水力壓裂縱向切槽鉆頭的研制與試驗(yàn)

林 健，王 洋，石 垚，王志超

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司,北京 100013)

水力壓裂作為一種有巨大潛力的工程技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、頁(yè)巖氣、地應(yīng)力測(cè)量等領(lǐng)域。近年來(lái)在煤炭行業(yè)，該技術(shù)主要應(yīng)用于高瓦斯突出煤層卸壓增透及區(qū)域瓦斯治理、堅(jiān)硬難垮頂板處理、沖擊地壓防治、高應(yīng)力巷道圍巖卸壓等方面[1-8]。

煤礦強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道一般是指至少經(jīng)歷一次回采工作面采動(dòng)全過(guò)程影響的巷道。如工作面多巷布置的外圍巷道、沿空留巷、同一采區(qū)順序開(kāi)采的臨近巷道等。強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道由于受工作面超前和側(cè)向應(yīng)力峰值疊加遷移以及工作面巷道側(cè)上方懸壁梁存在的影響，巷道圍巖變形速度快、變形量大、長(zhǎng)時(shí)間不能趨于穩(wěn)定，變形量一般是普通回采巷道的4～6倍[9-11]。此類巷道是目前我國(guó)煤礦巷道支護(hù)最困難的類型之一，一般采用常規(guī)支護(hù)甚至各種聯(lián)合支護(hù)都很難有效控制圍巖大變形[12-16]。因此，非常有必要對(duì)此類巷道采用“卸—支”相結(jié)合的手段進(jìn)行圍巖控制。

強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道切頂卸壓一般是在靠近正在回采工作面一側(cè)的巷道頂板進(jìn)行。通過(guò)人工干預(yù)的手段切斷工作面?zhèn)认驊冶蹘r梁，減小側(cè)向懸臂梁長(zhǎng)度，達(dá)到切頂卸壓的目的。目前切頂卸壓手段主要有深孔爆破、水力壓裂等[17-19]，其中水力壓裂技術(shù)以其成本低、效率高、安全性能好的特點(diǎn)，逐漸在強(qiáng)烈動(dòng)壓切頂卸壓中得到推廣應(yīng)用。

目前水力壓裂主要分常規(guī)水力壓裂、定向水力壓裂和定向射孔水力壓裂[3,20]。常規(guī)水力壓裂就是在鉆孔內(nèi)直接進(jìn)行分段壓裂，裂縫的起裂和擴(kuò)展主要沿原巖應(yīng)力最大主應(yīng)力平面；定向射孔水力壓裂主要應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)；定向水力壓裂則是在鉆孔內(nèi)進(jìn)行定向切槽，在壓裂時(shí)裂縫的起裂是人為定向的，裂縫沿定向方向擴(kuò)展到一定范圍后轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力平面。目前煤礦常用的定向水力壓裂是孔內(nèi)橫向切槽的方式。但在強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的切頂卸壓中，最佳的裂縫擴(kuò)展方向應(yīng)為沿巷道軸線方向，這樣就會(huì)在巷道深部頂板產(chǎn)生一個(gè)平行于巷道軸向的連續(xù)的斷裂面，有效切斷頂板巖層，達(dá)到理想的卸壓效果。本文正是基于上述原理和構(gòu)思，研制開(kāi)發(fā)一種孔內(nèi)縱向切槽鉆頭，并進(jìn)行系列試驗(yàn)研究，以期達(dá)到理想的強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道切頂卸壓效果。

1 水力壓裂縱向切槽鉆頭設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔周邊應(yīng)力狀態(tài)及裂縫起裂和擴(kuò)展條件，結(jié)合強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道水力壓裂卸壓技術(shù)要求，確定水力壓裂縱向切槽鉆頭及其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 縱向切槽鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of longitudinal slotting drilling bit

縱向切槽鉆頭采用氣動(dòng)雙刃縱向切槽，利用垂直交叉軸傳動(dòng)在鉆頭前端將軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪陛S線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)超薄金剛石鋸片，在鉆孔孔壁上進(jìn)行軸向連續(xù)或間斷的切割，鋸片的開(kāi)合由偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和1個(gè)活塞所構(gòu)成，活塞的軸向位置決定鋸片的開(kāi)與合，在鋸片打開(kāi)的位置具有自鎖的功能。傳動(dòng)軸、中心傳動(dòng)齒輪軸均設(shè)有中心孔，通過(guò)中心孔給鋸片提供冷卻水進(jìn)行刀片冷卻。

2 縱向切槽鉆頭切槽試驗(yàn)

2.1 金剛石鋸片耐磨性試驗(yàn)

為防止金剛石鋸片在井下使用過(guò)程中頻繁更換鋸片的問(wèn)題出現(xiàn)，對(duì)選擇的金剛石鋸片進(jìn)行了耐磨性能試驗(yàn)。試驗(yàn)在地面采用手持氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)金剛石鋸片切割花崗巖和釉面磚的方式進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 200 r/min，鋸片邊緣線速度u≈5.7 m/s。切割深度設(shè)為5 mm，切割長(zhǎng)度500 mm，給進(jìn)速度為花崗巖50 mm/min，釉面磚為80 mm/min。鋸片試驗(yàn)如圖2所示，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1中，D、D′分別為鋸片原始直徑和切后直徑，t、t′分別為鋸片原始厚度和切后厚度。

圖2 鋸片耐磨性能試驗(yàn)示意Fig.2 Schematic diagram of abrasion resistance test of saw blade

表1 鋸片測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of abrasion resistance of saw blade

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，所選用的金剛石鋸片在切割深度5 mm、切割長(zhǎng)度500 mm的情況下磨損不明顯，基本可滿足井下400 mm長(zhǎng)度多次切割的要求。

2.2 縱向切槽水力壓裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

利用已做好的圓形水泥桶柱，采用TUX75地質(zhì)鉆機(jī)套φ56 mm鉆頭進(jìn)行鉆孔，將縱向切槽鉆頭裝入孔內(nèi)預(yù)定位置，開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行切槽作業(yè)，切槽長(zhǎng)度200 mm。觀測(cè)鉆孔切槽效果，并進(jìn)行封孔壓裂，檢驗(yàn)裂縫開(kāi)啟及擴(kuò)展方向。實(shí)驗(yàn)室切槽壓裂過(guò)程如圖3所示。從圖3中可以看出，切槽效果明顯，水泥柱壓裂裂縫開(kāi)啟和擴(kuò)展基本和切槽方向一致。

圖3 實(shí)驗(yàn)室縱向切槽壓裂試驗(yàn)步驟Fig.3 Laboratory test procedure for longitudinal slotting fracturing

2.3 井下鉆孔內(nèi)縱向切槽試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證縱向切槽鉆頭的切槽效果，在陜西何家塔煤礦井下進(jìn)行了鉆孔縱向切槽試驗(yàn)，為方便清晰地獲得切槽效果圖，切槽試驗(yàn)在水力壓裂鉆孔口部中粒砂巖中進(jìn)行，切槽效果如圖4所示。

江陰市水利信息化以“一個(gè)中心、一個(gè)平臺(tái)、一張地圖、一張網(wǎng)絡(luò)、一套保障機(jī)制”的創(chuàng)新思路，采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)信息技術(shù)，統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建成信息采集與控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)與安全系統(tǒng)、資源共享服務(wù)平臺(tái)、綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)和防汛防旱會(huì)商中心“五大”工程，實(shí)現(xiàn)了所有業(yè)務(wù)管理一個(gè)平臺(tái)完成、一張地圖顯示，提高了水利信息化水平。

圖4 井下鉆孔內(nèi)縱向切槽效果Fig.4 Effect drawing of longitudinal notch in borehole in mine

3 縱向切槽水力壓裂井下工業(yè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)與生產(chǎn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選取為何家塔煤礦50105工作面運(yùn)輸巷。何家塔煤礦主采5-2煤層，煤層厚度在2.4～3.8 m，平均厚3.1 m，埋深約為180 m。巷道沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道高3.2 m，寬6.0 m。直接頂為中粒砂巖，中等穩(wěn)定，厚度0.84～14.28 m?；卷敒榉?、細(xì)砂巖，中厚層狀，厚度40 m以上。直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖，遇水強(qiáng)度降低，厚度0.65～7.50 m。與50105工作面運(yùn)輸巷相隔凈煤柱15 m為50106回風(fēng)巷，該巷在經(jīng)受50105工作面回采全動(dòng)壓影響后將作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷復(fù)用。為解決50105工作面運(yùn)輸巷端頭支架后方大面積懸頂和50106回風(fēng)巷留巷變形的問(wèn)題，礦方在50106運(yùn)輸巷試驗(yàn)水力壓裂切頂卸壓技術(shù)。

3.2 試驗(yàn)方案

水力壓裂切頂卸壓試驗(yàn)段長(zhǎng)300 m，共設(shè)計(jì)30個(gè)鉆孔，鉆孔布置參數(shù)如圖5所示。鉆孔間距10 m，鉆孔長(zhǎng)度20 m，開(kāi)孔處距煤柱側(cè)幫1.0 m，與垂直方向夾角為5°。

圖5 水力壓裂試驗(yàn)鉆孔布置參數(shù)Fig.5 Layout parameters of hydraulic fracturing test boreholes

其中，1號(hào)—15號(hào)鉆孔為縱向切槽施工鉆孔，并在切槽位置進(jìn)行壓裂；16號(hào)—30號(hào)鉆孔為不切槽直接壓裂，與切槽段進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。1號(hào)—15號(hào)鉆孔切槽位置設(shè)計(jì)為孔深6、12、18 m的位置，切槽長(zhǎng)度400 cm，切槽完成后在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行壓裂；16號(hào)—30號(hào)鉆孔壓裂位置與前15個(gè)鉆孔對(duì)應(yīng)，為孔深6、12、18 m。

3.3 與原有橫向切槽工藝對(duì)比

原有橫向切槽工藝如下：切槽鉆頭與普通鉆桿連接，利用鉆機(jī)將鉆頭推送至鉆孔底部，利用鉆機(jī)推進(jìn)力使鉆頭刀片張開(kāi)，利用鉆機(jī)扭矩使鉆頭旋轉(zhuǎn)并切槽。當(dāng)鉆孔需要多次開(kāi)槽時(shí)，需采用普通鉆頭鉆進(jìn)至開(kāi)槽位置→退出鉆頭和鉆桿，更換切槽鉆頭，連接鉆桿將切槽鉆頭送至孔底并開(kāi)槽→退出鉆桿和切槽鉆頭，連接普通鉆頭并連接鉆桿，繼續(xù)鉆進(jìn)至下次開(kāi)槽位置→重復(fù)更換切槽鉆頭并在該位置開(kāi)槽。當(dāng)需要多次在同一鉆孔中開(kāi)槽時(shí)，原有工藝需要多次、重復(fù)更換普通鉆頭和切槽鉆頭，多次、重復(fù)退出和推送鉆桿?？v向切槽工藝：與原有工藝相比，當(dāng)鉆孔需要多次開(kāi)槽時(shí)，只需采用普通鉆頭一次性將鉆孔施工完成→更換縱向切槽鉆頭及配套鉆桿，完成切槽。新研制的縱向切槽鉆頭及其開(kāi)槽工藝，大幅減少了更換鉆頭和鉆桿的次數(shù)，縮短了施工時(shí)間，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，切槽施工效率至少提升30%～50%。

4 試驗(yàn)效果

4.1 壓裂和擴(kuò)展效果

1號(hào)—15號(hào)鉆孔共壓裂45次，平均泵壓為13.7 MPa，壓裂曲線如圖6所示。壓裂過(guò)程中，水沿頂板的擴(kuò)散范圍可達(dá)10～40 m，主要集中在20～30 m內(nèi)，擴(kuò)散方向主要沿巷道軸向，壓裂位置越靠近孔口，擴(kuò)散范圍越大，頂板淋水量也越大。

圖6 縱向切槽鉆孔壓裂曲線Fig.6 Fracture curve of drilling with longitudinal notch

16號(hào)—30號(hào)孔共壓裂45次，平均泵壓為18.5 MPa，壓裂曲線如圖7所示。壓裂過(guò)程中，水沿頂板的擴(kuò)散范圍可達(dá)10～30 m，有個(gè)別次數(shù)擴(kuò)散范圍可達(dá)40 m左右。

4.2 壓裂卸壓效果監(jiān)測(cè)

壓裂卸壓效果監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括3個(gè)方面：煤柱應(yīng)力、鄰近巷道變形、采空區(qū)垮落情況。煤柱應(yīng)力共布置了3個(gè)測(cè)站，如圖8所示。其中，測(cè)站1監(jiān)測(cè)切槽壓裂段，測(cè)站2監(jiān)測(cè)不切槽壓裂段，測(cè)站3監(jiān)測(cè)不壓裂段。采用鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)深度分別為3、6、9、12 m。50106回風(fēng)巷變形情況是在圖8中3個(gè)測(cè)站的位置采用“十”字布點(diǎn)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采空區(qū)垮落情況隨著工作面的推進(jìn)記錄滯后支架垮落的距離。

(1)煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。測(cè)站1煤柱應(yīng)力變化如圖9所示。在縱向切槽水力壓裂切頂卸壓段，煤柱應(yīng)在變化曲線可分為3個(gè)階段：微調(diào)整階段、劇烈變化階段和相對(duì)穩(wěn)定階段。在微調(diào)整階段，測(cè)站未受到50105工作面回采影響，煤柱應(yīng)力處于自我調(diào)整狀態(tài)，調(diào)整幅度不大；劇烈變化階段，煤柱應(yīng)力受工作面回采影響，煤柱應(yīng)力劇烈增加，煤柱深度3、6、9、12 m處煤柱應(yīng)力最大增量分別為1.32、1.02、1.32、1.20 MPa；相對(duì)穩(wěn)定階段處于回采工作面后方120 m以后，煤柱應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。

圖9 測(cè)站1煤柱應(yīng)力增量Fig.9 Stress increment of coal pillar at station 1

測(cè)站2煤柱應(yīng)力變化如圖10所示。

圖10 測(cè)站2煤柱應(yīng)力增量Fig.10 Stress increment of coal pillar at station 2

在不切槽水力壓裂切頂卸壓段，煤柱應(yīng)力和測(cè)站1相同，也分為3個(gè)階段。在劇烈變化階段，煤柱應(yīng)力變化更為迅速，應(yīng)力增量也較測(cè)站1明顯增大，煤柱深度3、6、9、12 m處煤柱應(yīng)力最大增量分別為2.13、1.92、1.87、2.28 MPa；相對(duì)穩(wěn)定階段處于回采工作面后方100 m以后，煤柱應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。

測(cè)站3煤柱應(yīng)力增量變化如圖11所示。在未切頂卸壓段，6 m深測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)從安裝完成后一直處于緩慢下降的狀態(tài)，推測(cè)該測(cè)點(diǎn)傳感器損壞。而在3、9、12 m深處，煤柱應(yīng)力最大增量分別為2.9、2.5、3.3 MPa，該段煤柱應(yīng)力增量整體明顯高于切頂卸壓段。

圖11 測(cè)站3煤柱應(yīng)力增量Fig.11 Stress increment of coal pillar at station 3

通過(guò)3個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得出，受工作面回采影響，縱向切槽水力壓裂段煤柱應(yīng)力增量相對(duì)普通水力壓裂段和未壓裂段明顯較小，水力壓裂切頂卸壓效果明顯好于普通壓裂段和未壓裂段。

(2) 相鄰巷道變形。由于何家塔煤礦煤層埋深較淺，煤層強(qiáng)度較高，3個(gè)鄰近巷道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均較小，最大變形量?jī)H為2 mm，對(duì)比效果不明顯。

(3) 三角區(qū)懸頂情況。切頂卸壓段工作面端頭三角區(qū)懸頂照片如圖12、圖13所示。其中，切槽壓裂段三角區(qū)頂板懸頂長(zhǎng)度平均3.7 m，普通壓裂段懸頂長(zhǎng)度平均6.2 m，未壓裂段懸頂長(zhǎng)度平均8 m。

圖12 縱向切槽壓裂段三角區(qū)頂板垮落效果Fig.12 Effect of roof caving in triangular zone of hydraulic fracturing with longitudinal notch

圖13 普通壓裂段三角區(qū)頂板垮落效果Fig.13 Effect of roof caving in triangular zone of common hydraulic fracturing

從懸頂區(qū)域的長(zhǎng)度來(lái)看，切槽壓裂段明顯小于其他2個(gè)區(qū)域，且從現(xiàn)場(chǎng)效果來(lái)看，切槽壓裂段頂板斷裂較為整齊。

5 結(jié)論

(1) 基于強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道水力壓裂切頂卸壓原理，研制開(kāi)發(fā)了一種鉆孔縱向切槽鉆頭，切槽效率比傳統(tǒng)的橫向切槽鉆頭效率提高30%～50%。

(2) 實(shí)驗(yàn)室和井下鉆孔切槽試驗(yàn)表明，該鉆頭可有效實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)縱向切槽，切槽深度滿足強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道水力壓裂切頂卸壓要求。

(3) 井下試驗(yàn)表明，縱向切槽水力壓裂主導(dǎo)裂縫沿巷道軸向(切槽方向)起裂和擴(kuò)展，擴(kuò)散范圍達(dá)20～30 m，起裂壓力明顯小于不切槽水力壓裂的起裂壓力。

(4) 受工作面回采影響后縱向切槽水力壓裂段煤柱應(yīng)力增量相對(duì)普通水力壓裂段和未壓裂段明顯較小，水力壓裂切頂卸壓效果明顯好于普通壓裂段和未壓裂段。

(5) 縱向切槽水力壓裂切頂卸壓段工作面端頭三角區(qū)懸頂長(zhǎng)度明顯小于不切槽壓裂段和未壓裂段，且頂板斷裂較為整齊。