地面直井壓裂煤層進(jìn)行防突預(yù)抽的實(shí)踐應(yīng)用

毛 杰

（陽(yáng)泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)隸屬于沁水煤田北部，南北長(zhǎng)約18.047 km，東西寬最大約19.061 km，井田面積約207.30 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.00 Mt/a。七元煤業(yè)15#煤層地勘瓦斯含量分析為18.35 m3/t＞8 m3/t，評(píng)估為具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層。為提高礦井防突技術(shù)、裝備和管理水平，在15101 回風(fēng)順槽實(shí)施地面直井大液量水砂壓裂防突抽采技術(shù)，通過(guò)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(nèi)應(yīng)力集中狀態(tài)，增加煤層透氣性，通過(guò)預(yù)抽進(jìn)而降低煤層含氣量，降低煤層突出危險(xiǎn)性，提高采掘進(jìn)度[1]。

2 鉆井施工設(shè)計(jì)

2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆井載荷計(jì)算，確定表層套管鋼級(jí)為J55，規(guī)格：Φ244.5 mm×8.94 mm 套管；生產(chǎn)套管鋼級(jí)為J55，規(guī)格：Φ139.7 mm×7.72 mm 套管。部分井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表

一開(kāi)完鉆原則：鉆穿黃土層及風(fēng)化層，進(jìn)入完整硬巖不小于5 m，如遇地表水，表層套管適當(dāng)加長(zhǎng)，以有效封閉地表水為準(zhǔn)，固井水泥返至地面。二開(kāi)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(jí)J55 石油套管，套管鞋位置應(yīng)盡量靠近井底，表層套管口袋＜1 m；生產(chǎn)套管口袋1.5～2 m。鉆進(jìn)過(guò)程中如遇到塌孔、埋鉆等現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)記錄并分析，嚴(yán)禁用水泥進(jìn)行封堵。

2.2 鉆井設(shè)備及工具

本次工程主要采用車(chē)載鉆機(jī)或TSJ-2600 水源鉆機(jī)進(jìn)行施工，常用的設(shè)備主要有XRXS1275 型移動(dòng)空壓機(jī)、B7-41/1000 型移動(dòng)增壓機(jī)、AHas125A 型發(fā)電機(jī)、CYJT4-1.8-13HF 型抽油機(jī)、A-24 型井架等。

2.3 鉆井液選取

結(jié)合本區(qū)地層的實(shí)際情況和煤層氣勘探井的經(jīng)驗(yàn)，確定鉆井液為：一開(kāi)鉆井液采用粘土相泥漿和泡沫，鉆進(jìn)中防止新生界地層漏失及坍塌，一開(kāi)前準(zhǔn)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(kāi)鉆井液采用低固相或無(wú)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(duì)地層造成污染，同時(shí)準(zhǔn)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(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.4.1 鉆具組合

1）車(chē)載鉆機(jī)：一開(kāi)鉆具組合為Φ311.15 mm 三牙輪鉆頭+Φ159 mm 鉆鋌+Φ114 mm 鉆桿串；二開(kāi)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(jī)：一開(kāi)鉆具組合為Φ311.15 mm 鉆頭+Φ178 mm 鉆鋌（2 根）+Φ110 mm方鉆桿；二開(kāi)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(kāi)鉆進(jìn)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(jìn)參數(shù)

鉆頭及鉆進(jìn)參數(shù)如表2 所示。

表2 鉆頭及鉆井參數(shù)表

3 固井設(shè)計(jì)

一開(kāi)結(jié)束后，下入表層套管，固井封固地表疏松層，使用G 級(jí)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(shí)未能返出地表，則必須環(huán)空回注，確保井口和套管鞋處的封固質(zhì)量。

二開(kāi)結(jié)束后，下入生產(chǎn)套管，固井封固井底至15#煤層上部200 m 處，建立生產(chǎn)井口。生產(chǎn)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(jié)束候凝48 h 必須試壓，試壓壓力為20 MPa，30 min 內(nèi)壓降小于0.5 MPa，視為合格。試壓結(jié)束后測(cè)雙界面聲幅，檢查固井質(zhì)量。

一開(kāi)固井前，需用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)用的水泥做48 h抗內(nèi)壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抗內(nèi)壓強(qiáng)度≥14 MPa。

表套固井：基本數(shù)據(jù)，封固段：平均環(huán)容為29 L/m，附加量為50%，袋配灰漿44 L/d；G 級(jí)水泥；車(chē)輛及設(shè)備：水泥車(chē)（或泥漿泵）1 臺(tái)、灰罐車(chē)1 臺(tái)；工具附件：95/8″套管帽子1 只；2″高壓閘門(mén)1 只。

生產(chǎn)套管固井：基本數(shù)據(jù)，封固段：井底至15#煤層上部200 m 處，平均環(huán)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(jí)水泥+0.6%M83S+0.4%WS+0.6%M53S+0.2%G202+3%CaCL2；車(chē)輛及設(shè)備：水泥車(chē)1 臺(tái)，灰罐車(chē)1 臺(tái)；工具附件：51/2"吊卡3 只、磁定位短管2 根、51/2"套管聯(lián)頂節(jié)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(huán)接頭1 只。

固井施工過(guò)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(jiàn)表3）

表3 壓裂層段數(shù)據(jù)表

4.2 施工步驟

第一步：壓裂前井下作業(yè)準(zhǔn)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(jìn)行壓裂施工作業(yè)。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(jì)（1 m）+Φ44 mm(4.40 m)整筒泵＋Φ73 mm 油管＋油管掛，泵型號(hào)為CYB44-TH 管式泵。第七步：安裝井口，安裝上法蘭蓋，裝抽機(jī)、井口三通。第八步：下完井桿柱、修井機(jī)試抽，桿柱組合為：44 mm 柱塞＋3/4″D級(jí)抽油桿＋調(diào)整短節(jié)＋光桿入深+油補(bǔ)距。

5 實(shí)踐效果分析

在七元煤業(yè)15101 回風(fēng)順槽實(shí)施了地面直井壓裂煤層進(jìn)行防突預(yù)抽的實(shí)踐應(yīng)用作業(yè)，于2021 年4月27 日至2021 年11 月21 日間斷進(jìn)行15101 首采工作的地面預(yù)抽瓦斯涌出量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：15101 回風(fēng)順槽日平均進(jìn)尺從3.31 m 提高至5.92 m，對(duì)比之前進(jìn)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(méi)有明顯突出動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生。整個(gè)工作面的瓦斯含量降低了565 278 m3，預(yù)計(jì)再抽4 個(gè)月后，能夠達(dá)到《煤礦安全規(guī)程2022》第三十五條“有突出危險(xiǎn)煤層的新建礦井必須先抽后建，礦井建設(shè)開(kāi)工前，應(yīng)當(dāng)對(duì)首采區(qū)突出煤層進(jìn)行地面鉆井預(yù)抽，且預(yù)抽率應(yīng)當(dāng)達(dá)到30%以上”的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，能有效避免15101 回風(fēng)順槽的突出風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。