白 剛

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

0 引言

瓦斯抽采是煤礦區(qū)域瓦斯治理及實現(xiàn)煤與瓦斯共采的關鍵技術，由于我國煤層透氣性普遍較低，常常面臨煤層瓦斯抽采率低、鉆孔有效影響范圍小、鉆孔抽采濃度衰減快等問題，嚴重制約礦井采掘接替［1-3］。選擇合適的方法對煤層進行增透，提高瓦斯抽采率，是近年來高瓦斯突出礦井瓦斯抽采的主要發(fā)展方向［4-5］。水力壓裂作為一種有效的、應用前景廣泛的煤層增透技術，近年來在我國平頂山、焦作、淮南、陽泉、黃陵等礦區(qū)得到應用，但目前大多是在煤礦井下常規(guī)穿層鉆孔和順層抽采鉆孔中應用，鉆孔長度及壓裂影響范圍有限，且存在封孔不嚴實、壓裂漏水等問題。將定向鉆孔工藝與水力壓裂技術結合，可實現(xiàn)長鉆孔整體壓裂，增透效果較好，有利于實現(xiàn)煤層瓦斯區(qū)域整體卸壓、高效抽采［6-8］。

定向鉆孔孔口套管順利下放、封孔合格是水力壓裂成功的前提與關鍵。套管下入深度要根據鉆孔結構、鉆遇地層情況、水力壓裂工藝等要求而定［9-10］。國內很多工程實踐均探索研究了下套管工藝，取得了相應的應用效果。孫新勝等［11-12］研究了順煤層瓦斯抽采鉆孔快速下套管技術及探放水鉆孔保直鉆進下套管技術，張海慶［13］提出本煤層雙套管瓦斯抽采技術，鄧明明［14］研究了全孔深大孔徑插接花管瓦斯抽采技術?？傮w來看，目前本煤層常規(guī)鉆孔下套管及封孔技術比較成熟，定向鉆孔長距離下套管技術尚不完善，尤其與整體式水力壓裂工藝結合起來的定向鉆孔套管下放技術，目前的研究較少?；诖藛栴}，筆者結合陽泉礦區(qū)碎軟低透煤層長鉆孔整體水力壓裂工程實踐，探索研究水力壓裂定向鉆孔超長套管下放技術，為類似工程施工提供借鑒。

1 試驗區(qū)概況

試驗地點為陽泉新景礦，鉆孔終孔及水力壓裂的目標煤層為山西組3號煤層，平均厚度為2.25 m，受到構造應力的影響，煤層碎軟，煤體破壞類型屬Ⅲ、Ⅳ類。3號煤層直接頂以砂質泥巖為主，老頂為發(fā)育穩(wěn)定的細粒砂巖，其平均厚度為6.17 m，直接底為約2.5 m厚的砂質泥巖。

3號煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa，屬于突出煤層，且透氣性差，煤層中瓦斯較難抽采，嚴重制約了煤礦的采掘接替。

2 水力壓裂定向鉆孔布置及下套管要求

為了提高瓦斯抽采效果，通過在底抽巷布置鉆場，從底板開孔，向上部3號煤層施工穿層定向長鉆孔，見煤后鉆孔軌跡順目標煤層延伸，并通過鉆孔向煤層內注入高壓水介質進行壓裂，達到增大煤層透氣性的目的。

針對3號煤層儲層物性和鉆孔布置方式，采用封隔器快速封孔方式進行整體水力壓裂。由于3號煤底板以砂質泥巖為主，且底抽巷施工過較多穿層鉆孔，鉆場周圍巖層裂隙較多，為了防止壓裂過程巖層漏水，保護頂部南五正、副巷安全，須在巖孔段全部下入套管，并在套管內進行封隔器坐封、試壓。

定向鉆孔剖面軌跡示意圖如圖1所示。

圖1 水力壓裂定向鉆孔剖面軌跡示意Fig.1 Schematic diagr am of the hydr aulic fractur ing dir ectional bor ehole tr ajector y

3 超長套管下放技術難點及改進措施

開孔段軌跡不平滑、偏斜較大，造斜段鉆孔曲率過大，套管與鉆孔孔壁間隙過小，孔內沉渣較多、摩阻大，是導致套管下放深度受限及成功率低的主要原因，且人工下套管費力、費時，深度超過100 m就較難實現(xiàn)。針對上述問題，提出了4種改進措施，以保證超長套管能夠順利下入。

3.1 保直鉆進技術

開孔段一般采用回轉鉆進工藝，但鉆孔軌跡偏斜較大。采用保直鉆具組合，將穩(wěn)定器布置在鉆頭后端與鉆桿之間，穩(wěn)定器外徑與鉆頭直徑相當，起到支點的作用，使整個鉆具達到“剛、直”的效果，從而實現(xiàn)保直鉆進，保證孔口段套管能夠順利下入。穩(wěn)定器的長度、數(shù)量及組合形式可根據地層情況及鉆具級配適當調整，穩(wěn)定器保直鉆具組合示意圖如圖2所示。

根據套管規(guī)格及施工要求，一般先進行先導孔施工，再進行多級擴孔，保證套管下放有足夠大的環(huán)空間隙。常用的保直鉆具及穩(wěn)定器規(guī)格級配見表1。

圖2 穩(wěn)定器保直鉆具組合示意Fig.2 Schematic diagram of the straight-drilling assembly with stabilizers

3.2 鉆孔造斜段曲率控制技術

套管在彎曲孔段的下放深度與套管管體彎曲曲率、套管直徑與鉆孔孔徑、套管長度、鉆孔彎曲曲率等因素有關。其中套管彎曲曲率影響因素包括鋼材彈性模量、屈服強度。鉆孔彎曲曲率受施工過程造斜儀器及鉆進參數(shù)等控制。

表1 保直鉆進常用穩(wěn)定器及鉆具級配Table 1 Common stabilizers and drilling tool sizes for straight drilling

通過查閱資料，借鑒美國石油協(xié)會（API）和國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）推薦的公式、以及我國學者韓志勇等提出的經驗公式［15］，地面鉆井用套管可通過的最大井眼曲率一般為15°/30 m～20°/30 m，該數(shù)值大小受套管螺紋連接強度、套管承受的軸向應力等因素控制。煤礦井下各類定向鉆孔常用的套 管 規(guī) 格 為?168/?146/?127/?108 mm，壁 厚4.5～6.5 mm，材質為DZ40/DZ50鋼管，單根長度一般為1.5～3 m。方俊等［16］、王建軍等［17］通過建立套管下放的剛性模型和彈性模型，進行了分析研究，得出煤礦井下常用套管最大允許彎曲曲率一般不超過0.3°/m。

綜上考慮，在定向鉆孔軌跡設計時，將造斜段彎曲曲率控制在0.7°/3 m～0.9°/3 m為宜（鉆桿單根為3 m）。鉆進過程中，選擇造斜強度適中（≤1.25°）的螺桿馬達，嚴格控制鉆機給進壓力、泵量等參數(shù)，避免鉆進速度忽快忽慢而導致軌跡偏斜；調整工具面向角時，要盡量釋放鉆桿反扭矩、減少因其旋轉產生的角度誤差；造斜孔段避免出現(xiàn)傾角和方位角參數(shù)同時變化，以減小孔內阻力，利于長距離套管的下放。

3.3 鉆機驅動主動鉆桿下放技術

加工改造了一種轉換接頭（如圖3所示），一端連接套管、另一端連接主動鉆桿，利用鉆機驅動鉆桿將套管送入孔內，替代傳統(tǒng)人工推送下套管。同時在套管最前端連接套銑鉆頭，如孔內阻力較大時，可適當轉動鉆桿及套管，通過套銑鉆頭研磨孔內巖屑，并且在鉆桿末端可連接泥漿泵管線，利用高壓沖洗液將孔底巖屑沖出，減小孔內阻力，可實現(xiàn)套管長距離下放。

圖3 套管與鉆桿轉換連接示意Fig.3 Schematic diagram of the casing to drill pipe adaptor

3.4 套管導正技術

一般情況，在自重的作用下，套管在孔內會存在“托底”的趨勢，隨著下入距離的增加，該趨勢更加明顯，從而導致套管與孔壁間隙變小、阻力增大，甚至會遇到巖屑堆積而使套管難以下入的情況。地面油氣鉆探中，導正器指的是為確保下入的套管柱居于井筒中心而在套管外表面安裝的剛性并富有彈性的扶正構架，應用廣泛且技術成熟。煤礦井下各類鉆孔要求套管下入深度一般較淺，下套管工藝相對簡單，目前針對煤礦井下長距離鉆孔套管導正技術的研究及應用較少。筆者結合生產實踐，嘗試通過在套管表面焊接導正條的方式，以期達到套管導正的作用。

考慮到焊接可能對套管壁造成損傷，選用了壁厚8.5 mm的加厚鋼材。采用較小的焊接電流、較快的焊速、焊接前先進行點固焊等特殊工藝來防止焊接過程套管壁被燒穿或受損傷。使用前對套管進行嚴格檢測，確保焊縫處無明顯裂紋及缺陷。另外，對焊接條的形態(tài)、性質進行了簡單分析。直條強度高、剛性大，但對于孔內有沉渣的情況則容易增加下放阻力。螺旋條強度及剛度相對略小，但套管下放時稍帶旋轉可增加排渣能力，更適用下斜孔段。本次工程試驗下套管孔段為上仰形態(tài)，孔內沉渣較少，故選用直條導正。

在套管表面均勻焊接3個導正塊，長度為500 mm、寬度為20 mm、高度為10 mm，起到使套管導正、居中的作用。如每根套管都焊接導正塊，則會使套管的彎曲曲率減小，不利于在造斜孔段下放。實際應用中，每間隔5～10根可使用一根帶導正塊的套管，有利于減弱“托底”現(xiàn)象，實現(xiàn)套管導正的目的。套管導正塊布置如圖4所示。

圖4 套管導正塊布置示意Fig.4 Placement of casing centralizers

4 現(xiàn)場應用效果分析

在新景礦南五底抽巷共設計施工4個水力壓裂定向穿層鉆孔，要求在鉆孔見煤點之前巖孔段全部下入壁厚8.5 mm、外徑146 mm的地質鋼套管。定向鉆孔設計長度450～500 m，其中巖孔段150～180 m，鉆孔孔徑193 mm；煤層段300～320 m，鉆孔孔徑120 mm。鉆孔設計參數(shù)見表2。

表2 水力壓裂定向鉆孔設計參數(shù)Table 2 Design par ameters of dir ectional bor eholes for hydraulic fracturing

Y-3孔鉆進時開孔段及后期擴孔時未使用保直鉆具，導致軌跡偏斜較嚴重，巖孔造斜段距離短、平均造斜曲率達到0.42°/m，導致套管下深至113 m處阻力過大、鉆機系統(tǒng)壓力及扭矩升高，無法繼續(xù)下入。套管末端至見煤位置有29 m的巖層較破碎，后期施工過程該段巖層反復塌孔、掉塊、卡鉆，導致大量煤、巖屑堵塞，返水不暢，繼續(xù)鉆進極其困難，在孔深192 m時停止施工。考慮到裸露巖孔段較長、且破碎，煤層段距離太短，未對該孔進行水力壓裂。

后續(xù)施工Y-4、Y-1及Y-2鉆孔時，先導孔采用?120 mm鉆頭+?89 mm接手（0.4 m）+?114 mm扶正器（0.5 m）+?89 mm鉆桿（1.5 m）+?114 mm扶正器（0.5 m）+?89 mm鉆桿（1.5 m）+?114 mm扶正器（0.5 m）+?89 mm鉆桿（3 m）的保直鉆具組合。多級擴孔時采用?120/?153 mm擴孔鉆頭+? 151 mm扶正器（1 m）+?89 mm鉆桿（3 m）及? 153/?193 mm擴孔鉆頭+?191 mm扶正器（1 m）+?89 mm鉆桿（3 m）的保直鉆具組合，經過測量鉆孔軌跡數(shù)據，開孔段前60 m鉆孔傾角和方位角偏差控制在±1.5°，滿足保直鉆進的施工要求。

另外對鉆孔造斜段軌跡重新優(yōu)化設計，施工過程實時調整造斜段距離、造斜曲率并嚴格控制鉆進參數(shù)，將平均造斜曲率控制在0.25°/m以內。對下套管工藝進行改進，在套管表面焊接導正塊，采取主動鉆桿+套銑鉆頭方式推送套管，3個鉆孔均順利將套管下至見煤點位置。套管最長下深達到168 m，長度均超過150 m，套管下放成功率達100%。

鉆孔實鉆參數(shù)及套管下放情況如表3所示。

現(xiàn)場應用情況表明，以上改進措施有效、實用，不僅提高了超長套管下放成功率，還縮短了下套管時間，降低了人工勞動強度，平均工效由5.5 m/h最大提高至13.1 m/h。超長套管的順利下放，確保了巖孔段的穩(wěn)定及水力壓裂封隔器的坐封安全、合格，為整體式水力壓裂成功實施提供保障。

表3 水力壓裂定向鉆孔實鉆參數(shù)及套管下放統(tǒng)計Table 3 Actual directional drilling parameters and casing running data for hydraulic fracturing

5 結論

（1）針對超長套管下放受限及成功率低的問題，提出保直鉆進、造斜段曲率控制、鉆機驅動主動鉆桿下放及套管導正技術措施。

（2）采用穩(wěn)定器保直鉆具組合，60 m深度以內鉆孔軌跡偏斜較小，傾角和方位角偏差可控制在±1.5°范圍，滿足保直鉆進的要求。通過對造斜鉆具的優(yōu)選、鉆進參數(shù)的控制，將造斜孔段曲率保持在0.25°/m以內，滿足了長距離套管下放的要求。

（3）在新景礦進行現(xiàn)場試驗，完成3個定向鉆孔超長套管下放，最大下放深度達168 m，同時縮短了下套管時間，平均工效由5.5 m/h最大提高至13.1 m/h。驗證了超長套管下放技術的可行性，為整體式水力壓裂成功實施提供了基礎與保障。