地面直井大流量水力压裂消突在新景矿的应用
咼建军
(阳泉新宇岩土工程有限责任公司，山西阳泉045000)
摘要：为解决掘进工作面瓦斯突出威胁，提高突出煤层瓦斯抽采效率，实现巷道的快速掘进，以阳煤集团新景矿为研究对象，针对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的问题，提出在地面施工煤层气立井，采用大流量消突配合地面排采的施工工艺对目标煤层进行压裂，分别对钻进施工、固井施工以及压裂施工方案进行设计，旨在实现煤层瓦斯的有效消突，确保掘进作业的安全性。 关键词：水力压裂；固井；大流量；钻井施工
中图分类号:TD713文献标识码:A文章编号：1009-0797(2021)01-0009-03
Application of High-flow Hydraulic Fracturing to Eliminate Outburst
in Vertical Well in Xinjing Mine
GAO Jianjun
(Yangquan Xinyu Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,Yangquan045000,China)
Abstract:In order to solve the threat of gas outburst in the driving face,improve the gas extraction efficiency of outburst coal seam,and realize the rapid excavation of the roadway,taking the Xinjing Mine of Yangmei Coal Group as the research object,aiming at the8#coal seam south and north return air lanes and auxiliary transportation In the process of roadway excavation,the danger of gas outburst is relatively large,and the advancing speed of the driving face is slow.It is proposed to construct CBM shafts on the ground,and use the large-flow anti-outburst and ground drainage technology to fracturing the target coal seam.The design of drilling construction,cementing construction and fracturing construction is designed to achieve effective elimination of coal seam gas and ensure the safety of tunneling operations.
Keywords:hydraulic fracturing;cementing;large flow rate;drilling construction
1区域地质概况
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，#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所示。
表1钻孔基本数据表
井号
X
坐标
Y Z
目的
煤层
底板标咼(m)
煤层厚度
(m)
设计井
深(m) XJ-11104680828661049565/515/440639 XJ-12104722831811070
3、8、
15#
545/495/410 2.0/2.5/6.5690 XJ-13104654834801134560/510/425739
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①311.1mm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①215.9mm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。 -9-
表2井身结构设计参数表
一开二开
孔号钻头钻达套管套管钻头钻达套管套管外径井深尺寸下深外径井深尺寸下深
mm m mm m mm m mm m XJ-11311.1520244.519.5215.9639139.7638.5 XJ-12311.1520244.519.5215.9690139.7689.5 XJ-13311.1520244.519.5215.9739139.7738.5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本次钻探设计的钻井参数如表3所示。
表3钻井参数表
井段
钻头尺寸钻头
（mm）型号数量
钻压dna测序
KN
ck666
转速
r/min
排量
L/s
泵压MPa
钻井液密度
g/cm3
一开
311.1,1
GA114*12310-3060255 1.05
二开215.9,3
H517x4350-16060-9020-2510.7-14.0 1.03-1.05
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，本次钻进施工设计标准为：钻井最大井斜芨2°，井底最大水平位移芨20m；
2）—开全角变化率W1.2°/25m，井径扩大率％20%;
3）二开全角变化率W1.3°/25m，井径扩大率％20%。
2.3钻具组合
2.3.1车载钻机RD20n
1）一开钻具组合：规格为①311.15mm的三牙轮钻头（或①311mm潜孔锤）+$159mm钻铤x 4+①114mm钻杆串。
2）二开钻具组合：规格为①215.9mm三牙轮钻头（PDC钻头）+（①214mm螺旋扶正器+$159mm钻铤）x4+①114mm钻杆。
2.3.2TSJ—2000水源钻机
1）一开钻具组合：规格为①311.15mm的三牙轮钻头钻头+$178mm钻铤x2+①110mm的方钻杆。
2）二开钻具组合：规格为$215.9mmPDC钻头+$178mm钻铤x4+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，采用低固相钻井液何，对目的煤层段进行钻进施工时，选用清水或其它密度芨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，确保钻井液的密度芨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$244.5mm x&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$139.7mm x7.72mm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芨0.3m。套管柱设计参数如表4所示：
表4套管柱设计参数表
孔号
表层套管生产套管
井段
m
质粒拯救
长度
m
下深
m
返高
m
井段
m
长度
m
下深
m
返高
m XJ-110-402019.5地面0-639639638.5200 XJ-120-602019.5地面0-690690689.5240 ZJ-130-802019.5地面0-739739738.5270 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1.85g/cm3 G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，输送生产套亀，使用平均密度<1.85g/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48h试压叫试压压力为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
套管
程序
套管
尺寸
mm
平均
环容
L/m
水泥浆
返深m
注水
泥量
袋配
灰浆
附加
系数
水泥
量m
3
封固
段长
m
水泥
类型
表层
套管
244.529地面 1.844 1.50.940G级
生产
套管
139.721.3
3#煤层
顶板以
上200m
14.3380.58.9370
G级+
添加剂
备注生产套管选用添加剂的成分为0.6%M83S+0.4%WS+0.6%备注M53S+0.2%G202+3%CaCL2
-10-
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
序号层位井段(m)厚度
(m)
型弹型
孔密
(孔/m)
相位角
(毅)
18号547.5-550.0 2.51021271660
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0.6cm3心. 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。
参考文献
[1]任建刚，宋志敏，刘高峰，张子戌.煤层气井压裂对井下瓦
斯抽采量与涌出浓度影响研究[J].煤炭工程,2013,45
(11):96-98.
[2]张杰.低固相钻井液在煤田钻探施工中的应用[J].中国
煤炭地质,2016,28(09):70-72.
[3]汪有清.低压力、低含量煤层水力压裂技术[J].煤矿现
代化,2016(06):83-85.
[4]韩中红，郭飞鹏.新兴煤矿突出煤层掘进工作面综合消突
技术实践[J].煤矿现代化,2016(05):29-30.
[5]谢小国，罗兵，莫家齐.煤层气井固井质量测井评价方法
研究[J].能源技术与管理,2020,45(03):142-144.
作者简介：
高建军(1987-)，男，汉族，山西省临县人，大学本科，2011毕业于湖南科技大学，土木工程专业。地质工程师，研究方向：岩土工程，现从事岩土工程勘察设计、地质灾害治理、地面钻井工程、煤层气开发应用工作。
（收稿日期:2020-7-6）
(上接第8页)
山煤左云长春兴煤业301综放工作面扇形收尾工艺的成功实践，产生的生产效果和经济效益总结如下：
防盗电子狗1)为资源枯竭矿井回收边角煤、地质构造复杂矿井受落差较大断层影响的区域不能布置规则综放工作
面的末采工艺提供了一定的实践参考，通过旋转回采施工工艺，降低了回采巷道吨煤掘进率、提高了工作面扇形收尾的速度。
2)山煤左云长春兴煤业301综放工作面通过采用厚煤层大角度扇形收尾的施工工艺，提高了巷道的利用率，降低矿井的万吨掘进率，为矿井多回收煤炭资源32万t，同时为企业多创造利润6400万元。
参考文献：
[1]李文亮.大倾角综采工作面收尾旋转调斜工艺实践[J].
能源与节能,2019(09):187-189.
锡渣分离机
[2]牛国玺，胡计平，李强.复杂条件下综放工艺旋转开采技
术研究[J].河北煤炭,2003(06).
[3]张睿，钟南宁，于泳.复杂构造条件下综采工作面收尾技
术研究与实践[J].煤炭工程,2014,46(11):42-45.
[4]刘康.大倾角综采工作面收尾旋转调斜工艺实践[J].山
西焦煤科技,2018,42(01):39-42.
阿维菌素油膏[5]刘克健，于海洋，石冬冬.综采工作面扇形调采技术应用
[J].科技风,2012(03):110.
作者简介：
范冬阁(1989-)，男，辽宁省昌图县人，山西煤炭进出口集团左云长春兴煤业有限公司，研究方向：采煤技术。
(收稿日期：2020-3-30)
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