采煤工作面順層鉆孔分段水力壓裂增滲試驗(yàn)

姚壯壯，林府進(jìn)，武文賓，江萬(wàn)剛，顏文學(xué)，楊 亮

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

瓦斯事故在煤礦事故的占比仍然較高，且隨著開采深度的增加及開采工藝的變更，瓦斯災(zāi)害防治難度不斷增大[1-5]。我國(guó)高瓦斯、碎軟、低滲煤層較多，制約了瓦斯抽采效果，改善煤儲(chǔ)層透氣性是實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采的關(guān)鍵。水力壓裂作為一種煤層增透措施，在高瓦斯低透礦井中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力壓裂增透機(jī)理、壓裂工藝、裂縫擴(kuò)展的開展了大量研究，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提供了理論依據(jù)[6-14]。目前水力壓裂在煤礦上多應(yīng)用于底板巷穿層鉆孔，穿層鉆孔壓裂存在見煤段少、有效壓裂段短，壓裂影響范圍小等問(wèn)題[15-19]。而回采工作面順層鉆孔瓦斯預(yù)抽針對(duì)低透氣性突出煤層防突效果明顯，具有布孔靈活，鉆機(jī)施工方便，消突費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。但是順層鉆孔也存在鉆孔工程量大，施工密集，抽采周期長(zhǎng)，施鉆軌跡存在偏差等弊端。為此，采用順層分段水力壓裂強(qiáng)化回采工作面抽采瓦斯，實(shí)現(xiàn)煤儲(chǔ)層增透具有重要現(xiàn)實(shí)意義。陽(yáng)煤寺家莊公司所采15#煤層地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，煤層厚度大（平均5 m 以上），屬于瓦斯突出煤層，寺家莊煤礦瓦斯災(zāi)害極為嚴(yán)重，煤層瓦斯含量高，透氣性差導(dǎo)致抽采困難。因此，在15301 工作面開展順層孔分段水力壓裂，利用研發(fā)的拖動(dòng)式雙封隔器實(shí)現(xiàn)快速封隔，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)分段壓裂，并進(jìn)行了壓裂效果考察，形成了一種適用于回采工作面順層孔分段水力壓裂的成套技術(shù)體系。

1 順層鉆孔分段壓裂技術(shù)

1.1 順層鉆孔分段水力壓裂機(jī)理

順層壓裂是指高壓水以大于地層漏失率的排量和破裂壓力的壓力注入順煤層鉆孔開展壓裂，使煤層破裂形成裂縫，并相互溝通，達(dá)到回采工作面增透、防突、防塵等目的，效果肉眼可見。對(duì)于低透氣性煤層而言，采用常規(guī)的鉆孔布置方式，往往達(dá)不到所要求的抽放效果較差。為此，需采用強(qiáng)化抽采瓦斯方法，人為強(qiáng)迫溝通煤層內(nèi)的原有裂隙網(wǎng)絡(luò)或產(chǎn)生新的裂隙網(wǎng)絡(luò)，使煤體透氣性增加。主要目的是實(shí)現(xiàn)煤儲(chǔ)層增透。

目前井下順層鉆孔水力壓裂多為整體壓裂，即在孔口設(shè)封隔器，孔內(nèi)下篩管，全孔段壓裂。而整體壓裂的弊端是只要裂紋在1 個(gè)弱面上擴(kuò)展，其余方向上的裂紋往往不再發(fā)展，鉆孔內(nèi)遇構(gòu)造會(huì)造成壓裂液的漏失，即壓裂在較薄弱的位置持續(xù)，有壓裂盲區(qū)的存在。另外整體壓裂對(duì)壓裂泵組流量的要求高，用水量大。壓裂盲區(qū)示意圖如圖1。

圖1 壓裂盲區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of blind area of fracturing

順煤層分段壓裂是通過(guò)雙壓裂封隔器將順煤層鉆孔分為若干段分別開展壓裂，而且分段壓裂間距及分段段數(shù)可根據(jù)煤儲(chǔ)層具體條件調(diào)節(jié)，順層分段水力壓裂示意圖如圖2。逐級(jí)分段壓裂可確保壓裂均勻，消除壓裂盲區(qū)，避免了整體壓裂煤巖體因孔隙、裂隙造成的水量流失，解決了高壓水“去向不明”難題，確保高壓水壓入目標(biāo)煤體。

圖2 順層分段水力壓裂示意圖Fig.2 Diagram of staged hydraulic fracturing of bedding drilling borehole

1.2 順煤層水力壓裂增透裝備及工藝流程

井下順煤層水力壓裂裝備主要包括壓裂泵組、壓裂封隔器工具串、監(jiān)控與安全保障系統(tǒng)等。壓裂泵組采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院研制的BYW 系列泵組，BYW 系列壓裂泵組如圖3。泵組可用于煤層壓裂、沖擊傾向性嚴(yán)重的頂?shù)装寮皥?jiān)硬煤層的卸壓致裂、防塵注水、割縫、掏穴等工藝，便于運(yùn)輸，操作簡(jiǎn)單，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、量化處理等功能。

圖3 BYW 系列壓裂泵組Fig.3 BYW series fracturing pump set

在“十三五”油氣田重大專項(xiàng)的支撐下，由重慶院研發(fā)了拖動(dòng)式雙封隔器分段壓裂工具串，由引鞋、封隔器、篩管、壓裂鋼管以及孔口保壓裝置等組成。其中封隔器可承受高壓70 MPa，具有膨脹系數(shù)大，封隔可靠、可重復(fù)使用等特點(diǎn)。

順層水力壓裂施工流程包括壓裂前準(zhǔn)備及壓裂施工2 部分。壓裂前準(zhǔn)備包括壓裂場(chǎng)地選擇及布置、壓裂孔及考察孔的施工、井下供水、供電、通風(fēng)、壓裂裝備試車等。水力壓裂施工包括封隔器工具串下放、坐封、解封、拖動(dòng)、回收，孔口裝置安裝，操作壓裂裝備、壓力、流量監(jiān)測(cè)等。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

寺家莊煤礦屬于高瓦斯突出礦井，15 號(hào)煤層平均瓦斯含量11.22 m3/t，瓦斯壓力0.4 MPa，孔隙率3.01%，透氣性系數(shù)0.175，屬可以抽放煤層。另外15號(hào)煤層有煤塵爆炸性，屬（Ⅲ類）不易自燃煤層。

15301 工作面位于+510 m 水平，工作面走向長(zhǎng)1 942 m，傾向長(zhǎng)180 m。所采煤層為15 號(hào)煤層，煤層總厚5.4 m，平均傾角4°，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含矸2～3 層，工作面的煤層賦存較為穩(wěn)定，整體起伏變化不大，最大瓦斯含量14.0 m3/t，最大瓦斯壓力0.3 MPa，最大瓦斯涌出量12 m3/min。

2.2 順層分段壓裂設(shè)計(jì)方案

根據(jù)15301 工作面煤層地質(zhì)情況及工作面的實(shí)際生產(chǎn)情況，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)閼?yīng)避開構(gòu)造區(qū)域50 m 以上，沿巷向外共400 m 的試驗(yàn)區(qū)域。順層孔水力壓裂試驗(yàn)壓裂孔間距按10、20、30 m 設(shè)計(jì)，在15301 工作面進(jìn)風(fēng)巷（方位角0°）施工順層壓裂鉆孔，順層水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)孔徑94 mm，孔深120 m，方位90°，垂直巷幫，由左至右編號(hào)1#～20#。為了考察壓裂范圍及壓裂結(jié)束判識(shí)，在壓裂孔兩側(cè)相同間距各施工1個(gè)考察孔，孔深100 m，方位90°，垂直巷幫。15301工作面進(jìn)風(fēng)巷順層壓裂鉆孔設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 15301 工作面順層壓裂鉆孔設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design drawing of drilling hole for bedding fracturing in 15301 working face

2 個(gè)封隔器之間為壓裂區(qū)域，壓裂區(qū)域的長(zhǎng)度可通過(guò)2 個(gè)封隔器之間壓裂鋼管的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)。分段的實(shí)現(xiàn)是將帶有雙封隔器的工具串下放到孔底的預(yù)設(shè)位置，由里向外逐級(jí)進(jìn)行注水壓裂，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)鉆孔設(shè)定區(qū)域的逐段壓裂。本次順層孔壓裂試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了了分3 段及以上開展壓裂，并且封隔器工具串的下放、坐封、解封、以及拖動(dòng)穩(wěn)定可靠。順層鉆孔分3 段壓裂工藝圖如圖5。

圖5 順層鉆孔分3 段壓裂工藝圖Fig.5 Fracturing process diagram of drilling in three sections

2.3 順層鉆孔分段壓裂施工

15301 進(jìn)風(fēng)巷每隔200 m 劃分為1 個(gè)抽放單元，壓裂區(qū)在第1 抽放單元，采用分段壓裂工藝，2個(gè)封隔器之間間距為20 m 時(shí)分4 段開展壓裂，間距30 m 設(shè)計(jì)分3 段。壓裂區(qū)內(nèi)共開展了7 個(gè)孔的壓裂施工，其中注水量最大的是19#號(hào)孔，全孔段分3 段，共注水60 m3。18#孔泵注壓力最高為22 MPa。壓裂施工記錄見表1。

表1 壓裂施工記錄Table 1 Hydraulic fracturing construction records

3 順層鉆孔壓裂效果

寺家莊礦順層孔抽采每隔200 m 為1 個(gè)抽放單元，原設(shè)計(jì)400 m 的壓裂區(qū)覆蓋第1 個(gè)、第2 個(gè)抽采單元，實(shí)際壓裂區(qū)為第1 抽放單元即工作面最外圍的200 m 范圍。

15301 工作面設(shè)計(jì)抽放孔間距為2.5 m，鉆孔長(zhǎng)度120 m，采用“兩堵一注”水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度21 m。為了考察壓裂效果，選擇試驗(yàn)工作面未開展壓裂的第2 抽采單元進(jìn)行抽采效果對(duì)比。2 個(gè)抽采單元都為200 m 且控制抽采鉆孔量一致，安裝相同型號(hào)的抽采計(jì)量裝置進(jìn)行效果考察。壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)施工對(duì)比圖如圖6。

圖6 15301 工作面壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)施工對(duì)比圖Fig.6 Construction comparison between fracturing area and unfractured area in 15301 working face

2019 年對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)開展了抽采效果考察，壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度變化、瓦斯抽采純量變化對(duì)比圖分別如圖7、圖8。從圖7、圖8 可知，壓裂區(qū)抽采濃度及純量明顯高于非壓裂區(qū)。壓裂區(qū)平均濃度為35.1，非壓裂區(qū)為6.0，壓裂區(qū)濃度是非壓裂區(qū)濃度的5.9 倍。壓裂區(qū)百孔純量為3.6 m3/min，非壓裂區(qū)為0.3 m3/min，壓裂區(qū)百孔純量是非壓裂區(qū)的11.2 倍。

圖7 壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采濃度變化對(duì)比圖Fig.7 Contrast chart of gas drainage concentration change between fractured and unfractured areas

壓裂有效范圍以及壓裂結(jié)束判識(shí)是通過(guò)壓裂孔兩側(cè)考察孔的出水情況判斷。為了保證壓裂安全，試驗(yàn)壓裂孔間距按最大30 m 設(shè)計(jì)，壓裂孔兩側(cè)考察孔可見壓裂水壓出，確保了壓裂有效半徑達(dá)15 m，肉眼可見的壓裂范圍保證了壓裂的有效性。

4 結(jié) 論

圖8 壓裂區(qū)與未壓裂區(qū)瓦斯抽采純量變化對(duì)比圖Fig.8 Contrast chart of gas drainage purity change between fractured and unfractured areas

1）寺家莊礦順層鉆孔分段水力壓裂試驗(yàn)表明:研制的拖動(dòng)式雙封隔器工具串在鉆孔內(nèi)下放、坐封、解封、拖動(dòng)、回收順利，坐封壓力滿足壓裂密封要求。

2）形成了順層鉆孔分段水力壓裂方案設(shè)計(jì)方法及施工工藝，經(jīng)對(duì)比，壓裂區(qū)抽采單元瓦斯平均抽采濃度和純量分別是非壓裂區(qū)的5.9 倍，11.2 倍。證明開展采煤工作面順層鉆孔分段水力壓裂能夠有效形成均勻溝通煤層，形成均勻的裂縫網(wǎng)，達(dá)到了煤層增滲目的。