定向水力壓裂增透技術(shù)在單一厚煤層的應(yīng)用

王永周，王浩昌，李國(guó)棟

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司，河南新鄉(xiāng) 453633）

0 引言

我國(guó)多數(shù)礦區(qū)的煤層氣抽采難度普遍較大，全國(guó)95%以上的高瓦斯和突出礦井開采的煤層屬于低透氣性煤層，滲透率多在10-3～10-4mD 數(shù)量級(jí)，煤層透氣性低，導(dǎo)致煤層氣抽采困難，嚴(yán)重影響礦井安全。水力壓裂技術(shù)在石油領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是油氣開發(fā)工程的主要增透技術(shù)之一[1]。隨著水射流技術(shù)的不斷發(fā)展[2-3]，各種水力化措施被廣泛運(yùn)用到煤礦瓦斯治理中，主要包括水力造穴、水力沖孔以及水力割縫技術(shù)。井下進(jìn)行穿層鉆孔水力壓裂時(shí)，存在鉆孔壓裂影響區(qū)域小、效率低等問(wèn)題。近年，隨著井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展[4-6]，有效解決了鉆孔軌跡控制，通過(guò)穿層或順層施工超長(zhǎng)鉆孔，有效解決了穿層抽采鉆孔有效段短、施工成本高的問(wèn)題。利用定向鉆孔進(jìn)行深孔水力壓裂，擴(kuò)大了鉆孔影響區(qū)域，治理效率明顯提高。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，研究了定向長(zhǎng)鉆孔深孔水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)在單一堅(jiān)硬厚煤層的應(yīng)用，探索破解趙固二礦煤層氣強(qiáng)化抽采技術(shù)難題。

1 工程概況

趙固二礦位于焦作煤田東部，井田面積約43.77 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180 萬(wàn)噸/年，服務(wù)年限55.5 年，主采山西組二1 煤層。礦井屬煤與瓦斯突出礦井。14030 工作面為礦井綜采自動(dòng)化工作面，位于一盤區(qū)西部，工作面可采走向長(zhǎng)度2200 m，傾向200 m，該采面標(biāo)高-660～-752 m，煤層埋深735.3～828.8 m。工作面煤層結(jié)構(gòu)單一，厚度6.03～6.77 m，平均6.4 m，煤層傾角4～6°。該工作面原始瓦斯壓力0.1 MPa，原始瓦斯含量3.56～9.23 m3/t，煤體破壞類型Ⅰ～Ⅱ類，堅(jiān)固性系數(shù)0.9～2.05，煤層透氣性系數(shù)0.398～0.796 m2/（MPa2·d），鉆孔流量衰減系數(shù)0.103 6～0.154 6 d-1，煤層吸附常數(shù)a=52.945 m3/t，b=1.063 MPa-1，孔隙率4.55%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 定向鉆孔設(shè)計(jì)與施工

（1）參數(shù)設(shè)計(jì)。為提前對(duì)11060 工作面下順槽1230～1530 m區(qū)域進(jìn)行瓦斯治理，在11060 工作面上順槽795 m 鉆場(chǎng)施工1個(gè)定向鉆孔。鉆孔設(shè)計(jì)孔深610 m，根據(jù)煤層頂板等高線繪制預(yù)想剖面圖，確定鉆孔的開孔方位角197°、傾角-3°。根據(jù)煤層變化設(shè)計(jì)出鉆孔軌跡，考慮壓裂抽采的均衡性，將鉆孔軌跡控制距煤層底板2.5～3 m 位置進(jìn)行定向鉆進(jìn)。具體設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)開孔方位角197°；設(shè)計(jì)開孔傾角-3°；設(shè)計(jì)終孔方位角143°；設(shè)計(jì)終孔傾角2°；設(shè)計(jì)孔深610 m。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工。采用ZDY6000LD 履帶式全液壓鉆機(jī)及配套機(jī)具進(jìn)行鉆孔施工。施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制開孔參數(shù)，定距測(cè)量誤差，以確保鉆孔軌跡，最終施工鉆孔深611.5 m，實(shí)鉆軌跡（圖1）基本按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鉆孔施工至設(shè)計(jì)位置后，采用Φ113 mm 的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后鉆孔孔徑達(dá)到Φ115 mm。

圖1 鉆孔實(shí)鉆軌跡

2.2 水力壓裂工藝設(shè)計(jì)及施工

2.2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)采取順煤層長(zhǎng)鉆孔整體水力壓裂增透技術(shù)，封孔方式為套管+封隔器封孔，封隔壓裂段為385～611.5 m，壓裂鉆孔長(zhǎng)度約226 m，設(shè)計(jì)水力壓裂注水量為1089 m3。具體壓裂參數(shù)見表1。

表1 定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工

壓裂泵工作過(guò)程中通過(guò)視頻監(jiān)控嚴(yán)格控制工況參數(shù)，最高注水壓不得大于56 MPa，最大流量保持在24 m3/h 以下。采用裸眼封割器封孔，封孔水壓達(dá)到15.4 MPa 時(shí)，封割器完成座封。采用BZW200/56 型壓裂泵，連續(xù)向孔內(nèi)壓入清水。累計(jì)注水時(shí)間70 h24 min，共注入水量1613 m3，注水瞬時(shí)流量最大400 L/min，最大泵注壓力24.3 MPa。

保壓時(shí)間持續(xù)14 d，孔內(nèi)壓力由18.2 MPa 降至4.4 MPa，之后壓力下降緩慢，進(jìn)行人工干預(yù)卸壓。卸壓閥打開排水后3 h，孔內(nèi)壓力下降至0 MPa。保壓觀測(cè)結(jié)束后，進(jìn)行卸壓排水，排水時(shí)間5 d，累計(jì)排水274 m3。

3 效果考察

水力壓裂結(jié)束后，接抽采系統(tǒng)進(jìn)行了連抽，抽采數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果表明，壓裂后該區(qū)域瓦斯抽采濃度與同區(qū)域未壓裂鉆孔相比，百米鉆孔流量由0.000 968 m3（/min·hm）提高至0.0017 m3（/min·hm），提高了1.75 倍。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)趙固二礦地質(zhì)條件，開展了定向鉆孔、水力壓裂工藝工程的設(shè)計(jì)與施工，對(duì)施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出工況參數(shù)的控制建議。

（2）通過(guò)實(shí)施定向水力壓裂技術(shù)，趙固二礦煤層透氣性能得到改善，煤層百米鉆孔流量提高了1.75 倍，提高了工作面瓦斯抽采效果。

（3）通過(guò)定向鉆機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡的精確控制。配合水力壓裂技術(shù)為井下長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行了定向水力壓裂，能夠顯著提高趙固二礦煤層透氣性能，可以為類似礦井強(qiáng)化煤層瓦斯抽采提供借鑒。