地面直井大流量水力压裂消突在新景矿的应用

高 建 军

（阳泉新宇岩土工程有限责任公司，山西 阳泉045000）

1 区域地质概况

表1 所示。

阳煤集团新景矿位于阳泉市境内，井田东部与三矿二号井相连，西部与七元矿相连，北部与一矿井田相连，矿区井田出露地层主要为二叠系上统上石盒子组，下统下石盒子组，山西组及石炭系太原组、本溪组。其中，山西组与石炭系太原组分布范围较大，煤层厚度稳定，煤层总厚度为18.13m，含煤系数10.61%，山西组平均总厚度为62.55m，含煤总厚度4.53m，含煤系数7.24%；太原组总厚度为114.58m，含煤总厚度13.60m，含煤系数11.87%。井田区域全区可采的稳定煤层为3#、15#煤层，部分可采的较稳定煤层为8#、9#煤层，局部可采的不稳定为煤层6#、8#、12#与13#煤层。目前，新景矿主要对8#煤层进行煤回采，8#煤层南、北回风大巷以及辅运大巷在掘进过程中，瓦斯突出危险性较大，掘进工作面推进速度慢，为消除瓦斯突出危险隐患，提高掘进效率，拟于地面施工3 组煤层气立井，利用大流量水力压裂煤层的方法，预抽煤层瓦斯，确保掘进作业的安全性。钻孔基本数据如

表1 钻孔基本数据表

2 钻井施工设计

2.1 井身结构设计

煤层气立井采用潜孔锤施工工艺，采用二级井身结构，一开采用规格为Φ311.1mm 的钻头，钻穿第四系风化层，至稳定地层10m 左右，预计井深20m，固井水泥返至地面；二开采用规格为Φ215.9mm 的钻头，钻至15#煤层底板以下30m 位置处，预计井深639～739m，固井水泥返至3#煤层顶板以上300m 位置处，套管采用钢级J55 煤层气专用套管，下套管时，套管接箍避开每一目的煤层段。井身结构设计参数如表2 所示。

表2 井身结构设计参数表

2.2 井身质量要求

1）煤层气井的地层测试和排采需保证井壁的规整性、光滑性、稳定性[1]，本次钻进施工设计标准为：钻井最大井斜≦2°，井底最大水平位移≦20m；

2）一开全角变化率≤1.2°/25m，井径扩大率%20%；

3）二开全角变化率≤1.3°/25m，井径扩大率%20%。

2.3 钻具组合

2.3.1 车载钻机RD20Ⅱ

1）一开钻具组合：规格为Φ311.15mm 的三牙轮钻头（或Φ311mm 潜孔锤）+Φ159mm 钻铤×4+Φ114mm 钻杆串。

2）二开钻具组合：规格为Φ215.9mm 三牙轮钻头（PDC 钻头）+（Φ214mm 螺旋扶正器+Φ159mm 钻铤）×4+Φ114mm 钻杆。

2.3.2 TSJ-2000 水源钻机

1）一开钻具组合：规格为Φ311.15mm 的三牙轮钻头钻头+Φ178mm 钻铤×2+Φ110mm 的方钻杆。

2）二开钻具组合：规格为Φ215.9mmPDC 钻头+Φ178mm 钻铤×4+127mm 钻杆+110mm 方钻杆。

2.4 钻井液选取

为确保井壁的成型与稳定性，考虑到环境、地质构造与钻井施工的方便性，在对第四系地层进行钻进施工时，选用高粘度、大比重的钻井液，对煤系上覆地层段进行钻进施工时，采用低固相钻井液[2]，对目的煤层段进行钻进施工时，选用清水或其它密度≦1.05g/cm3的钻井液。根据本钻井的地质构造，确定一开井段钻井液为粘土相泥浆或空气和泡沫，二开井段钻井液为低固相或无固相钻井液体，选用中性清水配制，确保钻井液的密度≦1.05g/cm3。

2.5 钻进参数

为确保井壁的规整性与稳定性，一般在上部地层打设钻孔时，选用高转速、中等钻压的钻机参数设置，在下部地层打设钻孔时，选用低转速、高钻压的钻机参数设置，钻进煤层时，由于煤层质地松软，需根据实际情况适当降低钻机转速、钻压以及排量，确保井壁的稳定成型[3-4]，本次钻探设计的钻井参数如表3 所示。

表3 钻井参数表

3 固井设计

3.1 套管柱设计

通过对钻井过程中各种载荷的计算，选用钢级为J55，规格为Φ244.5mm×8.94mm 套管作为表层套管，深度以钻穿风化层进入稳定地层10m 为准，表层套管顶部与地面平齐；选择钢级为J55，规格为Φ139.7 mm×7.72mm 套管作为生产套管，深度以15号煤层下30m 为准，生产套管距底面距离≦0.3m。套管柱设计参数如表4 所示：

表4 套管柱设计参数表

3.2 固井施工

一开区段钻施工结束后，输送表层套管，使用平均密度为1.85 g/cm3G 级石油固井水泥对地表疏松区域进行封固，二开区段钻施工结束后，输送生产套管，，使用平均密度＜1.85 g/cm3的G 级石油固井水泥封固井底至3#目的煤层上部200m 位置处，固井结束后侯凝48 h 试压[5]，试压压力为20MPa，确保试压过程中30min 内压降＜0.5MPa。根据钻井施工情况，设计表层套管固井施工与生产套管固井施工的的水泥使用量情况如表5 所示。

表5 固井水泥使用量

4 压裂施工

根据矿井区域地质构造，在固井施工完成后，采用大流量水力压裂目标煤层的方法，地面预抽目标煤层瓦斯，压裂施工作业过程中，用活性水循环主压车，令循环液返回至大罐，地面高压管井及口试压为50MPa，测试稳压3min，液体不发生渗漏确定为合格，施工作业限压为45MPa。

各钻井压裂设计施工参数为：

1）压裂层位：8 号煤层；井段位置：547.5～550.0m；厚度：2.5m；

2）注入方式：光套管注入；

3）压裂井口类型：KQ-700 型；

4）液体类型：1050m3的活性水，添加1%KCL 溶液；支撑剂规格（目）：20/40；粒径：0.425～0.850mm。

射孔设计参数如表6 所示。

表6 射孔设计参数表

5 结 语

针对阳煤集团新景矿巷道掘进施工过程中瓦斯突出，影响掘进速度的难题，采用地面立井大流量水力压裂消突技术对煤层进行增透消突，同时对施工参数进行设计，通过预抽排煤层瓦斯，消除了南、北回风大巷以及辅运大巷瓦斯突出危险性，掘进期间，各掘进巷道钻屑瓦斯解吸指标值一直保持在0.6 cm3/（g.min1/2）之间，掘进速度明显提高，在一定程度上实现了矿井巷道高效、安全掘进的目标。