地面直井壓裂煤層進行防突預抽的實踐應用

毛 杰

（陽泉新宇巖土工程有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業集團七元煤業隸屬于沁水煤田北部，南北長約18.047 km，東西寬最大約19.061 km，井田面積約207.30 km2，設計生產能力5.00 Mt/a。七元煤業15#煤層地勘瓦斯含量分析為18.35 m3/t＞8 m3/t，評估為具有煤與瓦斯突出危險煤層。為提高礦井防突技術、裝備和管理水平，在15101 回風順槽實施地面直井大液量水砂壓裂防突抽采技術，通過地面直井大液量水砂壓裂防突抽采能夠有效改善壓裂影響范圍內應力集中狀態，增加煤層透氣性，通過預抽進而降低煤層含氣量，降低煤層突出危險性，提高采掘進度[1]。

2 鉆井施工設計

2.1 井身結構設計

根據鉆井載荷計算，確定表層套管鋼級為J55，規格：Φ244.5 mm×8.94 mm 套管；生產套管鋼級為J55，規格：Φ139.7 mm×7.72 mm 套管。部分井身結構數據見表1。

表1 井身結構數據表

一開完鉆原則：鉆穿黃土層及風化層，進入完整硬巖不小于5 m，如遇地表水，表層套管適當加長，以有效封閉地表水為準，固井水泥返至地面。二開完鉆原則：15 下#煤層底板以下30 m 處，固井水泥返至15# 煤層頂板以上200 m。套管采用鋼級J55 石油套管，套管鞋位置應盡量靠近井底，表層套管口袋＜1 m；生產套管口袋1.5～2 m。鉆進過程中如遇到塌孔、埋鉆等現象時，及時記錄并分析，嚴禁用水泥進行封堵。

2.2 鉆井設備及工具

本次工程主要采用車載鉆機或TSJ-2600 水源鉆機進行施工，常用的設備主要有XRXS1275 型移動空壓機、B7-41/1000 型移動增壓機、AHas125A 型發電機、CYJT4-1.8-13HF 型抽油機、A-24 型井架等。

2.3 鉆井液選取

結合本區地層的實際情況和煤層氣勘探井的經驗，確定鉆井液為：一開鉆井液采用粘土相泥漿和泡沫，鉆進中防止新生界地層漏失及坍塌，一開前準備好水源和堵漏材料，觀察鉆井液返出情況，確保安全完成施工；二開鉆井液采用低固相或無固相鉆井液體系，選用中性清水配制，鉆井液密度不大于1.05 g/cm3。避免對地層造成污染，同時準備好充足的水源和足夠的堵漏材料[2]。

2.4 鉆具組合和鉆進參數設計

2.4.1 鉆具組合

1）車載鉆機：一開鉆具組合為Φ311.15 mm 三牙輪鉆頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ114 mm 鉆桿串；二開鉆具組合為Φ215.9 mm 三牙輪鉆頭（PDC 鉆頭）+（Φ214 mm螺旋扶正器+Φ159 mm 鉆鋌）（4 組）+Φ114 mm 鉆桿串。

2）TSJ-2600 水源鉆機：一開鉆具組合為Φ311.15 mm 鉆頭+Φ178 mm 鉆鋌（2 根）+Φ110 mm方鉆桿；二開鉆具組合為Φ215.9 mm PDC 鉆頭+Φ178 mm 鉆鋌（4 根）+Φ127 mm 鉆桿+Φ110 mm 方鉆桿；取芯段二開鉆進組合為Φ215.9 mm 取心鉆頭＋Φ127 mm 繩索取心工具+Φ127 mm 鉆桿。

2.4.2 鉆進參數

鉆頭及鉆進參數如表2 所示。

表2 鉆頭及鉆井參數表

3 固井設計

一開結束后，下入表層套管，固井封固地表疏松層，使用G 級石油固井水泥，水泥漿平均密度1.85g/cm3，固井水泥漿返至地面，如果在施工時未能返出地表，則必須環空回注，確保井口和套管鞋處的封固質量。

二開結束后，下入生產套管，固井封固井底至15#煤層上部200 m 處，建立生產井口。生產套管固井使用G 石油固井水泥，水泥漿密度小于1.85 g/cm3；固井結束候凝48 h 必須試壓，試壓壓力為20 MPa，30 min 內壓降小于0.5 MPa，視為合格。試壓結束后測雙界面聲幅，檢查固井質量。

一開固井前，需用現場對設計用的水泥做48 h抗內壓強度試驗，抗內壓強度≥14 MPa。

表套固井：基本數據，封固段：平均環容為29 L/m，附加量為50%，袋配灰漿44 L/d；G 級水泥；車輛及設備：水泥車（或泥漿泵）1 臺、灰罐車1 臺；工具附件：95/8″套管帽子1 只；2″高壓閘門1 只。

生產套管固井：基本數據，封固段：井底至15#煤層上部200 m 處，平均環容為21 L/m，附加量為50%，袋配灰漿38 L/d；水泥及添加劑：G 級水泥+0.6%M83S+0.4%WS+0.6%M53S+0.2%G202+3%CaCL2；車輛及設備：水泥車1 臺，灰罐車1 臺；工具附件：51/2"吊卡3 只、磁定位短管2 根、51/2"套管聯頂節1 根、2"灌泥漿管線1 根、51/2"浮箍1 只、51/2"引鞋1 只、51/2"循環接頭1 只。

固井施工過程：注隔離液（清水）→注水泥→壓膠塞替漿至碰壓→放壓候凝。

4 壓裂施工

4.1 壓裂層段（見表3）

表3 壓裂層段數據表

4.2 施工步驟

第一步：壓裂前井下作業準備，主要流程有：射孔→通井→洗井→井筒試壓→座井口安裝。第二步：進行壓裂施工作業。第三步：排液。第四步：探砂面、沖砂。第五步：換井口裝置，拆下600 型井口，換上KY25/65 井口大四通。第六步：下完井管柱，管柱組合為：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，泵型號為CYB44-TH 管式泵。第七步：安裝井口，安裝上法蘭蓋，裝抽機、井口三通。第八步：下完井桿柱、修井機試抽，桿柱組合為：44 mm 柱塞＋3/4″D級抽油桿＋調整短節＋光桿入深+油補距。

5 實踐效果分析

在七元煤業15101 回風順槽實施了地面直井壓裂煤層進行防突預抽的實踐應用作業，于2021 年4月27 日至2021 年11 月21 日間斷進行15101 首采工作的地面預抽瓦斯涌出量的數據統計，結果表明：15101 回風順槽日平均進尺從3.31 m 提高至5.92 m，對比之前進尺效率提高78.8%。抽采期間單孔平均濃度為45.23%，平均抽采純量為0.493 m3/min，日均抽采量705.71 m3，瓦斯抽放效果理想，沒有明顯突出動力現象發生。整個工作面的瓦斯含量降低了565 278 m3，預計再抽4 個月后，能夠達到《煤礦安全規程2022》第三十五條“有突出危險煤層的新建礦井必須先抽后建，礦井建設開工前，應當對首采區突出煤層進行地面鉆井預抽，且預抽率應當達到30%以上”的規定標準，能有效避免15101 回風順槽的突出風險，達到預期目標。