煤矿井下大直径定向钻进技术在水力压裂中的应用.pdf

第52卷第5期 煤炭工程 COAL ENGINEERING V o l. 52, N o. 5 doi 10.11799/c e202005013 煤矿井下大直径定向钻进技术在 水力压裂中的应用 刘徐三 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕 西 西 安710077 摘要 为了解决碎软、低透气性煤层水力压裂非定向顺层钻孔成孔率低、成孔后易塌孔导致 钻孔诸塞和非定向穿层钻孔有效孔段短的问题，提出了将煤矿井下底板穿层梳状定向钻进技术与水 力射流冲孔技术相结合的增透方案，形成一套适应煤矿井下水力压裂的大直径定向钻进技术。现场 应用结果表明该技术既解决了成孔率低和成孔后塌孔导致的钻孔堵塞的问题，又解决了钻孔有效 距离短、压裂后影响范围小造成的瓦斯抽采效果差问题；抽采最大浓度平均为5.22,抽采流量平 均为4.60m3/m in, 日均瓦斯抽采量平均值334.81m V d, 与普通穿层钻孔抽采数据对比，压裂增透 后钻孔瓦斯抽采流量提高约5.23倍。对该矿区碎软煤层条件下的瓦斯强化抽采具有较强的指导 意义。 关键词煤矿井下；大直径；定向钻进；水力压裂；水力射流 中图分类号T D713.3 文献标识码A 文章编号1671-0959202005-0058-05 Application of large diameter directional drilling in hydraulic fracturing of underground coal mine LIU Xu-san CCTEG Xi’an Research Institute，Xi’an 710077，China Abstract Aiming at the low hole ing rate of non - directional drilling in fractured soft and low permeability coal seam, frequent hole collapsing after hole ing, and short effective hole section, a set of large diameter directional drilling technology is proposed for hydraulic fracturing in coal mine. The field application results show that the technology solves not only the problems of low hole ing rate and hole collapse after hole ing, but also solves the poor gas drainage effect caused by short effective drilling distance and small influence range after fracturing, the average maximum concentration of gas extraction is 5. 22 ； the average flow of gas extraction is 4. 60m3/min ； the average daily gas extraction is 334. 81m3/d. Compared with the data of drilling and drainage in common seam-crossing drilling, the gas drainage flow of drilling hole after fracturing and permeability enhancement is increased by about 5. 23 times. It has a strong guiding significance for the gas intensified extraction under the condition of the broken soft coal seam in the mining area. Keywords underground coal mine； large diameter； directional drilling； hydraulic fracturing； hydraulic jet 瓦斯抽采是我国区域性瓦斯治理和实现煤与瓦 斯共采的关键技术，由于我国煤层透气性普遍较低 透气性系数 0.004 0.04m2/M P a2.d[1’2], 抽采钻 孔影响范围有限，卸压程度不高，瓦斯抽采效果不 够理想，消突周期长，严重制约着矿井的采掘接替。 煤矿井下钻孔水力压裂增透技术[3]是以煤层钻 孔为通道，利用专用压裂设备压裂钻孔，施加高压 注水，高压水流到达煤体内部后由于通道减少而阻 力增加，注人煤层的水压逐渐升高，当孔内压力达 到煤层破裂所需的压力时，煤层就会形成不等规则 的裂缝[4]，可有效提高其透气性。水力射流冲孔造 穴技术[5_〜利用高压水钻头切割和高压水力射流冲 收稿曰期2019-10-30 作者简介刘徐三（ 1983） ，男，山东日照人，硕士，助理研究员，现从事煤矿井下钻探技术研究与推广，E - mail liuxusan cctegxian. com〇 引用格式刘徐三.煤矿井下大直径定向钻进技术在水力压裂中的应用[J ] .煤炭工程，2020, 525 58-62. 58 2020年 第 5 期煤炭工程施工技术 刷煤体，形成较大空间的洞室，可有效防止塌孔造 成的瓦斯通道堵塞，提高瓦斯抽采效果，广泛应用 于松软煤层瓦斯治理。目前，国内外多采用非定向 顺层钻孔或非定向穿层钻孔进行水力射流冲孔和水 力压裂，钻孔轨迹难以精确控制，存在盲区，且非 定向顺层钻孔成孔率低；非定向穿层钻孔在煤层段 有效孔段短（ 煤层段钻孔长度一般不超过l〇m。 近年来，煤矿井下定向钻进技术[11广 泛 应 用 于全国煤矿井下瓦斯治理、探放水、地质异常体探 测等领域，随着技术的不断发展，逐渐形成了顶板 高位定向钻孔、顶板梳状定向钻孔、本煤层顺层定 向钻孔、底板梳状定向钻孔、底板定向钻孔等多种 瓦斯抽采钻进技术及工艺方法，该技术具有钻孔轨 迹精准可控、成孔率高、有效距离长等优点。 针对以上问题，本文在借鉴国内外煤矿井下随钻 测量定向钻进技术和水力射流冲孔造穴技术优势的基 础上，形成一套适合碎软煤层水力压裂大直径定向钻 孔的施工工艺技术，有效解决水力压裂钻孔成孔率 低、成孔后易塌孔造成钻孔堵塞、有效距离短、压裂 后影响范围小、瓦斯抽采效果不明显等问题。 1大直径水力压裂定向钻进工艺原理 1 . 1工艺原理 1 将煤矿井下底板穿层梳状向钻进技术与水力 射流冲孔技术相结合应用到大直径水力压裂定向钻 孔施工中。为满足分段水利压裂要求，各分支点间 距应大于80m; 梳状长钻孔水力压裂工艺原理如图1 所示，根据水力压裂工艺原理，为满足压裂工具串 的顺利下入，采 用 “ 前进式” 开分支孔技术。因 此 ，首先采用煤矿井下底板穿层梳状定向钻进技术， 在碎软、低透气性煤层底板稳定层开孔，以 “ 回 转滑动定向” 的复合定向钻进工艺完成护孔套管 下入孔段施工，下人护孔套管封孔、注浆、侯凝； 然后按设计要求定向钻进至封隔器座封平直孔段， 采 用 “ 回转滑动定向”的复合定向钻进技术完成平 直孔段施工，再将大倾角定向钻进至煤层，见煤后 顺煤层定向钻进60m, 提钻至预留分支点处，开分 支继续定向钻进施工，以此循环，直至完孔。 图 1梳状长钻孔水力压裂工艺原理 2 定向钻进完孔后提钻更换水力射流冲孔钻 具 ，对煤层孔段采用“ 后退式”水力射流冲孔技术 进行扩孔，达到水力压裂增透技术要求目标孔径 500mm。此过程中，由高压水泵站产生的射流经 过耐高压胶管和钻杆后到达钻孔前端，在钻杆前端 安装射流钻头或钻杆，沿与钻杆径向方向进行环向 冲孔破煤。 3 在定向钻进钻遇煤层和水敏性泥岩地层时, 使 用MZ- 1 型防塌乳液[13], 利用防塌乳液的抑制性 能 、护壁性能来避免泥岩水化膨胀造成的缩径、掉 块等孔内卡埋钻事故的发生；同时采用快速成孔技 术 ，减少钻孔的施工时间，即减少了泥岩与水的作 用时间，避免泥岩水化膨胀造成的孔内事故的发生， 快速成孔还能减少对孔壁的扰动和冲刷，有利于维 持钻孔孔壁的稳定，提高了该工艺的适应性[14M6]。 1. 2技术特点1. 2技术特点 与非定向水力压裂顺层钻孔或非定向穿层水力 压裂钻孔相比，大直径水力压裂定向钻孔具有以下 特点 1 大直径水力压裂定向钻孔轨迹精确可控，有 效孔段长，压裂影响范围大，钻孔施工效率高，能 满足瓦斯的集中抽采。 2 水力射流冲孔技术能有效解决大直径钻孔在 碎软煤层孔段机械扩孔成孔难的问题；在水力射流 冲孔孔段，煤体应力降低，煤体内裂隙导通、孔隙 张开，煤层透气性得到大幅度提髙，对水力压裂增 透技术起到一定的辅助作用；此外，钻孔直径大， 大幅度改善了塌孔造成的钻孔堵塞问题。 3 水力压裂强化抽采技术能有效改造煤岩体结 构 、增加煤层透气性、提高煤层钻孔瓦斯抽采效果, 59 施工技术煤炭工程2020年 第 5 期 相比其它水力化措施而言，具有影响范围更大、增 透效果更明显等显著优势，是一种具有广泛应用前 景的井下低透气性煤层增透技术。 2大直径水力压裂定向钻进工艺技术 以阳煤集团新景煤矿为例，大直径水力压裂定 向钻孔开孔位置位于煤层底板下部稳定岩层中，开 孔点与煤层间存在砂岩、深灰色泥岩及其互层，煤 层底板深灰色泥岩具有极强水敏性，遇水极易发生 缩径、坍塌掉块等孔内事故，煤层为松软破碎煤层, 极易发生塌孔卡钻等孔内事故。 2.1钻进工艺2.1钻进工艺 针对以上问题，从开孔、定向钻进和水力射流 冲孔三个阶段分析研究，形成了大直径水力压裂定 向钻孔成孔工艺技术，如图2 所示。 I 设计钻孔| |准备钻场| I确定倾角、 方位角I I设备安装调试I 1 r I 复合钻进-设计孔深 回转扩LM215m I pF入gn46mm套管、 封孔、 注浆1 [ 下入012Ommi向钻具组合 | 确定工具面向角 _______V *----- -调整工具面向角 主孔定向钻进至平缓孔段- 钻孔测量Z是 否 偏 离 \ |顺煤层定向钻进60m完成第/ 个 分 支 子 L 0 提出定向钻具组合 I 下入水力流冲孔钻具I ____ U ____ |采用“ 后退式”水力射流冲孔技术冲孔| |冲孔至设计孔径| --------- 杪 I提钻终1C] 图2大直径水力压裂定向钻孔施工工艺流程 2 . 2 开孔2 . 2 开孔 1 开孔阶段，欲 下 人 100m的0 146mm套管， 故要求钻孔直径215mm，孔 深llOrn。开孔拟采用 “ 0 120mmPDC钻头 接手0 120mm扶正器 1 根 〇 89mm整体式螺旋钻杆 0 120mm扶正器 3 89mm 整体式螺旋钻杆”钻具组合，回转钻进12m。 2 为保证钻孔轨迹的平直，以便于套管的成功 下入，提 钻 更 换 “ 0l2OmmPDC钻头接手0 89mm 螺杆马达 0 89mm下无磁钻杆0 89mm仪器外管 0 89mm脉冲发生器 0 89mm过滤钻杆 0 89mm整 60 体式螺旋钻杆”定向钻具组合，采 用 “ 定向 回转” 的复合定向钻进技术（ 在钻孔轨迹符合设计要求时采 用回转钻进，在出现偏移时采用定向钻进纠偏） ，钻 进 至 110m。 3 提钻更换“ 0l2Omm/168m m P D C钻头接手 0 168m m扶 正 器 1 根 0 89m m整 体 式 螺 旋 钻 杆 0 168m m扶正器0 89m m整体式螺旋钻杆”扩孔钻具 组合和 “ 0 168m m/215m m P D C 钻头 接手0 215m m 扶正器 1 根0 89m m整体式螺旋钻杆 0 215m m扶正 器0 89m m整体式螺旋钻杆”扩孔钻具组合，采用二 级扩孔，扩孔至设计孔径215m m。下入0 146m m套管 至 100m处，采用水泥封孔注浆（ 因钻孔为上仰钻孔， 所以采用外注内返的注浆方式） ，侯凝72h。 2 . 3 定向钻进定向钻进 侯凝完成，在套管上安装孔口三通、气水分离器 及防喷装置，下 人 “ 0l2O m m P D C钻头接手0 8 9 _ 螺杆马达 0 89m m下无磁钻杆0 89m m仪器外管 0 89m m泥裝脉冲发生器 0 89m m过滤钻杆 0 89m m 整体式螺旋钻杆”定向钻具组合，采用上述工艺原理 完成定向钻孔施工。 2 . 4 水力射流冲孔水力射流冲孔 定向钻进施工完成后，提钻更换“ 0l2O m m P D C 钻头接手0 89m m水力射流扩孔器0 89m m高压 密封整体式螺旋钻杆高压送水器”水利射流冲孔 钻具，采 用 “ 后退式”水力射流冲孔技术，对煤层 孔段由内往外勻速回转射流扩孔，直至扩孔至设计 孔径500m m通过出煤量计算钻孔直径） 。 3现场应用 为更好地检验碎软煤层条件下大直径水力压裂 定向钻进技术的可行性，在新景煤矿南五底抽巷6 钻场设计施工大直径水力压裂梳状定向钻孔，进行 现场试验。 3.1地层概况地层概况 新景煤矿南五底抽巷6钻场，开孔位于煤层底 板，为一层较为稳定的深灰色细粒砂岩，其上部为 砂质泥岩，再上部煤层直接底板为灰黑色砂质泥岩， 局部地区还相变为灰黑色的细粒砂岩，上部含有较 多的植物化石碎片，属根土岩。本层与煤层接触处 常有一层0.030.05m的粘土层，质较软，与煤层 接触光滑，具剪切滑动面，这层粘土层强度很低， 遇水极易膨胀；目标3煤层，主要以亮煤、暗煤和 丝炭组成，含有较少的镜煤， / 系 数 为 0.39左右， 回转钻进20m 汗1分支LMX 乜 定向钻进 [ 2020年 第 5 期煤炭工程施工技术 部分区域受到水平构造应力影响，出现底部煤层碎 软，呈受揉皱状态，为油脂、土状光泽，手可碾为 细末或极小的碎块，煤层柱状图如图3 所示。 注状序号 累厚/m 层厚/m岩性描述 14 555. 70 11.38 砂质泥岩 黑色， 断口平坦状， 参差状， 微 含铝质， 在3 . 6m处为0.20m鲕粒 泥岩，具垂直节理， 夹铝质泥岩 薄层及砂质泥岩薄层 圍 15 558. 18 2.483号煤 煤呈块状，以镜煤为主，属光亮 型煤 / / 16 565.016. 83砂质泥岩 黑色， 性脆， 断□参差状， 含丰 富植物根茎化石， 含铝质 17 565. 98 0.97粉砂岩 灰色， 成分以石英、 长石为主， 含黑色矿物， 分选磨圆好， 泥 质胶结 1 18 568. 30 2.32 1砂质泥岩 黑色， 性脆， 断□较平坦， 含少 量植物根茎化石， 具滑面， 含砂 量均匀 / 19572. 25 3.95 泥岩 黑色， 断口平坦状， 含菱铁矿结 核，黄铁矿晶体， 致密细腻 20 573. 821.57砂质泥岩 深灰色， 性脆， 断口较平坦， 含 少量植物根茎化石， 具滑面， 含 砂量均匀 图3煤层柱状图 因此，在大直径水力压裂定向钻进时，底板泥 岩遇水膨胀易造成钻孔缩径或掉块导致卡埋钻事故； 3煤层松软、破碎以及胶结性差易导致塌孔事故。 3 . 2 施工设备3 . 2 施工设备 现 场 施 工 设 备 主 要 有 ZDY12000LD钻 机 、 BLY390型栗车、YHD3-15000 89mm矿用隔爆兼 本安型泥浆脉冲随钻测量系统、0 89〜 42mm高韧性 大通径螺旋钻杆、〇 89mm螺杆马达、0 89mm水力 射流扩孔器等。 3 . 3 钻孔设计3 . 3 钻孔设计 初步设计施工1 个 3煤层底板梳状长钻孔，孔 径 120mm, 主孔孔长540m, 共开3 个分支孔，第一 分支点向北偏移50m，分支孔平面上在主孔两侧穿 插布置，偏移主孔l〇m, 分支孔穿过岩层进人3煤 层 ，在煤层延伸60m后终孔，分支孔开孔点间距 120m，前一分支孔终孔点与后一分支孔见煤点间距 30m，1 孔钻孔设计如图4 所示。 3 . 4 应用效果分析3 . 4 应用效果分析 3.4. 1钻进情况 试验钻孔以新景煤矿南五底抽巷6钻场1钻孔 为例，采用大直径水力压裂定向钻进工艺技术于 2018年 5 月进行了现场应用。应用期间共计施工大 直径水力压裂定向钻孔1 个 ，主孔深度531m, 分支 孔 3 个 ，累计进尺1046m。具体施工情况见表1，钻 孔实钻轨迹如图5 所示。 表 1 I1 1 钻孔施工情况表 孔号起始深度/m进尺/m总进尺/m备注 主孔0-543543见煤114m, 终孔 1-1132-303171 见煤62m，终孔 1-2240 〜 411171见煤112m，终孔 1-3 333-504171见煤60m，终孔 钻孔水平投影长度/m a 平面图 b剖面图 图5 C大直径水力压裂定向钻孔轨迹 3 . 4 . 2 水力压裂情况 钻孔施工完成，调试压裂泵，按照压裂施工方 案将压裂工具串组合安装并推送至预定位置，采用 不 动 管 柱 分 段 压 裂 工 艺 ，以 清 水 为 压 裂 液 ，用 20MPa左右压力进行注水压裂，压裂效果见表2。 表 2压裂效果汇总表 孔号 见煤 长度/m 设计注 水量/m3 实际注 水量/m3 最大泵注 压力/MPa 1主孔 11457562220. 38 卜1分支孔 6237137220.57 卜2分支孔11256761720.66 1-3分支孔60363371 20.39 3 . 4 . 3 瓦斯抽采情况 排水完成后，连接抽采管路，安 装CJZ4Z瓦斯 抽放综合参数测定仪，每 天 24h对钻孔瓦斯抽采参 数（ 瓦斯浓度、瞬时流量、累计抽采量、抽采负压、 温度） 进行在线监测和现场数据采集。共采集抽采数 据 30组 ，累计抽采瓦斯纯量10044. 58m3。瓦斯抽采 浓度和日均抽采纯量变化曲线如图6 所示。 61 施工技术煤炭工程 2020年 第 5 期 瓦斯抽采浓度和日均抽采纯置变化曲线 从抽采数据来看，抽采最大浓度为7. 4 8 , 最 小浓度为4. 5 7 , 平均为5. 2 2 ; 抽采流量最大值 5. 18m3/min，最小值 2. 25m3/min, 平均值 4. 60m3/ min; 日均瓦斯抽采量最大值457. 41 m3/d，最小值 171.08m3/d, 平均值334.81m3/d。从 图 6 还可以看 出，抽采纯量曲线和抽采浓度曲线基本一致。 为了对比分析本次长钻孔水力压裂试验后钻孔 瓦斯抽采效果，收集整理了 3107底抽巷穿层钻孔的 瓦 斯 抽 采 数 据 8 0 组。通 过 数 据 分 析 ，抽采流量 0. 01 0. 23m3/min，平均 0. 08m3/min; 日均抽采量 2. 30290.72m3/d, 平均为 16.91m3/d。通过与普通 穿层钻孔抽采数据对比分析，压裂增透后，钻孔瓦 斯抽采流量提高约5. 2 3 倍。 4结 论 1 大直径定向钻进开孔采用“ 回转 滑动定 向”的复合定向钻进技术，能有效保证开孔段钻孔 轨迹的平直，确保长距离护壁套管的顺利下人。 2 采用底板梳状定向钻孔既能有效保证钻孔在 煤层的覆盖率，增加了有效孔段长度，又能解决碎 软煤层成孔难的问题。 3 在定向钻进钻遇强水敏性泥岩地层和碎软煤 层时，采用快速成孔技术和冲洗液辅助成孔技术能 有效保证泥岩和碎软煤层孔段的成孔率。 4 采用水力射流冲孔技术进行扩孔，既能保证 水力压裂对煤层孔段钻孔直径的要求，又解决了机 械扩孔成孔难的问题。 5 大直径定向钻进成孔质量好，符合水力压裂 技术对钻孔的要求。压裂增透后，瓦斯抽采效果提 升显著（ 约 5.23倍） 。 参考文献参考文献 [1] 叶建平，史保生，张春才.中国煤储层渗透性及其主要影响 因 素 [J] . 煤炭学报，1999 , 242 118-122. 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[16] 金新.煤矿井下定向钻进防塌乳液研究[J] . 煤田地质与 勘探，2017 , 451 158-161. 责 任 编 辑 张 宝 优 .__._- o 6 oooooo 丨 5 0 4 0 3 0 2 0 10 B | 曰 /_眾味思卫 62