煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向水力壓裂技術(shù)研究

劉登峰，周俊杰，龔齊森，王選琳，補成中

（1.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶400061；2.川慶鉆探有限公司頁巖氣項目經(jīng)理部，成都610056）

近年來借鑒油氣行業(yè)經(jīng)驗運用水力壓裂技術(shù)治理煤礦瓦斯得到了有效發(fā)展，其特點都是以水或壓裂液作為煤體卸壓增透的介質(zhì)，使其產(chǎn)生并溝通裂縫，達到提高煤塵透氣性和瓦斯抽采效率的目的。但煤礦井下的水力壓裂壓裂工藝和裝備當前尚處于起步發(fā)展階段，并且“水治瓦斯”中水“欺軟怕硬”的特點及煤巖體自身非均質(zhì)性特征，容易導致煤礦井下壓裂裂縫的不均勻分布，形成改造盲區(qū)，進而影響壓后瓦斯抽采效果。為更好地解決上述問題，本文創(chuàng)造性的將暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)引入煤礦井下，結(jié)合煤礦井下壓裂應用現(xiàn)狀和暫堵水力壓裂技術(shù)原理，分析了煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的適應性，優(yōu)選了暫堵轉(zhuǎn)向劑，設計了煤礦井下暫堵壓裂的工藝流程，以期為煤礦水治瓦斯技術(shù)和工藝的提升提供新手段，開辟煤礦瓦斯治理新方法。

1 煤礦井下壓裂應用概況

煤礦井下壓裂是將壓裂設備運送到煤礦井下，位置通常都在地下幾十米乃至幾百米，在擬壓裂區(qū)域布置好壓裂孔，通過高壓泵及管匯將壓裂液/混砂液注入煤層，使煤巖體產(chǎn)生裂縫并不斷擴張延伸，有效提升煤層的透氣性，改變煤體強度，改善壓后瓦斯抽采效果。

煤礦井下壓裂一般包括以下幾個環(huán)節(jié)：

1）壓裂孔布置。根據(jù)煤層結(jié)構(gòu)及預設的壓裂位置確定鉆孔深度，并結(jié)合煤礦井下巷道布置及采掘進度確定合理的鉆孔位置。

2）壓裂鉆孔封孔。由于煤礦井下壓裂沒有類似油氣行業(yè)壓裂井口的設備，只能簡單對壓裂孔實施封孔，保證高壓裂液安全順利進入煤層。封孔質(zhì)量是決定水力壓裂成功與否的關(guān)鍵，常用的封孔方式有水泥砂漿封孔和封孔器封孔。

3）設備安裝。煤礦井下壓裂系統(tǒng)主要包括高壓泵組、管路、遠程監(jiān)控等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)安裝完畢后要保障其供水、供電；壓裂泵和控制系統(tǒng)是施工壓裂的核心設備，針對煤礦井下作業(yè)空間狹窄的特點設計為撬裝安置，泵組和控制系統(tǒng)緊湊集成布置在兩個平板車底座上。以重慶市能源投集團研發(fā)的BYW78/400 型泵組為例，整機尺寸僅為6400×1400×17800mm[1](如圖1 所示）。

圖1 煤礦井下壓裂泵組實物圖

4）壓裂實施。根據(jù)壓裂作業(yè)設計進行壓裂施工。工藝一般為高壓注入清水或者壓裂液加砂。受泵組尺寸限制，工作壓力為37MPa 時泵送排量最大僅為35m3/h[1]（見表1）。

表1 BYW78/400 型壓裂泵組性能參數(shù)表

5）壓后瓦斯抽采。將所有壓裂鉆孔接入礦井瓦斯抽采系統(tǒng)進行瓦斯抽采并觀測瓦斯抽采濃度和純量，評判壓裂效果。

綜合煤礦井下壓裂的應用現(xiàn)狀及特點可以看出，相對于油氣行業(yè)，當前煤礦井下的壓裂工藝還比較低下；在壓裂關(guān)鍵參數(shù)上，因壓裂設備能力有限，泵送排量遠較小，類似于高壓注水；同時煤礦井下巷道等作業(yè)空間狹窄，壓裂呈現(xiàn)出工藝水平低、設備能力低、施工空間窄的“雙低一窄”特點，因此其壓裂效果及壓裂范圍有限，存在壓裂改造盲區(qū)。結(jié)合油氣開發(fā)中的地面井壓裂，在目前工藝簡單且難以提高壓裂設備性能的情況下要想提高壓裂效果，加入暫堵劑實施轉(zhuǎn)向壓裂不失為一個有效易行的辦法。

2 煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向壓裂適應性分析

根據(jù)彈性力學理論和巖石破裂準則，水力裂縫的擴展延伸方向和幾何分布主要受地應力狀態(tài)控制，人工裂縫位于垂直于最小主應力的平面內(nèi)。裂縫延伸遵循能量最小原則，實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向需要具備一定的力學條件。常規(guī)壓裂裂縫延伸方向受控的力學條件為[2]：

式中：P 為裂縫的縫內(nèi)壓力，MPa；T 為巖石擴張強度，MPa；σHmax為水平最大主應力，MPa；σHmin為水平最小主應力，MPa。

若能使P≥σHmax+T，即當縫內(nèi)壓力升高幅度ΔP≥σHmax-σHmin時，壓裂裂縫可擺脫水平應力的束縛，改變延伸和擴展方向。

提高裂縫縫內(nèi)壓力是實現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向的必要條件。圍繞著這一思路，暫堵技術(shù)就是在施工中適時地向地層中加入暫堵劑，該劑為粘彈性的固體小顆粒，遵循流體向阻力最小方向流動的原則，轉(zhuǎn)向劑顆粒進入地層中的裂縫或高滲透層，產(chǎn)生濾餅橋堵，使后續(xù)工作液不能進入，產(chǎn)生高于裂縫破裂壓力的壓差值，從而使壓裂液轉(zhuǎn)向進入高應力區(qū)或新裂縫層[3]（如圖2 所示），極大的提高壓裂效果。

圖2 層內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向示意圖

不同于常規(guī)油氣儲層，煤層的天然裂隙及割理發(fā)育，具有形成復雜縫網(wǎng)的最佳先天地質(zhì)條件。一般將天然裂縫張性破裂和剪切破裂作為裂縫性儲層形成復雜縫網(wǎng)的判據(jù)。層內(nèi)轉(zhuǎn)向的目的就是溝通天然裂隙或致生新裂縫，一般認為人工壓裂裂縫主要產(chǎn)生于煤層中并沿各級弱結(jié)構(gòu)面擴展、延伸。煤礦井下壓裂深度較淺，壓裂后裂縫形態(tài)更易形成“T”型復雜縫。當小粒徑的暫堵劑隨壓裂液進入層內(nèi)，在預定位置形成有效暫堵，可實現(xiàn)主裂縫轉(zhuǎn)向，或使天然裂縫和儲層弱面張開，更好地溝通微裂縫，形成一個天然裂縫在空間上縱橫交錯的裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)[4]（如圖3 所示）。因此，只要合理的加入暫堵劑，便能實現(xiàn)層內(nèi)轉(zhuǎn)向，進而溝通天然裂縫和產(chǎn)生新裂縫。

圖3 層內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向示意圖

據(jù)相關(guān)調(diào)研，油氣行業(yè)的煤層氣井中有對煤層使用暫堵劑或絨囊流體來實施暫堵轉(zhuǎn)向的施工案例[4,5]，在煤礦井下壓裂中亦有簡單使用重復壓水力壓裂技術(shù)來達到裂縫轉(zhuǎn)向以改善壓后效果的報道[6,7]，而在煤礦井下壓裂中尚未有暫堵劑直接現(xiàn)場應用的案例報道?；谇笆龅拿旱V井下壓裂特點及暫堵轉(zhuǎn)向壓裂適應性分析，筆者認為在常規(guī)煤礦井下壓裂液中加入暫堵轉(zhuǎn)向劑，實施暫堵轉(zhuǎn)向壓裂可操作性強，借助于暫堵轉(zhuǎn)向劑在煤層主裂縫中產(chǎn)生橋堵升壓效應，轉(zhuǎn)向壓開新裂縫，溝通天然裂縫，充分利用煤巖自身天然裂縫和割理較發(fā)育特征，最大程度地形成分支縫，增大平面上網(wǎng)絡裂縫的復雜程度，溝通煤層盲區(qū)，增大瓦斯泄氣面積，有效釋放整個煤層箱體內(nèi)應力，將會極大的改善提高壓后瓦斯抽采效果。

3 煤礦井下壓裂暫堵轉(zhuǎn)向劑優(yōu)選

煤礦井下壓裂改造層具有埋深淺、施工壓力低、泵送排量低的特點，而轉(zhuǎn)向壓裂暫堵劑必須可在水力裂縫中形成較強封堵、在低溫下易溶于水、對地層傷害小，所以煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向壓裂可選用小粒徑水溶性暫堵劑。選用小粒徑是出于泵排量低和裂縫縫內(nèi)轉(zhuǎn)向的考慮。水溶性暫堵劑主要為水溶性聚合物凍膠類堵劑，易溶于水，在水中粘度顯著增加，線性大分子鏈上的極性基團能與某些有機基團或多價金屬離子反應生成交聯(lián)產(chǎn)物一凍膠[8]。通過優(yōu)化篩選，暫堵劑MKZD-1 滿足以上需求，其各方面性能如下所示。

3.1 外觀和基本性能

水溶性暫堵劑MKZD-1 為黑色固體顆粒（0.2～0.8mm），具有一定硬度，受力情況下呈現(xiàn)脆性破壞，不粘泵。該顆粒屬于小粒徑，不僅利于低排量下的泵送，更易于在煤巖裂隙中形成縫內(nèi)轉(zhuǎn)向。以重慶市能源投資集團所屬松藻煤礦為例，經(jīng)統(tǒng)計本區(qū)煤體抗拉強度均值為0.43MPa，煤層水平主應力差2.2～4.7MPa，利用小粒徑暫堵劑進入裂縫內(nèi)，能較好實現(xiàn)升高縫內(nèi)凈壓力，使煤層天然裂縫發(fā)生張性和剪切斷裂，達到層內(nèi)裂縫轉(zhuǎn)向或形成分支縫的目的。水溶性暫堵劑MKZD-1 的基本性能參數(shù)見表2。

表2 水溶性暫堵劑MKZD-1 基本性能參數(shù)

3.2 溶解性測試

煤礦壓裂層埋深淺，地溫不高，優(yōu)選的暫堵劑須在中低溫下具有良好的水溶性能。對暫堵劑MKZD-1進行了室內(nèi)溶解性能測試。將5g 暫堵劑MKZD-1 放入100mL 純水中，置于35℃水浴環(huán)境，持續(xù)觀察暫堵劑的溶解情況，溶解時間為48h。按照行業(yè)標準SY/T5764—2007《壓裂用植物膠通用技術(shù)要求》[9]，在實驗室利用離心機及烘箱，測得暫堵劑MKZD-1 的水不溶物為4%。綜合評價暫堵劑MKZD-1 溶解時間短，水不溶物低，利于后期壓后保壓和瓦斯抽采。

3.3 封堵能力評價

采用人造充填巖心的方法模擬水力裂縫封堵，正向水驅(qū)測定其突破壓力，確定暫堵劑的強度。突破壓力是均相流體驅(qū)替時達到突破封堵效應所需要的最大壓力，其大小反映了暫堵劑對巖心的封堵效果。用清水驅(qū)替巖心，記錄封堵壓力下相應的濾失速度和濾失量變化情況，觀察當出口端排出第一滴液體時的進口端壓力即為暫堵劑的突破壓力。

實驗采用預膠結(jié)后制成厚度為0.5cm 和1.0cm的兩種濾餅（見圖4）分別進行突破壓力測試，結(jié)果（見表3）表明：形成濾餅后突破壓力高。0.5cm 厚濾加壓14MPa 可獲突破，1.0cm 厚濾加壓40MPa 后，通過巖心的濾失速度20min 后幾乎降為0，濾失量也增加緩慢，表面對巖心進行了較好的封堵，實驗100min 承壓40MPa 未獲突破（見圖5）。

圖4 1.0cm 濾餅巖心突破壓力測試

圖5 1.0cm 濾餅巖心突破壓力測試

表3 MKZD-1 暫堵劑承壓評價實驗

4 煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工設計

4.1 現(xiàn)場施工工藝

由于煤礦井下壓裂泵排量低，為保證施工成功，加入小顆粒暫堵劑對裂縫進行縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向。暫堵劑通過混砂裝置加入（見圖6），經(jīng)過壓裂泵注入煤層，整個壓裂施工基本為連續(xù)施工，不需改變目前的壓裂方式，因此降低了施工難度。暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工工藝是在攜砂液階段段塞式加入暫堵劑，順序為：加入前置液—加入攜砂液—加入轉(zhuǎn)向劑—加入前置液—加入攜砂液。即當?shù)? 級造縫—加砂完成后，頂替一個管柱容積壓裂液，隨后降低泵注排量，迅速從混砂裝置加入暫堵材料，逐漸提高恢復至原設計排量，頂替到位并形成封堵，進行第2 級造縫—加砂。

圖6 煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工示意圖

投注轉(zhuǎn)向劑時，整個投加過程在半分鐘左右完成，不宜投加時間過長。為了讓顆粒更易在裂縫內(nèi)形成暫堵，泵注暫堵劑時應采用較高排量，使裂縫稍微張開，以便顆粒能夠順利輸送到裂縫深處。推薦排量比正常施工排量提高10%或正常施工排量，以便縫內(nèi)凈壓力快速提升。

投注轉(zhuǎn)向劑后，施工人員應該掌握好暫堵劑到達裂縫時間，密切關(guān)注泵壓變化。根據(jù)油氣井暫堵壓裂經(jīng)驗，在縫內(nèi)轉(zhuǎn)向壓裂施工中，壓力曲線反映有較為明顯的二次破壓或溝通微裂縫的壓力先升后降波動顯示。轉(zhuǎn)向壓裂施工壓力較投注暫堵劑前壓力會有抬升，施工壓力前后對比具有臺階狀形態(tài)。指揮人員可以根據(jù)壓力變化情況，進行多次暫堵劑投送，實施多次縫內(nèi)轉(zhuǎn)向，以取得較好的改造效果。

4.2 暫堵劑加量設計

暫堵劑設計量少了起不到裂縫轉(zhuǎn)向的目的，設計量多了又會增加施工壓力和施工難度，因此設計暫堵劑的合理用量至關(guān)重要。在施工設計時，暫堵劑的充填濃度和用量利用式（2）來進行計算[10]。

式 中：M 為 暫 堵 劑 質(zhì) 量，kg；k 為 參 考 系 數(shù)，0.06～0.08；Lf為封堵長度，m；h 為縫高，m；λ 為單位面積暫堵劑重量，kg/m2。

考慮暫堵顆粒沉降、封堵成功率等因素，實際暫堵材料用量建議為設計用量的2 倍。

5 結(jié)論和建議

1）基于煤礦井下水力壓裂應用現(xiàn)狀，評價分析了煤礦井下暫堵壓裂適應性，創(chuàng)造性的提出了將暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)運用于煤礦井下水力壓裂，是一種具有研究及應用的價值的新型工藝。

2）暫堵轉(zhuǎn)向壓裂能夠起到暫堵增壓轉(zhuǎn)向開啟新裂縫，并充分利用煤層天然裂隙發(fā)育的自身優(yōu)勢，溝通延伸周緣裂隙體系，增大網(wǎng)絡裂縫復雜程度，減小煤層盲區(qū)增大瓦斯泄氣面積，有效釋放煤層箱體內(nèi)應力，增強壓后瓦斯抽采效果。

3）優(yōu)選了適合于煤礦井下壓裂的小粒徑水溶性暫堵劑。室內(nèi)評價結(jié)果顯示，水溶性暫堵劑MKZD-1具有良好的承壓封堵性能，低溫下水溶性能良好，適用于煤礦井下暫堵施工。

4）設計了煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的工藝流程、暫堵劑加量方法，對施工中的暫堵轉(zhuǎn)向壓力鑒別提出了建議，對現(xiàn)場作業(yè)具有一定的指導意義。

5）建議在已有水力壓裂基礎(chǔ)上，進一步研究煤礦井下暫堵轉(zhuǎn)向水力壓裂的技術(shù)體系，將優(yōu)選的MKZD-1 水溶性暫堵劑進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，確定煤礦井下暫堵水力壓裂的適用條件，建立煤礦井下暫堵水力壓裂區(qū)域瓦斯評價體系，對比評估瓦斯抽采效果。