深部礦井定向水力壓裂高效抽采裝備及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

黃興利

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

近年來(lái)，礦井開(kāi)采活動(dòng)的深度不斷增加，礦井瓦斯涌出量逐年增大，致使礦井面臨極大的安全生產(chǎn)威脅。近年來(lái)形成卸壓增透強(qiáng)化瓦斯釋排采的技術(shù)理論及實(shí)踐，相同時(shí)間內(nèi)可以有效釋放圍巖應(yīng)力、增大增強(qiáng)瓦斯抽采體量[1]。水力致裂技術(shù)最早應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域，近十年來(lái)水力壓裂技術(shù)也多應(yīng)用于礦井頂板致裂、瓦斯卸壓增透抽采[2]。其中定向水力致裂技術(shù)已成為處理硬煤硬頂、沖擊地壓防治、瓦斯高效抽采的重要手段[3-8]。實(shí)踐表明：我國(guó)高瓦斯突出礦井進(jìn)行了大量水力壓裂試驗(yàn)并取得了一定的效果[9-10]。水力壓裂抽采瓦斯的本質(zhì)是通過(guò)高壓水注入瓦斯集中區(qū)域，擴(kuò)展周圍巖體的裂隙，利用瓦斯游離特性將瓦斯排出[11-12]。

黃陵礦區(qū)為煤層瓦斯與油型氣雙重威脅的高瓦斯礦井，近年來(lái)出現(xiàn)了多次頂?shù)装逵托蜌猱惓Ｓ砍霈F(xiàn)象，最大涌出量達(dá)21萬(wàn)m3，涌出時(shí)間持續(xù)約1個(gè)月。這已成為影響礦井安全高效開(kāi)采的頭號(hào)隱蔽致災(zāi)因素，礦井瓦斯治理難度大。為此，以黃陵二號(hào)煤礦為工作背景，開(kāi)展深部礦井定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)試驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)安全開(kāi)采至關(guān)重要。

1 工程背景

1.1 礦井賦存條件及生產(chǎn)概況

黃陵二號(hào)煤礦主采延安組2號(hào)煤層，平均埋深620 m，為穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層；煤層平均傾角2°，黃陵二號(hào)煤礦絕對(duì)瓦斯涌出量為67.17～87.89 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為3.90～5.47 m3/t。根據(jù)《陜西省瓦斯地質(zhì)分區(qū)圖》，黃陵礦區(qū)位于渭北斷隆高瓦斯帶內(nèi)，屬高瓦斯區(qū)。井田內(nèi)有46個(gè)鉆孔有油氣顯示，有天然氣噴出或煤成氣逸出，從瓦窯堡組、富縣組、延安組到直羅組上、下段的砂巖中均有油氣發(fā)現(xiàn)，屬于煤、油氣共生礦區(qū)。工作面頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)及圍巖特性見(jiàn)表1。

表1 209工作面圍巖特性Table 1 Characteristics of surrounding rock in 209 working face

礦區(qū)范圍內(nèi)連續(xù)性較好的巖儲(chǔ)集層共4個(gè)，分別為直羅砂巖含氣層、延安組第2段含氣層、富縣組含氣層、瓦窯堡組含氣層。4個(gè)含氣層也分別稱之為頂部、頂板、底部含氣層。目前回采209工作面，東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰207采空區(qū)，東北部緊鄰211工作面。工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)度約300 m，走向長(zhǎng)度4 500 m，209工作面日推進(jìn)8刀(7.2 m)，選用ZY10000-23/45D掩護(hù)式液壓支架；沿底板進(jìn)行后退式走向長(zhǎng)壁回采，老空區(qū)頂板采用全部垮落處理。

1.2 礦井抽采現(xiàn)狀

209工作面回采效率高、接續(xù)時(shí)間緊，導(dǎo)致工作面瓦斯預(yù)抽時(shí)間短、鉆孔工程量大，需要采取煤層強(qiáng)化抽采措施，以減少鉆孔施工量或縮短抽采時(shí)間，提高瓦斯抽采效率。然而，由于油型氣儲(chǔ)集層孔隙度小、滲透率低，故抽采效果不盡人意，主要存在兩方面因素。一方面抽采鉆孔油型氣衰減快，抽采幾天后，鉆孔內(nèi)不再有氣體涌出，但在工作面回采期間受采動(dòng)影響，鉆孔內(nèi)又有大量油型氣涌出，工作面回采依然受到油型氣威脅；另一方面，密集鉆孔存在鉆孔影響范圍小、鉆孔施工工程量大、成本高、鉆孔利用率低、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，增加了煤炭開(kāi)采成本。

2 壓裂施工設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

2.1 致裂方式確定

根據(jù)209工作面地質(zhì)條件及生產(chǎn)情況，采用“煤層+底板”定向抽采技術(shù)。2號(hào)煤層鉆孔采用整體壓裂方式；考慮3號(hào)煤層與2號(hào)煤層間距較小，利用分支孔形成起裂導(dǎo)向，2號(hào)煤層底板鉆孔選擇梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂方式進(jìn)行。同時(shí)考慮到工作面回采期間安全問(wèn)題，煤層壓裂鉆孔采用封隔器裸眼快速封孔工藝，封孔深度80 m；底板壓裂封孔方式采用“套管+封隔器”封孔方式，套管深度60 m。為避免壓裂液污染煤層，選擇清水作為水力壓裂液。

2.2 煤層破裂壓力及壓裂液用量確定

煤層破裂壓力通常采用地面鉆孔注入/壓降試井測(cè)試方法進(jìn)行直接測(cè)定。試驗(yàn)區(qū)煤層平均破裂壓力梯度范圍1.190×10-2～3.849×10-2MPa/m，壓裂施工區(qū)2號(hào)煤層平均埋深620 m，計(jì)算得2號(hào)煤層破裂壓力7.5～24.3 MPa。依據(jù)煤層厚度、孔隙率、壓裂影響范圍等參數(shù)計(jì)算壓裂液用量，設(shè)計(jì)煤層孔壓裂液用量240 m3，底板孔壓裂液用量770 m3。

2.3 抽采設(shè)備確定

2.3.1 設(shè)備選型

選用中煤科工集團(tuán)的BYW65/400型壓裂泵組，如圖1所示。水力壓裂成套設(shè)備由壓力泵、水箱、高壓管匯、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)等組成，具有壓力高、流量穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，可保證施工過(guò)程中工作人員的安全。為了保證水力壓裂封孔效果，采用井下水力壓裂快速封孔裝備。該裝備能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的封孔效果，提高施工效率，并且具有壓裂后可取出重復(fù)利用等特點(diǎn)。

圖1 BYW65/400型壓裂泵組Fig.1 BYW65/400 fracturing pump unit

2.3.2 設(shè)備組成

包括壓裂管柱、封隔器、壓差滑套、單流閥和引鞋5個(gè)部分。

壓裂管柱：高壓管柱采用31/2加厚油管加工，外徑89 mm，內(nèi)徑58 mm，單根長(zhǎng)度3.0 m。

封隔器：根據(jù)鉆孔孔徑和壓裂工藝選擇封隔器，選其總長(zhǎng)為1 620 mm，最大外徑為86 mm，通徑為50 mm，工作壓力達(dá)70 MPa，耐溫能達(dá)到120 ℃。

壓差滑套：壓差滑套總長(zhǎng)為460 mm，最大外徑為96 mm，通徑為42 mm，工作壓力達(dá)70 MPa，耐溫能達(dá)到120 ℃。

單流閥：?jiǎn)瘟鏖y總長(zhǎng)為269 mm，最大外徑為96 mm，通徑為35 mm。

引鞋：引鞋單件總長(zhǎng)為179 mm，最大外徑為105 mm，工作壓力小于70 MPa。

3 水力壓裂施工方案

3.1 水力壓裂工程施工流程

水利壓裂施工包括壓裂前準(zhǔn)備和水力壓裂施工2個(gè)過(guò)程，水力壓裂施工流程如圖2所示。壓裂前準(zhǔn)備，包括壓裂場(chǎng)地布置、壓裂用電器設(shè)備配備、井下供水、供電、通風(fēng)、壓裂設(shè)備進(jìn)場(chǎng)組裝、壓裂設(shè)備試車等；編制水力壓裂安全技術(shù)措施；水力壓裂工程施工，包括送工具串(含封隔器、滑套工具)、孔口設(shè)備安裝、壓裂鉆孔封孔、壓裂設(shè)備操作流程、壓力、流量監(jiān)測(cè)、巷道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)、壓裂結(jié)束判識(shí)等。

圖2 水力壓裂施工流程示意Fig.2 Construction process of hydraulic fracturing

3.2 水力壓裂位置確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，水力壓裂泵組平臺(tái)位于209輔運(yùn)巷5號(hào)與6號(hào)鉆場(chǎng)之間，后期由于209輔運(yùn)巷3號(hào)煤鉆場(chǎng)施工，位置方位如圖3所示。2020年3月23日開(kāi)始?jí)毫咽┕ぃ?020年6月6日完成5個(gè)本煤層壓裂孔及1個(gè)底板壓裂孔施工。

圖3 壓裂設(shè)備位置示意Fig.3 Layout of fracturing equipment

3.3 本煤層水力壓裂方案

本煤層水力壓裂采用“裸眼坐封水力壓裂工藝技術(shù)”，在不下入套管的前提下，設(shè)計(jì)鉆探軌跡、跟蹤采樣，成孔后分析最佳坐封位置進(jìn)行裸眼坐封，實(shí)踐證明坐封效果良好。本煤層設(shè)計(jì)6個(gè)鉆孔，1個(gè)為煤層孔，5個(gè)為頂板孔。根據(jù)鉆孔軌跡及鉆探施工情況，確定合理坐封位置見(jiàn)表2。

表2 本煤層孔布置方式Table 2 Borehole layout in coal seam

3.4 底板分段水力壓裂方案

底板孔共設(shè)計(jì)267 m，分4段進(jìn)行壓裂。根據(jù)分段鉆孔軌跡及鉆探施工情況，如圖4所示，采用“單封雙卡”拖動(dòng)式分段壓裂技術(shù)。底板孔分段壓裂設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，工具串設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 分段壓裂鉆孔軌跡Fig.4 Trajectory of segmented fracturing boreholes

圖5 底板分段致裂工具串設(shè)計(jì)Fig.5 Drilling design of floor segmented fracturing

表3 底板孔分段壓裂布置方式Table 3 Borehole layout of floor segmented fracturing

4 現(xiàn)場(chǎng)施工及效果檢驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

在209工作面5-6聯(lián)巷內(nèi)鉆場(chǎng)進(jìn)行本煤層及底板壓裂抽采技術(shù)，本煤層及底板壓裂鉆孔分別采用整體壓裂和分段壓裂。其中設(shè)計(jì)水力壓裂煤層及底板鉆孔分別為5個(gè)和1個(gè)，對(duì)應(yīng)編號(hào)為M5、M6、M1、M2、M3和D1。通過(guò)連續(xù)統(tǒng)計(jì)，煤層壓裂高壓力處于7.8～19 MPa之間，壓裂液總用量1 557.5 m3；底板孔最高注水壓力22 MPa，壓裂液用量775 m3。

4.2 抽采效果

M5壓裂孔各時(shí)間段水樣特征如圖6所示，根據(jù)M5孔連續(xù)抽采1 h的水樣可以看出，抽采出的水經(jīng)歷了“清水—渾濁—含雜質(zhì)渾濁—清澈”4個(gè)階段。同時(shí)檢測(cè)排水過(guò)程中煤層壓裂孔均出現(xiàn)瓦斯涌出濃度較高(大于1%)的情況，說(shuō)明壓裂效果良好。

圖6 M5壓裂孔各時(shí)間段水樣特征Fig.6 Water sample characteristics of M5 fracturing borehole at each time period

通過(guò)高壓將抽采區(qū)域的瓦斯吸出，抽采出水樣顏色達(dá)到透明時(shí)逐漸降低抽采壓力，分別連續(xù)抽采1 h后，孔內(nèi)壓力經(jīng)歷了“壓力驟降—壓力緩慢下降—壓力平穩(wěn)”3個(gè)階段。以M2號(hào)壓裂孔為例，M2瞬時(shí)停泵壓力8.4 MPa，65 min后降為5.8 MPa，截至下一工作日16：00，壓力降低至1.2 MPa，此后一直穩(wěn)定在1.2 MPa。通過(guò)探測(cè)可知，頂?shù)装?、煤層瓦斯含量分別減少了 40%、68%，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低了41%，表明施工效果達(dá)到了預(yù)期。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)二號(hào)煤礦地質(zhì)條件的觀察及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)209工作面共有4個(gè)完整的儲(chǔ)氣巖層。提出并試驗(yàn)“煤層+底板”定向抽采技術(shù)，煤層采用整體壓裂方式，底板采用分段水力壓裂方式，并最終確定出具體壓裂參數(shù)。通過(guò)在井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，各孔連續(xù)抽采1 h內(nèi)水樣經(jīng)歷了4種變化特征，樣水清澈后調(diào)整鉆孔相適應(yīng)的壓力，保證抽采的連續(xù)性。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的瓦斯監(jiān)測(cè)，瓦斯?jié)舛绕骄档土?0%，達(dá)到了預(yù)期效果。該方法在礦井內(nèi)具有推廣價(jià)值，有助于保證礦井的安全生產(chǎn)。