煤礦井下分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)研究

馮達(dá)暉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

瓦斯災(zāi)害作為煤礦安全生產(chǎn)主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)。隨著開采技術(shù)的不斷發(fā)展，從煤礦井下瓦斯防治的需要出發(fā)，將煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)[1-5]與水力壓裂增透強化抽采技術(shù)[6]相結(jié)合引入到煤礦井下瓦斯防治領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)主要應(yīng)用于煤礦瓦斯防治、地質(zhì)構(gòu)造探測和探放水等領(lǐng)域。但是該技術(shù)還未與水力壓裂增透強化抽采技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于煤層瓦斯防治領(lǐng)域，由于水力壓裂增透強化抽采技術(shù)對鉆孔特殊要求，相應(yīng)鉆探裝備、鉆孔設(shè)計和鉆進(jìn)成孔工藝均需要進(jìn)行研究突破。利用梳狀定向孔鉆進(jìn)技術(shù)在松軟煤層穩(wěn)定的臨近層施工長距離主孔，再從主孔開梳狀分支孔進(jìn)入目標(biāo)煤層，成孔后主孔內(nèi)下入壓裂管柱，對目標(biāo)煤層注入高壓水實施水力壓裂。該技術(shù)融合了井下梳狀定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)及水力壓裂增透強化抽采技術(shù)的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對松軟煤層瓦斯遠(yuǎn)距離與區(qū)域增透抽采，解決松軟煤層透氣性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距離短、抽采區(qū)域小等難題。提高了煤層瓦斯預(yù)抽率和抽采量、改善瓦斯抽采效果，降低煤層開采過程中的突出危險性，為礦區(qū)煤層安全高效開采、瓦斯治理降本增效等方面提供技術(shù)保障。因此，開展該技術(shù)研究及工程施工具有重要的現(xiàn)實意義。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)作為瓦斯防治的主要技術(shù)措施，隨著科技的進(jìn)步和國內(nèi)瓦斯防治的不斷重視，逐漸形成了頂板高位定向鉆孔、頂板梳狀定向鉆孔、本煤層順層定向鉆孔、底板梳狀定向鉆孔、底板定向鉆孔等多種瓦斯抽采鉆進(jìn)技術(shù)及工藝方法，并已廣泛應(yīng)用于煤礦井下防治水、地質(zhì)異常體探測等領(lǐng)域。

目前，煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與水力壓裂增透強化抽采技術(shù)還未很好地結(jié)合應(yīng)用于瓦斯防治領(lǐng)域，配套鉆探裝備、鉆進(jìn)技術(shù)及工藝等還不成熟，均需研究突破。煤礦井下分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔與普通梳狀定向鉆孔相比在技術(shù)、工藝上具有較大不同，施工難度更高。

(1)鉆遇地層復(fù)雜。相較于普通梳狀定向鉆孔，分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔則是在煤層的臨近層開孔，穿過的層位較多，地層情況較為復(fù)雜，鉆進(jìn)難度相對較大。

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)工藝繁瑣。為滿足分段水力壓裂梳狀定向鉆孔后期高壓水力壓裂的要求，故需從孔口起要下入較深套管，為后期水力壓裂提供基礎(chǔ)。此外，各分支孔間為便于封隔器座封，需預(yù)留平緩孔段，各個孔段有不同技術(shù)工藝要求，因此需多種鉆進(jìn)技術(shù)工藝相結(jié)合。

(3)鉆孔軌跡控制要求嚴(yán)格。分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔對目標(biāo)層位要求較高，鉆孔軌跡上下偏差、左右偏差精確度要求更高，鉆孔軌跡控制一旦造成偏差，將直接影響后期分段水力壓裂的壓裂效果。

(4)輔助作業(yè)較多，鉆孔施工周期長。

此外，分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔鉆進(jìn)施工的層位復(fù)雜，極易造成卡埋鉆、掉鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生；鉆孔軌跡變化較大，也同樣影響孔內(nèi)鉆具的安全。因此，在進(jìn)行分段水力壓裂梳狀定向鉆孔鉆進(jìn)施工時應(yīng)選擇合適的鉆具組合，施工中要注意施工參數(shù)變化，嚴(yán)格控制鉆孔軌跡沿設(shè)計軌跡延伸。

2 鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究

分段壓裂梳狀定向長鉆孔開孔位置位于寺家莊煤礦15117工作面15號煤底板巖巷中，巖巷與15號煤層之間地層巖性由砂巖、深灰色泥巖及其互層組成。根據(jù)地質(zhì)資料及以往的鉆探資料分析，寺家莊礦區(qū)15號煤層松軟破碎，難以成孔，煤層底板是深灰色泥巖，遇水易坍塌掉塊。鉆進(jìn)施工過程中存在鉆孔傾角急降、鉆孔縮徑、塌孔卡鉆等問題。下面分開孔階段和定向鉆進(jìn)階段兩個方面研究分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔的成孔工藝技術(shù)。

2.1 開孔階段

開孔階段，要求鉆孔直徑達(dá)到193 mm，孔深40 m。擬采用“?120 mm PDC鉆頭+接手+?120 mm扶正器+1根?89 mm通纜鉆桿+?120 mm扶正器+?89 mm通纜鉆桿”鉆具組合大傾角開孔，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至40 m，采用二級擴(kuò)孔方式，擴(kuò)孔孔徑193 mm，下入?146 mm套管至40 m處采用水泥封孔注漿方式固孔，安裝孔口三通防噴、防突裝置及氣水分離器。根據(jù)寺家莊煤礦15號煤底板地質(zhì)條件，煤層底板是深灰色泥巖，遇水易坍塌掉塊。從軟巖傾角急降和軟巖縮徑塌孔卡鉆兩個方面研究軟巖的成孔技術(shù)及工藝。

2.1.1 軟巖傾角急降鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究

該鉆孔要求鉆孔最終孔徑120 mm，因此所配開孔鉆具尺寸大、質(zhì)量大，且開孔段為較軟黑灰色砂質(zhì)泥巖，開孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，不能有效控制傾角，在鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)傾角急降的問題。為了解決該問題，研究制定以下方案。

方案一：大傾角開孔。開孔時，適當(dāng)增大傾角以抵消后續(xù)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時傾角急降效應(yīng)。并利用定向組合鉆具測斜，然后根據(jù)實際情況進(jìn)行軌跡調(diào)整。

方案二：保直鉆進(jìn)工藝。通過連接扶正器，采用上仰造斜抵消軟巖降斜作用，實現(xiàn)保直鉆進(jìn)，即采用?120 mm四翼內(nèi)凹鉆頭+0.5 m長?120 mm扶正器+9 m長?89 mm鉆桿+0.5 m長扶正器。根據(jù)其造斜效果適當(dāng)調(diào)整中間鉆桿長度來實現(xiàn)保直鉆進(jìn)。

方案三：快速成孔。通過適當(dāng)增大鉆進(jìn)參數(shù)，提高鉆進(jìn)速度，降低孔底鉆具的下斜時效，適當(dāng)降低傾角下降趨勢。

2.1.2 縮徑卡鉆泥巖地層鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究

根據(jù)寺家莊煤礦15號煤頂?shù)装寰哂心鄮r厚度大、斷層發(fā)育的特點。一般來說，該礦區(qū)泥巖為力學(xué)不穩(wěn)定和遇水不穩(wěn)定雙重作用巖層，構(gòu)造發(fā)育，泥巖層位受斷層、地應(yīng)力等影響，強度低、易變形；泥巖作為水敏性地層，遇水膨脹縮徑卡鉆。作為一個低強度、易變形、抗水性差的軟弱帶，鉆進(jìn)時孔壁容易失穩(wěn)，塌孔掉塊嚴(yán)重。故針對該地層條件，研究制定以下方案。

方案一：快速成孔。水敏性泥巖的水化膨脹是一個動態(tài)發(fā)展的過程?？焖俪煽拙褪强焖偈┕ゃ@孔，從而減少泥巖的水化，避免掉塊塌孔問題的發(fā)生；此外，快速成孔還能減少對孔壁的擾動和沖刷，有利于維持鉆孔孔壁的穩(wěn)定。

方案二：局部注漿。塌孔卡埋鉆事故常發(fā)生在鉆孔的一個局部孔段，采用常規(guī)的全孔注漿方法施工成本高、周期長。局部注漿原理如圖1所示，指當(dāng)鉆遇破碎區(qū)域無法繼續(xù)鉆進(jìn)施工時，將鉆桿與封隔器連接，從孔口下至孔內(nèi)需注漿處理孔段前端穩(wěn)定孔段，之后將封隔器坐封，然后再通過鉆桿從孔口向孔內(nèi)需注漿處理孔段注入配置好的水泥漿，待水泥初凝后，向后提鉆具。

圖1 封隔器局部注漿工藝原理圖

方案三：沖洗液技術(shù)。目前，我國煤礦井下近水平定向長鉆孔施工基本以清水來傳輸動力、冷卻鉆頭和攜帶煤渣。因清水的抑制性較差，鉆遇泥頁巖地層易引發(fā)水化縮徑卡鉆事故；此外，清水粘度較低，攜巖能力有限；不能有效保護(hù)孔壁、預(yù)防塌孔。針對此不足，本項目采用了由中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研發(fā)的MZ-1型防塌乳液。在梳狀孔施工中，利用防塌乳液的抑制性、護(hù)壁性和高粘性解決了泥巖縮徑、沉渣卡埋鉆事故，提升梳狀孔施工的有效進(jìn)尺，提高了該工藝的適應(yīng)性。

2.2 定向鉆進(jìn)階段

待開孔階段封孔注漿候凝完成后，采用“?120 mm PDC鉆頭+?89 mm螺桿馬達(dá)+接手+?89 mm下無磁+接手+?89 mm探管+?89 mm上無磁+?89 mm通纜鉆桿+?89 mm通纜水便”定向組合鉆具進(jìn)行定向鉆進(jìn)施工。針對分段水力壓裂需要，分支孔間距要大于50 m；分支孔間要有不低于20 m長平緩孔段，便于封隔器下入座封。因此，采用定向鉆進(jìn)與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合的復(fù)合鉆進(jìn)工藝進(jìn)行梳狀定向鉆孔施工。

井下梳狀定向鉆孔施工時，主孔及分支孔的施工要根據(jù)施鉆地層狀況、設(shè)計要求和目的等不同，施工順序可分為“前進(jìn)式”和“后退式”兩種。根據(jù)分段水力壓裂技術(shù)的要求，在現(xiàn)有梳狀定向鉆進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，擬采用“前進(jìn)式”分支孔工藝。首先按設(shè)計要求定向鉆進(jìn)至要求平緩孔段，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)20 m，后繼續(xù)定向鉆進(jìn)穿15號煤，見15號煤頂板后繼續(xù)鉆進(jìn)6 m，最后提鉆至預(yù)留分支點處，開分支孔繼續(xù)施工，依次循環(huán)，直至鉆孔施工完成。

根據(jù)寺家莊煤礦15號煤及其頂?shù)装宓刭|(zhì)條件，在定向鉆進(jìn)施工時，擬采用上文所述技術(shù)方案：

(1)快速成孔，減少對孔壁的擾動和沖刷；

(2)在塌孔嚴(yán)重孔段，適時采用局部注漿；

(3)根據(jù)施工需要，適時添加MZ-1型防塌乳液。

2.3 分段水力壓裂梳狀定向鉆孔施工工藝技術(shù)

綜上所述，擬采用圖2所示的工藝流程進(jìn)行分段水力壓裂梳狀定向鉆進(jìn)施工。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

SJZYL-1鉆孔采用上述水力壓裂梳狀定向鉆孔施工工藝流程及技術(shù)措施，于2016年4月2日開鉆，截至2016年6月31日終孔，累計進(jìn)尺1161 m，主孔孔深540 m，其中開分支孔7個。1個主孔和4個分支孔均穿越15號煤層，終孔孔徑120 mm，各孔段情況見表1，鉆孔軌跡如圖3、圖4所示。

圖2 水力壓裂梳狀定向鉆孔施工工藝流程

孔 號分支起點/m終孔點/mSJZYL-1號主孔540SJZYL-1-1號81217SJZYL-1-2號141268SJZYL-1-3號315370SJZYL-1-4號378456

梳狀定向長鉆孔壓裂排水施工完成后，連接抽采管路對壓裂鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，2016年7月31日起每天24 h對研究區(qū)壓裂鉆孔和未壓裂鉆孔瓦斯抽采參數(shù)(瓦斯?jié)舛取⑺矔r流量、累計抽采量、抽采負(fù)壓、溫度)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集；截止2016年10月10日累計采集抽采數(shù)據(jù)66組，抽采濃度最大為47.1%，平均為20.43%，抽采流量平均為0.25 m3/min，平均抽采純量為21 m3/d。壓裂鉆孔抽采濃度提高了10～13倍，抽采量提高了3～8倍。

4 結(jié)語

現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，分段水力壓裂梳狀定向長鉆孔很好的融合了梳狀定向鉆孔和分段水力壓裂的優(yōu)點，形成了一套適合分段水力壓裂梳狀定向鉆孔施工設(shè)備及工藝流程，能夠滿足分段水力壓裂對松軟煤層瓦斯遠(yuǎn)距離與區(qū)域增透技術(shù)的需求，解決松軟煤層透氣性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距離短、抽采區(qū)域小等難題。該技術(shù)順利成功實施能夠提高煤層瓦斯預(yù)抽率和抽采量、改善瓦斯抽采效果，降低煤層開采過程中的突出危險性，為礦區(qū)煤層安全高效開采、瓦斯治理降本增效等方面提供技術(shù)保障。因此，開展該技術(shù)研究及工程施工具有重要的現(xiàn)實意義。

圖3鉆孔軌跡平面圖

圖4鉆孔軌跡剖面圖

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