井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)

孫四清，李文博

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

碎軟煤層具有煤體強(qiáng)度低、滲透性差、瓦斯含量高等特點(diǎn)，煤層開采過程中瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重且治理難度大[1]。我國碎軟煤層較為發(fā)育，對(duì)于碎軟煤與瓦斯突出（簡稱突出）煤層在開采過程中的瓦斯災(zāi)害治理多采用底板穿層鉆孔、順層短孔抽采方式，或輔以水力化增透措施[2-7]。底板穿層鉆孔抽采煤層瓦斯存在巖巷掘進(jìn)工程量大、治理周期長、鉆孔揭煤段短、抽采治理效果受限等問題，無法實(shí)現(xiàn)碎軟突出煤層瓦斯大區(qū)域高效抽采治理。碎軟突出煤層瓦斯順層短孔抽采方式存在成孔性差、抽采鉆孔短、抽采區(qū)域小等問題。針對(duì)該問題，文獻(xiàn)[8-9]提出了梳狀定向孔鉆進(jìn)抽采碎軟煤層瓦斯技術(shù)，借助圍巖解決碎軟煤層區(qū)域抽采鉆進(jìn)難題。文獻(xiàn)[10-15]研究了圍巖梳狀定向長鉆孔分段壓裂技術(shù)，并在陽泉、韓城等典型碎軟突出煤層礦區(qū)進(jìn)行了工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了碎軟突出煤層瓦斯大區(qū)域治理。但碎軟煤層一般含有大量煤粉顆粒，梳狀定向長鉆孔鉆進(jìn)揭露煤層或分段壓裂施工過程中，均會(huì)有大量煤粉顆粒涌出，影響施工安全；前期壓裂液均為清水，卸壓后裂縫存在不同程度閉合，制約了壓裂增透效果。在地面煤層氣領(lǐng)域，文獻(xiàn)[16-18]開發(fā)了水平井頂板加砂分段壓裂技術(shù)，并在淮北、晉城等典型碎軟突出煤層礦區(qū)取得了較好的工程應(yīng)用效果，成為碎軟煤層地面煤層氣高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

基于煤礦井下碎軟煤層圍巖定向鉆探、水力壓裂增透技術(shù)已有成果，借鑒地面煤層氣水平井頂板加砂分段壓裂思路，本文提出煤礦井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)。煤礦井下壓裂泵組排量、壓力、攜砂能力等均比地面小，壓裂能否取得預(yù)期效果，國內(nèi)外沒有可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。從含煤地層煤巖力學(xué)和地應(yīng)力特征差異分析、煤巖層水力加砂壓裂數(shù)值模擬、典型礦區(qū)工程實(shí)踐等方面對(duì)該技術(shù)進(jìn)行探索研究，以期為我國煤礦井下碎軟煤層瓦斯大區(qū)域高效抽采治理提供新思路。

1 井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采思路提出

壓裂裂縫的擴(kuò)展、延伸與煤巖層脆性指數(shù)緊密相關(guān)，脆性指數(shù)高，則易形成長縫、復(fù)雜縫[19]。煤巖層脆性指數(shù)由其彈性模量和泊松比共同決定，高彈性模量、低泊松比煤巖層的脆性指數(shù)相對(duì)較高。典型碎軟突出礦區(qū)煤層及其頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力見表1?？煽闯鲰敯鍘r層彈性模量為2.36～26.00 GPa，碎軟煤層彈性模量為0.7～7.2 GPa，頂板巖層彈性模量為煤層的2.56～6.71倍；頂板巖層泊松比為0.13～0.32，碎軟煤層泊松比為0.27～0.40，頂板巖層泊松比為煤層的0.48～0.84倍。相對(duì)于碎軟煤層，頂板呈現(xiàn)高彈性模量、低泊松比特性，表明巖層具有相對(duì)較高的脆性。另外，各礦區(qū)煤巖層均以垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，煤層最小水平主應(yīng)力比其頂板小1.07～1.62 MPa。

表1 典型碎軟煤層礦區(qū)煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力Table1 Mechanics parameters and in-situ stress of coal, roof rock and floor rock in typical broken and soft coal seam mines

從煤巖層可壓裂性角度看，碎軟煤層脆性指數(shù)較低，若直接對(duì)其進(jìn)行壓裂，煤體多發(fā)生塑性變形，往往形成寬而短的壓裂縫，難以形成較理想的長壓裂縫網(wǎng)。含煤地層垂向應(yīng)力一般大于最小水平主應(yīng)力，在頂板巖層中壓裂可形成垂直壓裂縫；煤層最小水平主應(yīng)力較頂板巖層小，頂板壓裂縫在沿橫向快速延伸的同時(shí)，也沿地應(yīng)力梯度降低方向延伸，從而穿入煤層；在連續(xù)泵注條件下，頂板壓裂縫不斷橫向擴(kuò)展，產(chǎn)生撕裂拉扯作用，在碎軟煤層中形成長壓裂縫[16，20]。因此，間接壓裂碎軟煤層頂板較直接壓裂更能形成溝通范圍廣、泄流面積大的壓裂縫。

基于上述分析，提出井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采思路，如圖1所示。借助煤層頂板巖層高彈性模量、低泊松比等特性，以及鉆探易成孔、壓裂易成縫等優(yōu)勢，應(yīng)用定向鉆進(jìn)裝備在煤層頂板穩(wěn)定巖層中施工定向長鉆孔，鉆孔與煤層距離一般小于10 m。定向長鉆孔施工完畢后，采用井下壓裂泵組和分段壓裂工具對(duì)鉆孔由里向外逐段攜砂壓裂，壓裂完畢后形成一個(gè)以定向長鉆孔將巖層完全聯(lián)通、煤巖層中壓裂縫網(wǎng)將煤層充分溝通的多級(jí)縫網(wǎng)。壓裂過程中進(jìn)入裂隙系統(tǒng)的支撐劑可有效保障縫網(wǎng)處于開啟狀態(tài)，保持裂隙有效聯(lián)通。鉆孔連接抽采管路系統(tǒng)后，在負(fù)壓和濃度差的雙重作用下，煤層瓦斯沿壓裂縫網(wǎng)迅速移動(dòng)，進(jìn)入定向長鉆孔被抽出煤層，實(shí)現(xiàn)碎軟煤層瓦斯頂板定向長鉆孔大區(qū)域高效抽采。

圖1 井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采Fig.1 Efficient gasextraction by staged fracturing roof with sand of underground broken and soft coal seam

2 煤層及頂板水力加砂壓裂數(shù)值模擬

2.1 壓裂地質(zhì)模型建立

根據(jù)井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯高效抽采思路，以山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司（以下稱新景煤礦）保安區(qū)某工作面3號(hào)煤層為例，根據(jù)該工作面煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力（表1），建立了“頂板?煤層?底板”煤層及頂板水力加砂壓裂地質(zhì)模型，如圖2所示。對(duì)模型作出以下假設(shè)：①煤層及其頂?shù)装寰鶠楦飨蛲泽w，且煤層及其頂?shù)装彘g膠結(jié)面完好。②模型地應(yīng)力符合研究區(qū)地應(yīng)力特征，以垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力。③煤層最小水平主應(yīng)力梯度小于頂?shù)装?。④壓裂鉆孔布置在距煤層2 m的頂板巖層中，走向上平行于煤層最小水平主應(yīng)力方向。⑤鉆孔內(nèi)垂直向下定向噴砂射孔。

圖2 煤層及頂板水力加砂壓裂地質(zhì)模型Fig.2 Geological model for hydraulic fracturing coal seam and roof with sand

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比分析

采用FracproPT數(shù)值模擬軟件對(duì)煤層和頂板水力加砂壓裂進(jìn)行數(shù)值模擬，參數(shù)設(shè)置見表2，對(duì)煤層和頂板壓裂裂縫延展形態(tài)和鋪砂情況進(jìn)行定量研究。

表2 煤層和頂板水力加砂壓裂數(shù)值模擬參數(shù)Table 2 Numerical simulation parameters of hydraulic fracturing coal seam and roof with sand

碎軟煤層和頂板水力加砂壓裂數(shù)值模擬裂縫形態(tài)分別如圖3、圖4所示。模擬結(jié)果表明：碎軟煤層壓裂縫在水平方向上的縫半長8.1 m，平均縫寬5.1 cm，支撐劑平均濃度為5.2 kg/m2；頂板壓裂縫在水平方向上的縫半長28.3 m，垂直方向上的縫長10.4 m，平均縫寬2.5 cm，支撐劑平均濃度為2.3 kg/m2。頂板壓裂縫在水平方向上的長度約為煤層壓裂縫的3.49倍，垂向裂縫向下延伸長度大于鉆孔與煤層間距，可實(shí)現(xiàn)煤層有效溝通；壓裂支撐劑多分布于裂縫尖端部位，能夠保持裂縫處于開啟狀態(tài)。

圖3 煤層水力加砂壓裂模擬裂縫形態(tài)Fig.3 Simulated crack shape of hydraulic fracturing coal seam with sand

圖4 頂板水力加砂壓裂模擬裂縫形態(tài)Fig.4 Simulated crack shapeof hydraulic fracturing roof with sand

碎軟煤層水力加砂壓裂經(jīng)歷煤體塑性變形?壓密?斷裂等復(fù)雜過程，煤體塑性變形、壓密過程迫使部分能量損耗，使得裂縫面尖端部位鈍化，導(dǎo)致煤層壓裂縫規(guī)模顯著減小[21]。相較于碎軟煤層，可認(rèn)為頂板水力加砂壓裂達(dá)到破斷壓力后，巖層直接產(chǎn)生斷裂作用；隨著縫內(nèi)凈壓力不斷增大，裂縫在水平方向大范圍擴(kuò)展；同時(shí)，產(chǎn)生的撕裂拉扯作用帶動(dòng)裂縫向下延伸并進(jìn)入煤層，大范圍溝通碎軟煤層[18]。因此，碎軟煤層頂板水力加砂壓裂較煤層壓裂產(chǎn)生更好的效果。

3 工程試驗(yàn)

3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

工程試驗(yàn)研究區(qū)位于新景煤礦某工作面，研究目標(biāo)煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤。煤層埋深為458.9～558.2 m，煤層厚度為2.07～2.70 m，煤體結(jié)構(gòu)類型以碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤為主，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.8。煤層瓦斯含量為15.95 m3/t，瓦斯壓力為2.60 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.009 7 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.597 d?1。可見3號(hào)煤層是典型的碎軟低滲高突煤層。3號(hào)煤層直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度為0.3～2.4 m；該層之上主要為中砂巖、粗砂巖和細(xì)砂巖，巖層厚度為4.7～13.8 m，平面分布較穩(wěn)定。測得頂板砂巖層彈性模量為14.1 GPa，泊松比為0.13。

3.2 壓裂設(shè)計(jì)及施工

為便于定向長鉆孔鉆探施工和分段壓裂封隔器膨脹座封，選擇分布較穩(wěn)定且脆性指數(shù)較高的3號(hào)煤層頂板砂巖層作為加砂分段壓裂定向長鉆孔布置層位，鉆孔與煤層距離約為5 m。設(shè)計(jì)2個(gè)頂板定向長鉆孔，鉆孔采用兩級(jí)孔身結(jié)構(gòu)，一開孔徑為?215 mm，下入100 m ?146 mm套管固孔，二開孔徑為120 mm，為裸眼鉆孔，鉆孔長度均為609 m。2個(gè)定向長鉆孔布置及分段情況如圖5所示。

圖5 壓裂鉆孔布置及分段情況Fig.5 Arrangement and segmentation of fracturing boreholes

完成鉆孔施工后，采用拖動(dòng)式分段壓裂工藝，對(duì)1號(hào)鉆孔和2號(hào)鉆孔分別按6段和10段進(jìn)行加砂壓裂。壓裂液由清水、1%KCl及0.05%殺菌劑混合而成，壓裂支撐劑選擇粒徑為0.4～0.6，0.6～0.8 mm的核桃殼砂。1號(hào)鉆孔和2號(hào)鉆孔累計(jì)壓入水量分別為963.90，1 844.6 m3，使用核桃殼砂量分別為13.11，23.36 t，砂比為2.02%～2.56%。2個(gè)鉆孔分段壓裂施工參數(shù)見表3。

表3 分段壓裂施工參數(shù)Table 3 Construction parametersof staged fracturing

2個(gè)鉆孔典型壓裂段泵注壓力與排量變化曲線如圖6所示?？煽闯鲈诒米⑴帕糠€(wěn)定的情況下，泵注壓力曲線呈現(xiàn)上升、下降及鋸齒狀波動(dòng)，較好地反映了注水加砂壓裂過程中煤巖層的破裂及裂縫延伸情況。

圖6 典型壓裂段泵注壓力與排量變化曲線Fig.6 Variation curvesof pump injection pressure and displacement of typical fracturing sections

3.3 工程試驗(yàn)效果

壓裂施工完成后，采用示蹤劑、孔內(nèi)瞬變電磁等方法對(duì)2個(gè)鉆孔壓裂影響范圍進(jìn)行考察，測得2個(gè)鉆孔壓裂影響半徑為20～38 m。壓裂鉆孔連接抽采管路后進(jìn)行瓦斯抽采，統(tǒng)計(jì)100 d瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)，得1號(hào)鉆孔抽采瓦斯純量為1 025.11 m3/d，2號(hào)鉆孔抽采瓦斯純量為2 810.60 m3/d。2個(gè)壓裂鉆孔百米瓦斯抽采純量為同區(qū)域順層未壓裂鉆孔的5.6～15.4倍，由此驗(yàn)證了頂板加砂分段壓裂顯著提升了碎軟煤層瓦斯抽采效果。

4 結(jié)論

（1）統(tǒng)計(jì)分析了典型碎軟煤層礦區(qū)煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力特征，可知頂板巖層彈性模量為碎軟煤層的2.56～6.71倍，泊松比為煤層的0.48～0.84倍，含煤地層以垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力，煤層最小水平主應(yīng)力比頂板小1～3 MPa。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示頂板巖層具有高彈性模量、低泊松比特征，較碎軟煤層更易壓裂改造，分析認(rèn)為壓裂碎軟煤層頂板較壓裂煤層效果更好。

（2）建立了新景煤礦井下碎軟煤層和頂板水力加砂壓裂數(shù)值模擬地質(zhì)模型，采用FracproPT數(shù)值模擬軟件分別對(duì)煤層及頂板進(jìn)行壓裂模擬。模擬結(jié)果表明，頂板壓裂裂縫在垂直方向上主要向煤層方向延伸，在水平方向上壓裂縫長為煤層壓裂縫長的3.49倍，碎軟煤層間接壓裂頂板較直接壓裂煤層產(chǎn)生更好的壓裂效果。

（3）在新景煤礦某工作面3號(hào)煤層完成2個(gè)井下碎軟煤層頂板加砂分段壓裂瓦斯抽采鉆孔工程應(yīng)用試驗(yàn)。鉆孔長度均為609 m，分別按照6段和10段壓裂，單孔壓入水量分別為963.90，1 844.6 m3，加核桃殼砂量分別為13.11，23.36 t。測得2個(gè)鉆孔的壓裂影響半徑為20～38 m，鉆孔瓦斯抽采純量分別為1 025.11，2 810.60 m3/d，百米鉆孔瓦斯抽采純量為同區(qū)域順層未壓裂鉆孔的5.6～15.4倍。