地面水砂压裂井预抽瓦斯技术在立井井筒揭煤中的应用

赵晋龙

（山西华阳集团新能股份有限公司，山西 阳泉 045000）

1 概 况

华阳新材料集团有限公司泊里煤矿井田位于山西省沁水煤田东部边缘，行政区划属于山西省和顺县管辖，北部跨入昔阳县境内。矿井井田总面积为107.579 km2，6、8、9号煤层为局部开采煤层，15号煤层为全区可采煤层，平均厚度为5.38 m。井田范围内，共有煤炭资源量91 136万t，可采储量为47 114万t，设计生产能力500万t/a，矿井服务年限77.6 a。根据中煤科工集团重庆研究院有限公司2014年3月编制的该井田各煤层煤与瓦斯突出危险性评估报告（表1），评估报告结论为各煤层均具有煤与瓦斯突出危险性，因此泊里煤矿按照煤与瓦斯突出矿井设计。

表1 各煤层煤与瓦斯突出危险性评估报告参数统计Table 1 Parameter statistics of coal and gas outburst risk assessment report of each coal seam

泊里煤矿为预防井筒施工期间发生煤与瓦斯突出，杜绝揭煤期间瓦斯超限，加快井筒施工进度，决定在井筒旁施工地面预抽瓦斯井，对目标煤层进行水力加砂压裂工艺改造，改善井筒预揭煤层应力集中状态。

2 水砂压裂机理及井筒布置

2.1 水砂压裂机理

水砂压裂技术就是依靠地面高压泵，通过管汇及井眼向目的储层挤压注入具有较高粘度的压裂液。当注入压裂液的速度超过射孔段（一般为目的煤层）吸收能力时，注入压力将超过破裂压力，煤层将被压开，形成破裂裂缝。此时，若继续不停地向煤层挤注压裂液，裂缝就会继续向煤层中远井地带扩张。

为了保持压开的裂缝处于张开状态，需继续向煤层挤入带有支撑剂（通常为石英砂）的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝，使其不闭合。再接着注入顶替液，将井筒的携砂液全部顶替进入裂缝，用石英砂将裂缝支撑起来。

注入的高粘度压裂液会自动降解排出井筒之外，在煤层中留下多条长、宽、高不等的裂缝，使煤层与井筒之间建立新的流体通道，提高煤层对瓦斯的导流能力，可以通过提前预抽降低煤层含气量，提高井巷掘进速度及安全系数。

2.2 井筒及水砂压裂井布置

泊里煤矿在3个井区共布置5个井筒，风井区布置一号进风立井、一号回风立井，井筒间距约25 m，设计深度为548 m；副井区布置中央回风立井、副立井；主井区布置1个斜井。

为预防井筒施工期间发生煤与瓦斯突出，加强井筒施工期间揭露突出煤层的瓦斯管理，根据相关资料分析，设计施工4口地面预抽瓦斯井，如图1、图2所示。

图1 主斜井、风井区井筒及地面预抽井钻孔平面图Fig.1 Borehole plan of main inclined shaft,air shaft area and surface pre-pumping well

图2 中央回风井、副立井井筒及地面预抽井钻孔平面图Fig.2 Borehole plan of central,auxiliary shaft and surface pre-pumping well

在主斜井施工PLW-1号钻井服务井筒揭煤，井深456 m，压裂煤层为6、8、9号煤。于2021年8月17日开始抽采，9月22日开始产气，累计产气量为45 976 m3。

在风井区的一号井、回风井施工PLW-2号钻井，井深527 m，布站半径为150 m，压裂煤层为3、6、8、9、11、13号煤。于2020年12月11日开始抽采，累计产气量为48 437 m3。

在中央回风井井区施工PLW-3号钻井，布站半径为150 m,钻孔井深614.1 m，压裂煤层为3、6、8、9、11、13号煤。于2020年12月10日开始抽采，累计产气量为312 543 m3，抽放13号及以上煤层。

在副立井井区施工PLW-4号钻井，布站半径为150 m，井深685 m，压裂煤层为6、8-1、8、9、11、12、13、15号煤。于2020年12月11日开始抽采，累计产气量为75 807 m3，抽放15号及以上煤层。

3 水砂压裂实施

3.1 水砂压裂井设计

此次设计的钻井井型为直井，所有钻井均采用常规的煤层气井二开井身结构。一开用φ311.15 mm钻头钻进，进入完整硬岩不小于5 m，预计井深35.00 m，下入φ244.5 mm表层套管，封固地表松散覆盖层及风化层，固井水泥浆返至地面，建立井口；二开采用φ215.9 mm牙轮或PDC钻头，钻至15号煤层底板以下50 m完钻，下入φ139.7 mm生产套管，封固煤系及上覆地层，固井水泥浆返至15号煤顶板上200 m处，人工井底位于15号煤层底板以下50 m，留作口袋。钻井井深结构如图3所示。

图3 钻井井深结构Fig.3 Drilling depth structure

地面井按照设计施工结束后，在地面井口立井架进行井筒试压，压力不低于20 MPa，稳压时间不小于30 min，压力未降视为试压合格。利用φ118 mm通井规、油管进行通井。用水车正循环洗井，排量600 L/min，泵压3.0 MPa，洗至进出口水色一致后停泵。洗井后重新探测一次井底，实测井深数据。

3.2 水砂压裂施工

工艺流程：通井—洗井—井筒试压—射孔—座压裂井口—压裂—排液—换井口装置—下完井管柱—修井机试抽。其中通井、洗井、井筒试压已在上文写明，不再赘述。

（1）射孔。

射孔作业是指用聚能射孔弹将套管、水泥环以及部分煤层射穿，以射孔孔眼作为煤层与井筒的连通通道。射孔前进行测井校深，保证射孔位置准确。此次射孔器材选用102型射孔枪，装填127型射孔弹，以标准孔密度16孔/m，初始相位角60°螺旋布孔对目标层段进行射孔。射孔质量验收标准为检查发射率达到95%为合格，否则重新补孔。

（2）座压裂井口。安装700型压裂井口，压裂井口用绷绳固定。

（3）压裂。

根据泊里煤矿实际情况研究分析，此次压裂液采用活性水压裂液，压裂液配方为清水+0.05%杀菌剂+0.05%表面活性剂；支撑介质选择石英砂，包括20～40目中砂（850～425 um）和12～20目粗砂（1 700～850 um）两种规格，中砂和粗砂的比例为1.33～1.67∶1。

压裂时先对最下目标煤层射孔、压裂，施工结束后，当井口停止溢流时，然后填砂封隔，封堵最下目标煤层，探砂面确定到设计位置后，再进行上部目标煤层射孔、压裂作业，依次类推。

各井压裂时均采用微地震裂缝监测技术，对水砂压裂裂缝的扩展方位及影响方位进行实时监测。经过数据处理后，通过震源机制反演裂缝力学属性，采用震动定位原理，确定破裂发生的位置，掌握裂缝在空间上的延伸状况，保证压裂施工效果。

（4）排液。压裂结束关井24 h后，若井口压力没有降至2 MPa继续关井，直到压力降到2 MPa，然后用3 mm油嘴控制放压直至井口压力降至0。

（5）换井口装置。拆下压裂井口装置，换上井口大四通。

（6）下完井管柱、杆柱。

认真检查管式泵完好情况，在地面将柱塞放入泵筒检查柱塞运行是否正常，验证合格下管柱。

管柱组合：丝堵＋沉砂管（9.56 m）+绕丝筛管＋井下压力计（1 m）+φ44 mm（4.40 m）整筒泵＋φ73 mm油管＋油管挂。

杆柱组合：44m m柱塞＋3/4″D级抽油杆＋调整短节＋光杆入深+油补距。

（7）修井机试抽。探泵3次，每次加压0.5 t，后上提防冲距0.3 m，调整抽油杆短节，修井机试抽至出液正常，正蹩压6 MPa，15 min压力不降为合格。

4 水砂压裂效果

泊里煤矿井筒施工期间共施工4口压裂井，通过统计分析大液量水砂压裂钻孔168 d瓦斯抽采数据，平均瓦斯抽采浓度为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。实施水力加砂压裂工艺后，泊里煤矿井筒施工期间，对揭露的所有煤层进行区域预测，瓦斯含量、瓦斯压力均小于临界值，测定结果均为无突出危险性。泊里煤矿5个井筒施工期间相继揭露煤层30余次，没有发生突出事故，表明了此次实施的水力加砂压裂工艺的有效性，缩短了立井井筒揭煤施工工期，保证了安全施工。

5 结 语

通过此次泊里煤矿地面水砂压裂井预抽瓦斯技术在立井井筒揭煤中的应用，表明了该技术可有效缩短立井井筒揭煤施工工期，超前大区域提高煤储层的透气性，增加瓦斯抽采量，缩短瓦斯抽采达标周期，加快了井筒施工进度。此次工程的成功实践，形成了适用于泊里煤矿立井井筒揭煤大液量水砂压裂分段压裂增透抽采瓦斯工艺技术，完善了该矿立井井筒水力压裂增透技术体系。