂面確定到設計位置后，再進行上部目標煤層射孔、壓裂作業，依次類推。

各井壓裂時均采用微地震裂縫監測技術，對水砂壓裂裂縫的擴展方位及影響方位進行實時監測。經過數據處理后，通過震源機制反演裂縫力學屬性，采用震動定位原理，確定破裂發生的位置，掌握裂縫在空間上的延伸狀況，保證壓裂施工效果。

（4）排液。壓裂結束關井24 h后，若井口壓力沒有降至2 MPa繼續關井，直到壓力降到2 MPa，然后用3 mm油嘴控制放壓直至井口壓力降至0。

（5）換井口裝置。拆下壓裂井口裝置，換上井口大四通。

（6）下完井管柱、桿柱。

認真檢查管式泵完好情況，在地面將柱塞放入泵筒檢查柱塞運行是否正常，驗證合格下管柱。

管柱組合：絲堵＋沉砂管（9.56 m）+繞絲篩管＋井下壓力計（1 m）+φ44 mm（4.40 m）整筒泵＋φ73 mm油管＋油管掛。

桿柱組合：44m m柱塞＋3/4″D級抽油桿＋調整短節＋光桿入深+油補距。

（7）修井機試抽。探泵3次，每次加壓0.5 t，后上提防沖距0.3 m，調整抽油桿短節，修井機試抽至出液正常，正蹩壓6 MPa，15 min壓力不降為合格。

4 水砂壓裂效果

泊里煤礦井筒施工期間共施工4口壓裂井，通過統計分析大液量水砂壓裂鉆孔168 d瓦斯抽采數據，平均瓦斯抽采濃度為99%，最大每日瓦斯抽采混合流量1 021 m3/min，平均每日瓦斯抽采混合流量215.86 m3/min，瓦斯抽采混合流量48 437 m3/min。實施水力加砂壓裂工藝后，泊里煤礦井筒施工期間，對揭露的所有煤層進行區域預測，瓦斯含量、瓦斯壓力均小于臨界值，測定結果均為無突出危險性。泊里煤礦5個井筒施工期間相繼揭露煤層30余次，沒有發生突出事故，表明了此次實施的水力加砂壓裂工藝的有效性，縮短了立井井筒揭煤施工工期，保證了安全施工。

5 結 語

通過此次泊里煤礦地面水砂壓裂井預抽瓦斯技術在立井井筒揭煤中的應用，表明了該技術可有效縮短立井井筒揭煤施工工期，超前大區域提高煤儲層的透氣性，增加瓦斯抽采量，縮短瓦斯抽采達標周期，加快了井筒施工進度。此次工程的成功實踐，形成了適用于泊里煤礦立井井筒揭煤大液量水砂壓裂分段壓裂增透抽采瓦斯工藝技術，完善了該礦立井井筒水力壓裂增透技術體系。