桑樹(shù)坪二號(hào)井頂板梳狀孔水力壓裂瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù)

吳 杰

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

瓦斯作為煤炭開(kāi)采的伴生物，由于瓦斯積聚超限、煤與瓦斯突出等事故嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)和人員生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。同時(shí)瓦斯作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，直接排放不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染[2]。因此，煤層瓦斯的高效抽采利用，不僅能夠達(dá)到節(jié)能減排保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的，而且對(duì)促進(jìn)煤炭行業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化起到重要作用[3-4]。受地質(zhì)條件、煤層發(fā)育特征、設(shè)備能力等影響，我國(guó)大部分地區(qū)煤層成孔性差，抽采鉆孔影響范圍有限，卸壓程度不高，瓦斯抽采效果不夠理想，消突周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約礦井的安全高效生產(chǎn)[5-6]，裝備技術(shù)升級(jí)迫在眉睫。定向長(zhǎng)鉆孔具有鉆進(jìn)深度長(zhǎng)，覆蓋范圍廣，鉆孔軌跡精確可控等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是目前大面積區(qū)域瓦斯治理的有效措施[7-8]。水力壓裂技術(shù)是增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率的有效手段。頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì)，避免了本煤層鉆孔成孔性差，抽采時(shí)間短，鉆孔覆蓋范圍小等不足，頂板壓裂形成的裂縫系統(tǒng)還可增加煤層與鉆孔的連接通道，改善煤巖層透氣性，縮短瓦斯運(yùn)移距離，提高瓦斯抽采效率，同時(shí)減少設(shè)備搬家時(shí)間，提升施工效率，保證抽采時(shí)間，能夠有效緩解礦井采掘接替緊張局面[9-11]。桑樹(shù)坪二號(hào)井所在的韓城礦區(qū)構(gòu)造較為發(fā)育[12-13]，煤層碎軟，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，礦井瓦斯防治困難[14-15]。為了改善礦區(qū)瓦斯防治效果，提升礦井安全經(jīng)濟(jì)效益，亟需探索適合礦區(qū)的瓦斯防治新技術(shù)。

1 礦井概況

桑樹(shù)坪二號(hào)井位于鄂爾多斯盆地東緣韓城礦區(qū)東北部，礦井采用斜井開(kāi)拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.90 Mt/a，服務(wù)年限20.1 a。井田含煤地層為二疊系山西組，共含煤3層，其中可采煤層2層，礦井主采3號(hào)煤層(圖1)。3號(hào)煤層為全區(qū)可采煤層，煤層含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～復(fù)雜，煤層厚度4.0～7.0 m，平均厚度5.97 m。3號(hào)煤層為半亮型煤，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤種為貧瘦煤和貧煤，煤層中層理和節(jié)理比較發(fā)育。礦井北區(qū)3307工作面進(jìn)風(fēng)順槽實(shí)測(cè)瓦斯壓力0.94 MPa，最大瓦斯放散初速度(ΔP)為11，堅(jiān)固性系數(shù)(f值)最小為0.20，煤的破壞類(lèi)型為Ⅳ類(lèi)型，且在測(cè)壓鉆孔施工過(guò)程中發(fā)生過(guò)噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象，經(jīng)鑒定桑樹(shù)坪二號(hào)井3號(hào)煤層為突出煤層。

試驗(yàn)地點(diǎn)位于礦井北區(qū)3309工作面一號(hào)回風(fēng)順槽開(kāi)口處，該順槽目前尚未掘進(jìn)。試驗(yàn)區(qū)地層為一整體走向北東-北北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)陷落柱等，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。煤層傾角3°～9°，平均傾角6°。試驗(yàn)區(qū)3號(hào)煤層偽頂為泥巖，質(zhì)軟、破碎，節(jié)理發(fā)育，易垮落，厚度0.05～0.2 m。 直接頂為灰黑色粉砂巖，厚層狀，水平層理，厚度1.5～1.8 m，較致密堅(jiān)硬。老頂為中、細(xì)粒砂巖，灰白色、深灰色，薄層狀，較致密堅(jiān)硬，厚度3.0～8.0 m。

表1 桑樹(shù)坪二號(hào)井3號(hào)煤層參數(shù)表Table 1 Parameter table of No.3 coal seam in Sangshuping No.2 well

圖1 桑樹(shù)坪二號(hào)井山西組地層柱狀圖Fig.1 Stratigraphic column of Shanxi formation in Sangshuping No.2 well

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

通過(guò)在3號(hào)煤層頂板堅(jiān)硬巖層中順層施工定向長(zhǎng)鉆孔并向下開(kāi)分支，進(jìn)行煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂施工。設(shè)計(jì)鉆孔主孔長(zhǎng)580 m，主孔施工層位距3號(hào)煤層0～5.0 m，巖性主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，在主孔水平段每隔60 m開(kāi)分支，共施工分支孔8個(gè)，單分支孔長(zhǎng)50 m。鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)位于煤層，開(kāi)孔傾角7°，方位角0°，在孔深約80 m附近開(kāi)始順層施工。鉆孔采用二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)孔深60 m，孔徑193 mm，下入Φ146 mm無(wú)縫鋼套管60 m，水泥砂漿帶壓封孔，二開(kāi)定向鉆進(jìn)。為保證水力壓裂施工效果，采用分段水力壓裂技術(shù)工藝，水力壓裂液選擇為清水。水力壓裂封隔器設(shè)計(jì)座封位置如圖2所示。

圖2 鉆孔剖面及水力壓裂分段設(shè)計(jì)圖Fig.2 Borehole profile and hydraulic fracturing segmentation design

2.2 施工機(jī)具

項(xiàng)目鉆探施工設(shè)備主要包括動(dòng)力設(shè)備、配套鉆具及測(cè)量系統(tǒng)等部分。鉆探設(shè)備選用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制生產(chǎn)的ZDY6000LD(B)履帶式全液壓坑道鉆機(jī)、3NB-320/8-30型往復(fù)式泥漿泵、YHD2-1000T(A)型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，目前該型號(hào)定向鉆探設(shè)備廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等煤礦安全領(lǐng)域。設(shè)備以及配套鉆具見(jiàn)表2。

表2 鉆探設(shè)備型號(hào)及作用Table 2 Types and functions of construction equipment

本次水力壓裂施工選用BYW65/400型煤礦井下壓裂泵，采用YB2-400M-4隔爆型電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，配有BY610Z液力變速器，經(jīng)球籠式同步萬(wàn)向聯(lián)軸器，通過(guò)泵側(cè)掛齒輪箱減速驅(qū)動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。該套壓裂泵組最大泵注壓力65 MPa，最大排量87.5 m3/h。

3 施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 施工工藝

本項(xiàng)目采用螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)兩種工藝方法，清水排渣鉆進(jìn)工藝成孔。螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向孔鉆進(jìn)時(shí)，整個(gè)鉆具不回轉(zhuǎn)，只有螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)破碎煤(巖)鉆進(jìn)，實(shí)時(shí)調(diào)整螺桿鉆具工具面向角，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進(jìn)時(shí)，每3.0 m對(duì)鉆孔進(jìn)行一次參數(shù)測(cè)定，根據(jù)測(cè)定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，調(diào)整鉆進(jìn)方向，力求鉆孔按照設(shè)計(jì)軌跡和要求鉆進(jìn)。本次施工采用前進(jìn)式分支孔工藝(圖3)，也稱(chēng)從外向內(nèi)開(kāi)分支孔，即在主孔鉆孔的同時(shí)進(jìn)行分支孔施工。

圖3 前進(jìn)式分支孔施工工藝流程Fig.3 Progressive branching hole construction process

3.2 工程施工

鉆孔一開(kāi)采用回轉(zhuǎn)保直鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)至60 m后擴(kuò)孔下套管，封孔侯凝72 h，打壓合格后二開(kāi)定向鉆進(jìn)，鉆遇煤層后換為回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，保證鉆具安全。鉆探施工鉆具組合見(jiàn)表3。 鉆孔鉆探施工共用時(shí)37 d，施工主孔長(zhǎng)度588 m，8個(gè)分支孔，累計(jì)進(jìn)尺1 188 m，其中，煤層段進(jìn)尺227 m，巖層段進(jìn)尺961 m，平均日進(jìn)尺約32 m。鉆孔主孔距煤層頂板距離總體上為2.0 m左右，最大達(dá)3.28 m。鉆孔左右覆蓋范圍約12.5 m。主孔所在層位巖性主要為砂巖，局部為泥巖，巖性穩(wěn)定，未出現(xiàn)縮徑等現(xiàn)象。

表3 鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)表Table 3 Drilling parameter design table

圖4 壓裂鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量曲線圖Fig.4 Curve diagram of gas drainage concentration and purity in fracturing borehole

共分4段進(jìn)行水力壓裂施工，累計(jì)注水2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa，累計(jì)注水時(shí)長(zhǎng)約78 h。水力壓裂施工結(jié)束后鉆孔內(nèi)壓力高，直接排水孔內(nèi)壓力可能會(huì)出現(xiàn)瞬間下降，誘發(fā)塌孔，堵孔等現(xiàn)象，影響瓦斯抽采效果。同時(shí)也可能帶出瓦斯，造成巷道瓦斯超限事故。因此，壓裂結(jié)束后采取保壓措施，關(guān)閉孔口閥門(mén)，使鉆孔內(nèi)壓力自然降低。 本次水力壓裂施工累計(jì)保壓98小時(shí)45分，孔口壓力由6.9 MPa降至2.5 MPa。壓力降至2.6 MPa之后下降十分緩慢，考慮到鉆孔長(zhǎng)時(shí)間浸泡可能存在的塌孔、縮頸等風(fēng)險(xiǎn)，在保壓至84 h時(shí)人工干預(yù)緩慢卸壓，卸壓過(guò)程中排水速度約0.027 m3/min，累計(jì)排水22.5 m3，到98小時(shí)45分保壓結(jié)束，排水過(guò)程中無(wú)煤粉排出。

4 效果分析

4.1 瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析

壓裂結(jié)束后由于初期鉆孔出水量較大，鉆孔抽采數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大，后安裝特制放水器，并安排專(zhuān)人放水后抽采數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，鉆孔累計(jì)抽采93 d的抽采濃度和抽采流量如圖4所示。由圖4可知，抽采前期由于鉆孔內(nèi)出水量較大，瓦斯抽采流量和濃度均較小，抽采43 d時(shí)鉆孔瓦斯抽采純量0.33～1.02 m3/min，平均0.60 m3/min，抽采濃度19.6%～54%，平均31.73%。由于鉆孔出水量逐漸減少，瓦斯流量和濃度均有所增長(zhǎng)，抽采73 d后鉆孔瓦斯抽采純量0.84～1.93 m3/min，平均1.41 m3/min，抽采濃度31%～56%，平均47.73%。 抽采93 d后，抽采情況趨于穩(wěn)定，抽采純量0.80～1.60 m3/min，平均1.18 m3/min，抽采濃度40%～52%，平均43.54%。抽采93 d內(nèi)日均抽采瓦斯純量約1 500 m3。

4.2 不同工藝技術(shù)抽采效果對(duì)比

為了方便對(duì)比分析，將不同工藝鉆孔抽采純量換算為百米鉆孔瓦斯抽采純量，根據(jù)壓裂鉆孔施工情況和抽采93 d的數(shù)據(jù)可知，壓裂鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量0.096 m3/min·hm。同時(shí)收集整理了鄰近試驗(yàn)區(qū)域3307工作面二號(hào)回風(fēng)順槽本煤層鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)，計(jì)算的百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.024 m3/min·hm。此外，桑樹(shù)坪二號(hào)井在北軌道大巷3306工作面進(jìn)行了超高壓水力割縫試驗(yàn)，水力割縫鉆孔抽采濃度17.9%～40.9%，平均25.88%，抽采純量264.04～698.52 m3/d，計(jì)算的百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.08 m3/min·hm?？梢?jiàn)水力壓裂鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的1.2倍，是常規(guī)鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的4.0倍(表4)。

表4 不同工藝技術(shù)抽采效果對(duì)比表Table 4 Comparisons of extraction effects of different technologies

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)在煤層頂板中實(shí)施梳狀長(zhǎng)鉆孔并進(jìn)行水力壓裂，能夠增加煤層與鉆孔的連通通道，增大煤層暴露面積，縮短瓦斯向鉆孔運(yùn)移的距離，提高抽采效率。

2) 相較于常規(guī)本煤層鉆孔瓦斯抽采，頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂瓦斯抽采具有鉆探工程量小，施工速度快，成孔效率高，抽采時(shí)間長(zhǎng)，鉆孔覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

3) 頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的1.2倍，是常規(guī)鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的4.0倍。