地面壓裂與井下鉆孔對接聯合抽采技術

馬錢錢

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

我國煤層地質條件復雜，80%以上的高瓦斯煤層屬于低透氣性煤層。對于不具備開采保護層條件的單一高瓦斯低透氣性煤層，單純依靠常規(guī)瓦斯抽采技術存在抽采難度大、效果差等缺點，需要研究適宜的增透、促抽新技術；在當前礦井高產高效發(fā)展要求下，高瓦斯低透氣性煤層較長的抽采達標周期制約了礦井先進的綜采綜掘設備能力的發(fā)揮，因此，需要進一步提高瓦斯抽采效率，實現抽掘采有序銜接，保障礦井安全與高產高效[1]。隨著煤與瓦斯共采理論的推廣應用，我國在“地面”和“井下”瓦斯抽采方面，分別形成了較為成熟的地面井抽采利用工程成套技術，以及以千米定向鉆孔技術為代表的井下鉆孔抽采技術。在高瓦斯低透氣性煤層礦區(qū)形成了“地面井+井下鉆孔（巷道）抽采”的立體瓦斯抽采格局[2-3]。地面井抽采技術和井下鉆孔抽采技術各有優(yōu)缺點，在技術上可形成優(yōu)勢互補，而如何實現地面和井下抽采技術在時空上的有效結合和優(yōu)勢互補，需要展開探索和研究，為此提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采相結合的瓦斯抽采技術。

1 地面壓裂裂縫擴展機理

煤層水力壓裂包括煤體裂縫起裂和裂縫延伸2個方面，當注水壓力超過煤體的起裂壓力時，其發(fā)生破裂。已有研究表明：水力壓裂裂縫基本在煤層中擴展，形成水平裂縫，裂縫延伸方向主要受地應力場控制，多平行于地層最大水平主應力方向或垂直于斷層走向，縫寬隨裂縫擴展而變小。煤層水力壓裂是水壓主裂縫與分支裂縫交替擴展延伸的過程，最終形成主裂縫與分支裂縫交叉的裂縫網絡[4-5]。

1.1 水力壓裂裂縫擴展的影響因素分析

煤層水力壓裂裂縫的起裂和擴展主要與煤巖內在本質因素（力學性質、地應力場）以及外部工藝因素（泵注壓力、注水流量和注水時間）有關。在實際壓裂過程中，主要靠外部工藝因素來影響裂縫的擴展效果。壓裂過程注水壓力不是一個恒定值，而是1條隨著注水時間變化的曲線，可以近似地將該曲線對應的峰值注水壓力當作起裂壓力。由于注水壓力與注水流量和注水時間直接相關，主要研究注水流量和注水時間對壓裂效果的影響。

1.2 水力壓裂裂縫擴展數值分析

運用顆粒離散元PFC2D數值模擬軟件，建立50 m×50 m 的模型，設計不同注水參數（5.076～17.676 m3/h等量遞增的8組不同注水流量；400～700 s等量遞增的7組不同的注水時間）組合成56組數值計算方案，模擬分析不同注水參數對裂縫擴展的影響，對相應的數據進行回歸分析，得出的注水參數與壓裂半徑的數值關系數值模型如圖1。

圖1 數值模型圖

基于多組壓裂數值模擬結果，分析得到注水時間、注水流量的壓裂半徑隨注水時間變化曲線及散點圖（圖 2）。

壓裂半徑與注水時間、注水流量均存在很好的線性關系。根據相關數理統(tǒng)計理論：壓裂半徑可以擬合成與注水流量和注水時間線性相關的關系式。對數據進行回歸分析，得到壓裂半徑與注水參數的函數關系：

式中：L 為壓裂半徑，m；Q 為注水流量，m3/h；t為注水時間，s。

圖2 注水時間、注水流量與壓裂半徑的關系圖

2 地面壓裂井下裂縫影響范圍研究

2.1 實驗室煤層水力壓裂數值模擬

建立150 m×120 m的模型，底部設置壓裂孔，數值計算模型如圖3。采用控制流量的注水加壓方式，初始水壓p0取2 MPa。壓裂模擬參數見表1，煤層物理力學參數按照壓裂井實際煤層地質選取。

圖3 數值計算模型

表1 壓裂模擬參數

水力壓裂模擬裂紋展布如圖4。由圖4可知，模擬得出的壓裂裂縫大致呈1條直線，沿著最大水平地應力力方向擴展，壓裂裂縫延伸長度為99.8 m。

2.2 地面壓裂井下影響范圍現場考察

圖4 水力壓裂模擬裂紋展布圖

通過巷道和鉆孔揭露壓裂井周圍的排渣見砂情況，定點軌跡追蹤裂縫延展方向和范圍，實測壓裂裂縫大致呈1條直線，且主要沿著煤層與頂板間形成裂縫，微小裂隙分支較少，直線方向為主裂隙方向，裂縫寬0.06 m，長半軸方向的影響范圍約94 m。

2.3 地面壓裂井下影響范圍預計分析

通過地面壓裂裂縫擴展機理研究，提出了煤體水力壓裂壓裂半徑與注水流量、注水時間關系的數學計算模型，并基于實際水力壓裂過程，將選定的注水參數（注水流量 108.6 m3/h，注水時間為 1.13 h）代入壓裂半徑與注水參數的函數關系計算，得出壓裂半徑為99.50 m，其與井下實際測得的壓裂半徑94 m非常接近。

對實際水力壓裂過程進行數值摸擬得出的結果為沿著最大主應力方向水力壓裂裂縫延伸99.8 m，同樣與井下實際測得的壓裂半徑94 m非常接近。

綜上所述，對于壓裂半徑，現場實測值、數值模擬結果以及解析解三者差別不大，基于顆粒離散元方法的水力壓裂數值模擬能較好地反映水力壓裂裂紋擴展特性。

3 地面和井下抽采技術時空關系

地面井抽采技術具有安全、設備能力大、覆蓋煤層范圍大、不占用井下巷道空間、機動性好和利用率高等優(yōu)點，但其適用煤層條件苛刻，排采成功率低，成本高。井下瓦斯抽采技術具有適用范圍廣，易精確控制目標抽采區(qū)域，與井下采掘作業(yè)銜接緊密，成本低的優(yōu)點，但其受井下作業(yè)空間限制，抽采范圍小且勞動強度高。為實現2種抽采技術優(yōu)勢互補，提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采結合方式，發(fā)揮地面壓裂的壓力高、規(guī)模大的優(yōu)勢，對目標煤層區(qū)域強力增透，同時，利用井下抽采的精確控制和緊密銜接的特點強化瓦斯抽采?！跋炔伎缀髩毫选钡慕Y合方式要在空間上實現地面壓裂井井位布置與礦井巷道、鉆孔布置相協調；“先壓裂后布孔”的結合方式要在時間上實現地面壓裂與煤層鉆孔工程協調一致[6-7]。

3.1 井下抽采鉆孔與壓裂井井底空間關系

井下對接鉆孔布孔設計是井上下聯合抽采的關鍵環(huán)節(jié)。根據預計的壓裂裂縫延伸方向及范圍、已掘巷道位置，確定鉆孔的終孔位置，將鉆孔布置在預計安全壓裂影響范圍外，確保巷道壁或鉆孔不被壓穿。

根據地面壓裂井下裂縫影響范圍研究結果，預計壓裂主裂縫為平行主應力方向的直線，壓裂影響范圍為以主裂縫為長軸的橢圓，長半軸長約100 m。設計壓裂前對接鉆孔終孔點與壓裂井井底的距離大于100 m，并留20 m安全距。

鉆孔終孔與壓裂井井底相對位置如圖5，在距離抽采鉆孔120、180、200 m處分別施工3口地面壓裂井，進行不同安全距離的鉆孔抽采效果對比。不同安全距離鉆孔瓦斯抽放參數見表2。

圖5 鉆孔終孔與壓裂井井底相對位置圖

表2 不同安全距離鉆孔瓦斯抽放參數

由表2可知，在不同的安全距離條件下施工井下對接鉆孔，對目標煤層的增透促抽效果差異明顯，安全距離為180、200 m以上鉆孔抽采效果相當，而安全距離為120～180 m的鉆孔區(qū)域受壓裂影響較大，鉆孔抽采效果明顯提高，預抽時間大大縮短。

在3口壓裂井覆蓋的巷道掘進期間，實測了鉆屑瓦斯解吸指標K1值[8-10]，經統(tǒng)計分析得出防突指標K1（大于0.4）的占比為7.8%，而正常區(qū)域巷道掘進時測得的K1（大于0.4）的占為40%～50%。可見，在地面井壓裂和井下鉆孔抽采的雙重作用下，煤與瓦斯突出危險性預測指標大小明顯減小，煤與瓦斯突出危險性降低。

地面壓裂井與井下對接鉆孔空間位置關系至關重要，對接鉆孔終孔點應布置在距離壓裂井井底120～180 m范圍內，此時，地面壓裂和井下抽采實現了空間上的優(yōu)勢互補，聯合抽采效果最好，超過180 m后，地面壓裂對井下對接鉆孔抽采的影響較小，聯合抽采效果不明顯。

3.2 地面壓裂和井下抽采鉆孔銜接時間關系

地面壓裂后，裂縫將經歷“擴張-保持-閉合”3個階段，煤體應力平衡狀態(tài)也相應的經歷“打破-動態(tài)平衡-穩(wěn)定”3個階段，在時間銜接上，井下鉆孔施工要在壓裂后形成相對穩(wěn)定的“動態(tài)平衡”階段完成。

為此進行“先壓裂后布孔”試驗，通過考察同種布孔參數，不同滯后時間下鉆孔施工難易程度、成孔率、鉆孔流量、濃度等參數，研究確定井下鉆孔施工滯后地面壓裂的合理時間。

在滯后地面壓裂不同時間向壓裂井底施工定向長鉆孔，對鉆孔滯后地面井壓裂0～2個月、2～4個月以及4個月以上3種情況進行考察，滯后壓裂不同時間的鉆孔施工情況和鉆場抽采情況見表3。

表3 滯后壓裂不同時間的鉆孔施工情況和鉆場抽采情況

綜合比較井下鉆孔滯后地面壓裂3種情況，滯后2～4個月時，鉆孔長時間維持較高的抽采濃度和百米鉆孔流量，抽采效率顯著提高，很好地利用了地面壓裂對井下抽采的有利影響，能夠實現抽采效益最大化。地面壓裂后2～4個月內是最佳的井下鉆孔銜接抽采時間，

4 結論

1）提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采相結合的瓦斯治理辦法。

2）分析并確定了裂縫起裂和延展的因素，給出了地面壓裂裂縫擴展理論計算方法，即壓裂半徑L與注水流量Q和注水時間t的數學關系式：L=0.62Q+8.383×10-3t-0.448，為地面壓裂造縫、布孔設計等提供理論支撐。

3）對實際水力壓裂過程進行了數值模擬，模擬得出水力壓裂裂縫沿著最大主應力方向延伸99.8 m，模擬預計的壓裂半徑與實測的壓裂半徑94 m相近，說明數值模擬具有很好的適用性。

4）地面壓裂作業(yè)與井下抽采鉆孔合理的時間和空間銜接參數為：采用“先布孔后壓裂”的結合方式，對接鉆孔終孔點布置宜在距離壓裂井井底120～180 m范圍內；采用“先壓裂后布孔”的結合方式，井下鉆孔布置宜滯后地面壓裂2～4個月，即在裂縫保持階段施工鉆孔。