碎軟煤層底板梳狀孔分段壓裂抽采瓦斯技術

杜天林，姜在炳，張 儉，舒建生，李貴紅，牟全斌，賈立龍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

我國高瓦斯突出煤層普遍煤體結構碎軟、透氣 性差，瓦斯抽采衰減速度快[1]，在碎軟煤層中鉆進瓦斯抽放鉆孔常出現(xiàn)塌孔、噴孔等現(xiàn)象，成孔十分困難。為克服上述瓦斯抽采難題，提高瓦斯抽采效果，迫切需要探索高效的碎軟低透氣性煤層瓦斯抽采技術措施。在碎軟煤層底板巖層布置專用的巖石巷道預抽瓦斯是大多數(shù)煤礦所選擇的瓦斯抽采方式，一般在底板抽采巷施工穿層鉆孔、穿層定向順煤層鉆孔和煤層頂?shù)装迨釥铋L鉆孔，輔以水力沖孔、水力割縫和水力壓裂等卸壓增透措施[2]。穿層鉆孔揭露煤層段小，需要密集布孔，常存在鉆孔瓦斯抽采濃度低、抽采量小、抽采周期長、整體效果差等問題[3]。采用梳狀定向孔方法在成孔性好的煤層頂?shù)装鍘r層中施工長距離鉆孔，再開梳狀分支孔進入煤層或目標區(qū)域，可以避免碎軟煤層成孔難、抽采距離短等難題，實現(xiàn)對碎軟煤層瓦斯的遠距離區(qū)域抽采，該技術在淮北、焦作、晉城等礦區(qū)得到應用與推廣[4-6]。多數(shù)工程實踐證明利用水力壓裂技術對煤儲層進行改造可以提高井下瓦斯抽采效率[1,7-10]。結合梳狀定向長鉆孔和分段水力壓裂技術優(yōu)勢，將梳狀鉆孔的主孔布置在有利于成孔的煤層底板或頂板巖層中，再對鉆孔進行分段壓裂，為解決碎軟煤層瓦斯高效抽采提供了思路[11-12]。目前已有針對煤礦井下煤層頂板定向長鉆孔水力壓裂技術實踐的報道[13-15]，但對煤層底板梳狀孔分段水力壓裂的報道較少[16]。為此，以陽泉礦區(qū)15#煤層底板梳狀孔分段水力壓裂工程實踐為例，對井下工程設計部署、施工工藝和試驗效果等方面深入研究，為該技術應用于碎軟低透氣性煤層的瓦斯高效抽采提供參考和經驗。

1 煤層及底板特征與梳狀孔分段壓裂方式

1.1 煤層及底板巖層特征

試驗礦井15#煤層賦存于太原組下部，位于K2灰?guī)r下18 m 左右，屬全區(qū)穩(wěn)定可采的厚煤層。試驗點117 工作面煤層厚度6.25 m 左右，一般含夾矸2～3 層，總體為西北高東南低，局部煤層有波狀起伏，傾角一般4°～13°。煤層實測瓦斯含量7.30～8.85 m3/t，預測最大瓦斯壓力0.2 MPa。15#煤層煤體結構遭到中等或強破壞，以碎粒煤和糜棱煤為主，各分層軟硬程度不一，煤體堅固性系數(shù)大多在0.50 以下，不易于成孔。煤層直接底為深灰色泥巖，厚度一般4.95 m 左右，其頂部微含鋁質泥巖；基本底為1 層厚度11.49 m 左右的灰黑色砂質泥巖，其頂部存在薄層粉砂巖與砂質泥巖互層。15#煤層底板巖石的單軸抗壓強度為6.7～90.1 MPa，大部分大于30 MPa，巖石力學性質較穩(wěn)定，易于成孔。

1.2 煤層底板梳狀孔分段壓裂方式

針對碎軟煤層在本煤層預抽難、鉆探成孔難、瓦斯抽采效果不理想的現(xiàn)狀，利用定向鉆機在碎軟煤層下伏力學性質穩(wěn)定的底板巖層中施工定向長鉆孔，并沿該定向長鉆孔每隔一段距離向煤層方向開分支鉆孔，將煤層與主孔溝通。成孔后在主孔內下入分段壓裂工具串，采用封隔器將鉆孔的主孔分隔成若干段，每段對應1 個梳狀分支鉆孔，煤層底板梳狀孔分段壓裂方式如圖1。采用高壓力、大流量的柱塞泵由里向外依次對梳狀分支鉆孔中注入高壓水，對該段范圍內煤層及底板進行壓裂。當注液速率遠大于煤層濾失速率，達到煤層破裂壓力后，煤層裂縫開啟，隨著壓裂液繼續(xù)注入，裂縫不斷延伸和擴展并產生新的裂縫，在煤層中形成復雜的裂隙網絡，從而達到增加煤層透氣性、提高碎軟低滲煤層瓦斯抽采效果的目的。通過煤層底板長鉆孔分段水力壓裂技術的實施將傳統(tǒng)的短鉆孔“點式”壓裂轉變?yōu)殚L鉆孔逐段壓裂，可以大幅度增加煤層壓裂改造體積。

圖1 煤層底板梳狀孔分段壓裂方式Fig.1 Staged fracturing of comb-shaped holes in coal seam floor

煤層底板梳狀孔壓裂段均為裸眼孔，壓裂的受壓面包含底板巖層和煤層。一般而言，煤層頂板、底板巖層呈現(xiàn)相對的高彈性模量、低泊松比、脆性的特征，碎軟煤層則呈現(xiàn)相對的低彈性模量、高泊松比、塑性的特征，且裂隙發(fā)育。由于煤巖體結構和巖石力學性質差異，導致底板巖層的破裂應力大于煤層，壓裂過程中拉張破壞更容易先發(fā)生于煤層中。若出現(xiàn)孔內壓力高于巖層破裂壓力而在巖層中起裂，由于巖層和煤層存在最小水平主應力差異，煤層的最小水平主應力小于巖層，裂縫更傾向于向鄰近的煤層中擴展[12,17]。因此，可以預測在煤層底板梳狀孔中進行分段水力壓裂，壓裂裂縫更易于在煤層中起裂和擴展延伸。

2 煤層底板梳狀長鉆孔設計與施工工藝

梳狀定向長鉆孔的設計更多關注主孔層位選擇、鉆孔軌跡設計及鉆孔結構設計，需要在開孔回轉鉆進、軌跡控制、鉆遇復雜地層等方面制定相應的措施，提高梳狀定向長鉆孔的成孔質量。

2.1 梳狀孔主孔層位選擇與軌跡設計

煤層底板巖層多為淺水湖沼、淺水沼澤沉積環(huán)境充填補齊形成，通常起伏不平，巖性多為根土巖、泥巖，遇水易膨脹、縮徑，不利于近水平鉆孔施工[12]，也不利于裸眼孔壓裂工具串下入，因此煤層底板梳狀長鉆孔設計需詳細分析煤層下面一定距離范圍的地層巖性和力學性質，選擇堅硬穩(wěn)定的巖層布置梳狀鉆孔的主孔。根據(jù)地層分析，煤層直接底板深灰色含鋁質泥巖，遇水易膨脹、縮徑，而基本底灰黑色砂質泥巖巖石力學性質相對較穩(wěn)定，設計將梳狀孔主孔布置在該巖層，距離15#煤層5～6 m。

根據(jù)鉆孔長度和壓裂對封孔要求，梳狀孔主孔采用2 級孔身結構，第1 級孔身結構設計長40 m，經過φ120 mm-φ153 mm-φ193 mm 2 次擴孔后成孔，下入φ146 mm 套管固孔；第2 級孔身結構設計為裸眼梳狀孔，用于分段壓裂，為滿足壓裂工具串的下入和坐封，梳狀孔主孔軌跡設計要平滑，孔徑要求120 mm；結合分段壓裂設計思路，共布置5 個分支孔，各分支孔間距為80 m。此外，梳狀孔主孔軌跡平行于底抽巷，為避免壓裂裂縫與巷道卸壓圈圍巖裂隙溝通，鉆孔軌跡需偏離巷道一定距離，因此在平面上設計鉆孔主孔軌跡偏離底抽巷左幫40 m 以上。

2.2 梳狀長鉆孔軌跡與孔徑控制

試驗選用中煤科工集團西安研究院自主研發(fā)的ZDY12000LD 型大功率深孔定向鉆機鉆進。一開階段采用回轉鉆進，由于煤層傾角較大，軌跡設計為上仰孔，且開孔段巖性為深灰色泥巖，屬于軟巖，考慮鉆進過程中易出現(xiàn)傾角急降的問題，采用大傾角開孔、保直鉆進、快速成孔工藝[15]，控制鉆孔傾角的降低幅度，回轉鉆進至40 m，依次采用φ153 mm 和φ193 mm 擴孔鉆具組合擴孔。二開鉆進用于分段壓裂的裸眼梳狀分支孔，與普通梳狀定向長鉆孔相比，用于分段壓裂的梳狀鉆孔施工對鉆孔軌跡控制要求嚴格。由于煤層起伏變化，在煤層底板鉆孔施工中要不斷調整孔眼軌跡，采用“φ120 mm PDC 鉆頭+φ89 mm 螺桿馬達+接手+φ89 mm 下無磁+接手+φ89 mm 探管+φ89 mm 上無磁+φ89 mm 通纜鉆桿+φ89 mm 通纜水便”定向鉆進組合，利用隨鉆測斜系統(tǒng)調整工具面向角，實現(xiàn)了對鉆孔軌跡的精確控制。分支孔施工順序可分為“前進式”和“后退式”2 種，考慮到便于探測煤層產狀從而更好控制主孔軌跡與煤層間距的優(yōu)勢，采用“前進式”分支孔鉆進工藝方法，即從外向內開分支孔，在主孔鉆進到開分支位置進行分支孔施工。為實現(xiàn)主孔順利下入分段壓裂工具串，要控制孔眼軌跡變化曲率小于工具串允許曲率，采用滑動造斜與回轉穩(wěn)斜的煤礦井下定向鉆進復合軌跡控制模式，克服連續(xù)滑動定向軌跡平滑性差的問題[18]，實現(xiàn)造斜孔段均勻造斜，水平段穩(wěn)斜避免急彎。

分段壓裂封隔器要在裸眼的梳狀主孔中坐封，對梳狀鉆孔孔徑控制要求嚴格。鉆進過程中為保持孔壁穩(wěn)定，避免形成糖葫蘆孔眼，使用無固相沖洗液和高黏度護壁劑保持孔壁穩(wěn)定，保證了主孔孔徑擴大率小于15%。若鉆進遇阻有坍塌掉塊情況，需詳細記錄其位置，并選擇用局部注漿工藝處理塌孔段。

工程試驗最終在15#煤層底板鉆進梳狀鉆孔主孔孔深534 m，共形成5 個穿過煤層的分支孔，孔徑120 mm，煤層底板梳狀長鉆孔實鉆軌跡如圖2。

圖2 煤層底板梳狀長鉆孔實鉆軌跡Fig.2 Actual drilling trajectory of comb-shaped holes in coal seam floor

3 梳狀長鉆孔分段壓裂技術與工藝

3.1 分段設計與壓裂工具組合

為了增加煤層改造體積，壓裂段數(shù)越多越好，但由于煤礦井下施工梳狀分支孔曲率半徑較大，造斜段長，為了防止各段壓竄，結合預測的井下壓裂影響半徑，設計壓裂單段長度為80 m，即每個壓裂段對應1 個分支孔，共將梳狀孔分為5 個壓裂段。

針對以上設計，借鑒地面油氣井壓裂所采用的裸眼封隔器+滑套投球分段壓裂技術[19]，設計了由引鞋、單流閥、壓差滑套、封隔器、投球滑套、高壓管柱、孔口投球器及孔口安全閥門組成的煤礦井下投球分段水力壓裂工具串，分段壓裂工具串參數(shù)見表1。該工具串能夠實現(xiàn)井下裸眼孔快速穩(wěn)定的封孔和高效分段壓裂施工。工具串中封隔器均選擇液壓膨脹封隔器，從油管內注水打壓可以實現(xiàn)全部封隔器一次坐封。壓裂第1 段時使用壓差滑套，后續(xù)壓裂段使用投球滑套，投球滑套內通徑采用3 mm 梯度，分段級數(shù)為4 級。單流閥為保證水力壓裂水流作用方向的重要構件。引鞋為推送分段壓裂封孔設備過程中引導管柱順利入鉆孔的裝置，是防止管柱刮削孔壁的重要構件。

表1 分段壓裂工具串參數(shù)Table 1 The tool string parameters of staged fracturing

3.2 壓裂參數(shù)設計

煤礦井下壓裂參數(shù)設計主要關注煤巖層破裂壓力、泵注壓力和泵注流量及總量。地層破裂壓力的高低與巖石力學性質、孔隙壓力和天然裂縫發(fā)育情況以及地應力有關。鑒于井下準確的地應力數(shù)據(jù)不易獲取，本次根據(jù)鄰近礦區(qū)煤層氣測試破裂壓力梯度3.02 MPa/hm，預測試驗點15#煤層破裂壓力為13.34 MPa 左右。壓裂液采用清水，計算管路摩阻為2.10 MPa；壓裂泵位置與15#煤層最大垂距70 m，壓裂最大位能損失0.70 MPa，估算泵注壓力為16.14 MPa 左右。

與地面壓裂泵相比，井下壓裂泵的流量較小，為提升壓裂效果，在水源充足的情況下應以最大排量運行。在裸眼孔中高壓水作用碎軟煤層，會形成復雜且難以定量描述的裂縫體系，導致壓裂單段注入的液體體積與裂縫參數(shù)的對應關系難以確定[20]，這給壓裂注液總量設計帶來難題。本次獲取試驗點15#煤層及其頂?shù)装逑嚓P數(shù)據(jù)，利用MFrac Suite 壓裂設計軟件的MShale 模塊，基于離散裂縫網絡設計方法，模擬壓裂泵注參數(shù)與所形成縫網參數(shù)之間的關系，結果表明，在泵注流量為0.67 m3/min，注入壓裂液量為300 m3的情況下，壓裂縫網擴展的最大半縫長為39.5 m，接近分支孔設計間距的1/2，達到壓裂設計要求?；陔x散裂縫網模型的壓裂裂縫擴展模擬如圖3。

圖3 基于離散裂縫網模型的壓裂裂縫擴展模擬Fig.3 Fracture propagation simulation based on discrete fracture network

3.3 分段壓裂工藝流程

水力壓裂施工主要流程為壓裂泵組安裝準備、分段壓裂工具串下入、封隔器坐封、分段壓裂、保壓排水。

試驗選用BYW65/400 型煤礦井下壓裂泵組，該泵組壓裂介質采用清水，最大排出壓力65 MPa，最大流量1 450 L/min，配備遠程壓裂監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測和儲存泵注流量和壓力等參數(shù)，為現(xiàn)場壓裂數(shù)據(jù)分析提供便利。

分段壓裂工具串下入是非常重要的一個環(huán)節(jié)。在下壓裂工具串之前必須進行洗孔，避免巖屑床堆積，保證孔眼通暢。按照“1 個壓裂段對應1 個分支”的壓裂方式，結合主孔鉆遇地層的巖性和孔壁完整性分析，確定各壓裂段封隔器坐封位置和滑套位置，避免將封隔器置于不完整孔段。根據(jù)封隔器坐封位置和滑套位置，利用鉆機將工具串按順序連接并推送至設計位置。試驗總計向主孔中下入分段壓裂工具串長度約490 m。

鉆孔封孔質量是水力壓裂成敗的關鍵。采用套管內坐封+裸眼孔坐封雙保險，確保封孔質量，即除了在壓裂孔段設置的5 個封隔器之外，在一開套管內放置了1 個φ136 mm 封隔器，防止壓裂時壓力高導致壓裂工具串竄動?？變? 個封隔器在管柱內壓力達到5 MPa 左右即可一次性全部膨脹，實現(xiàn)鉆孔分段坐封?？卓诎踩y門裝置上安裝的壓力表可以檢測封隔器坐封后孔內壓力保持情況，確定封孔是否完好。通過現(xiàn)場使用情況來看，封孔設備送入鉆孔內指定位置后，能夠快速完成坐封，最大坐封壓力70 MPa，滿足煤礦井下高壓力、大流量水力壓裂工藝對封孔質量的要求。

分段壓裂選擇“后退式”壓裂順序，即封隔器坐封完成后，先打開1-5 分支壓裂段的壓差滑套開始壓裂。完成1-5 分支的注水壓裂后，依次投不同直徑低密度球打開工具串的投球滑套進行壓裂。利用孔口閘閥和投球裝置先將36 mm 低密度球投入并泵送至1-4 分支的投球滑套的球座，投球滑套打開，同時活塞滑移封堵1-5 分支，開始進行1-4 分支注水壓裂施工。這樣由里向外逐級投球，依次打開各投球滑套，向各分支鉆孔中注入高壓水，對分支孔揭露煤層進行集中壓裂。

分段壓裂施工結束后采取保壓措施，關閉孔口安全閘閥，使孔內高壓水充分向煤層滲透，壓力自然降低。保壓一方面是考慮壓后高壓排水孔內卸壓太快，易誘導瓦斯突出和分支孔揭露的碎軟煤層孔段塌孔、堵孔，影響瓦斯抽采效果；另一方面是通過保壓記錄壓降曲線，以便后期分析煤層壓裂特征。待孔內壓力下降緩慢或接近煤儲層壓力時，開閘排水，同時連接瓦斯抽采管路。

4 試驗效果

4.1 壓裂結果

試驗對梳狀長鉆孔的4 個分支進行了壓裂，累計泵注液量1 098 m3。1-5 分支壓裂泵注液量611 m3，最大泵注壓力17.18 MPa，壓裂成功；1-4 分支壓裂裂縫溝通切巷圍巖裂隙，漏失量較大時停止壓裂；1-3 分支孔由于距切巷距離較近，為避免壓裂出現(xiàn)切巷漏水對1-2 分支壓裂產生影響，放棄該分支壓裂；1-2 和1-1 分支壓裂一段時間后，均出現(xiàn)鄰近的巷道璧面和頂板漏水，說明壓裂裂縫與巷道圍巖裂隙溝通，漏失量較大時停止壓裂。

壓裂曲線是分析煤巖層是否壓開的重要圖件。以1-5 分支的壓裂曲線為例，壓裂泵注壓力與流量曲線如圖4。

圖4 1-5 分支壓裂泵注壓力與流量曲線Fig.4 Pumping pressure curve and flow curve of 1-5 branch fracturing

開泵后，泵壓快速上升至18.92 MPa 后驟降，此時壓差滑套打開。提高泵注流量，16 min 后壓力上升至11 MPa 左右保持穩(wěn)定，當泵注流量再提高時，壓力也出現(xiàn)了明顯的上升，達到14 MPa 左右，但仍未達到設計破裂壓力，也未出現(xiàn)明顯的破裂峰，說明高壓水一開始通過滲濾的方式逐漸充填煤體的裂隙和孔隙，鉆孔內的流量與煤層的濾失速率處于平衡過程。在滲濾的過程中也伴隨著煤體中微裂隙不斷擴展延伸，泵注壓力呈較大幅度的鋸齒狀上下波動認為是清水壓入煤層裂隙后的一次次“起裂-擴展”行為。當滲濾到一定范圍，沿程阻力增大，泵注壓力出現(xiàn)增加，達到煤體破裂壓力，這個時候煤體容易形成主裂縫，壓裂液更多沿主裂縫擴展延伸。

4.2 瓦斯抽采效果

壓裂后梳狀孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)曲線圖如圖5。

圖5 壓裂后梳狀孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)曲線圖Fig.5 The data curves of gas drainage of comb-shaped holes after staged fracturing

壓裂后鉆孔在連續(xù)抽采66 d 時間內，瓦斯抽采純量曲線和抽采濃度曲線變化基本一致，經歷上升期、峰值期和穩(wěn)定期3 個階段，瓦斯抽采濃度0.09%～47.1%，平均為20.43%，瓦斯抽采純量0.06～60.31 m3/d，平均為21 m3/d。為驗證試驗效果，與巷道鄰近區(qū)域穿層鉆孔瓦斯抽采進行對比。統(tǒng)計鄰近抽采單元內147 個穿層鉆孔2 個月的抽采數(shù)據(jù)，瓦斯抽采濃度平均為1.94%，平均百米鉆孔瓦斯抽采純量為1.12 m3/d，而梳狀孔分段壓裂試驗的平均百米鉆孔瓦斯抽采純量為2.26 m3/d。對比常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采方式，試驗瓦斯抽采濃度提高了10.53 倍，百米鉆孔瓦斯抽采量提高了2.02 倍。

從瓦斯含量的測定結果來看，壓裂前鉆場附近測定的15#煤層原始瓦斯含量7.30～8.85 m3/t，平均為8.08 m3/t；而壓裂后2 個月效果考察孔測定的15#煤層瓦斯含量4.98～6.73 m3/t，平均為5.94 m3/t，降低了26.5%。

由于試驗點煤層瓦斯含量和瓦斯壓力較低，以及個別分支孔壓裂過程中形成溝通巷道的裂縫，導致壓裂后瓦斯抽采濃度和流量不理想，今后在選址和鉆孔布置方面還需加以改進。

5 結 語

1）煤層和底板巖層的巖石力學性質存在差異，理論分析煤層底板梳狀孔分段水力壓裂裂縫更易于在煤層中起裂和擴展延伸，運用該技術可以對透氣性差、難成孔的碎軟煤層遠距離逐段壓裂，增加瓦斯抽采范圍。

2）滿足分段壓裂技術要求的煤層底板梳狀孔主孔應選擇近煤層巖石力學性質穩(wěn)定的巖層，鉆進控制孔眼軌跡變化曲率，避免急彎。采用裸眼封隔器+滑套投球分段壓裂方法實現(xiàn)底板梳狀長鉆孔逐級投球分段水力壓裂，單分支或單段最大泵注水量611 m3，最大泵注壓力17.18 MPa。

3）壓裂曲線表明：分段壓裂工具串工作正常，達到煤層破裂壓力。試驗后對比常規(guī)穿層鉆孔瓦斯抽采技術，運用該技術瓦斯抽采濃度提高了10.53 倍，百米鉆孔瓦斯抽采量提高了2.02 倍，對碎軟低透氣性煤層瓦斯高效抽采具有一定的應用潛力。