厚煤層頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂瓦斯抽采工程實(shí)踐

王輝

（陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號(hào)井，陜西 韓城 715400）

1 試驗(yàn)礦井概況

我國(guó)部分礦區(qū)煤層松軟、透氣性低，常規(guī)抽采方式下，鉆孔工程量大，抽采效率低，導(dǎo)致煤層抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了礦井采掘接替[1-4]。

增加煤層透氣性已成為提高礦井瓦斯抽采的關(guān)鍵技術(shù)問題，水力壓裂已被證明是改造煤巖體結(jié)構(gòu)、增加煤層透氣性、提高煤層瓦斯抽采效果的有效技術(shù)途徑。定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂綜合了定向鉆進(jìn)高效抽采技術(shù)和水力壓裂增透強(qiáng)化抽采技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高加快瓦斯治理效率、擴(kuò)大瓦斯治理規(guī)模，具有引領(lǐng)國(guó)內(nèi)外低滲煤層瓦斯高效治理技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用的趨勢(shì)[5-10]。

韓城礦區(qū)主采3號(hào)煤層煤層碎軟（破壞類型Ⅳ、Ⅴ類，f值0.1～0.3），煤層瓦斯含量高(＞10 m3/t）、壓力大，透氣性差（0.072 9～0.229 m2/MPa2·d），瓦斯衰減快、抽采濃度低(一般＜10 %)，韓城礦區(qū)特殊的瓦斯地質(zhì)條件決定了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)礦井突出災(zāi)害區(qū)域超前治理。

為了提前預(yù)抽桑樹坪二號(hào)井北軌道大巷開拓區(qū)域的3號(hào)煤層瓦斯，探索更為經(jīng)濟(jì)有效的碎軟煤層頂板水力壓裂技術(shù)工藝，開展了桑樹坪二號(hào)井北軌道大巷3號(hào)煤層頂板長(zhǎng)鉆孔水力壓裂抽采瓦斯技術(shù)研究，旨在以地面煤層頂板分段壓裂工藝為參考，開展井下煤層頂板分段壓裂技術(shù)試驗(yàn)，探索適合松軟厚煤層的區(qū)域性改善煤層透氣性的方法，提高煤層瓦斯抽采效率，為礦區(qū)災(zāi)害治理提供技術(shù)支撐。

2 頂板長(zhǎng)鉆孔水力壓裂裂縫擴(kuò)展特征研究

在頂板水力壓裂過程中，其關(guān)鍵是如何讓水力壓裂形成的裂縫和煤層導(dǎo)通，且起裂壓力必須能夠保證頂板巖石能夠產(chǎn)生裂縫，裂縫和煤層導(dǎo)通后，水壓一般會(huì)沿著煤層的原生裂縫進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)選取桑樹坪二號(hào)井3號(hào)煤層頂板巖體物理力學(xué)參數(shù)；通過RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟件對(duì)不同壓力情況下的煤體進(jìn)行鉆孔裂隙演化研究。模型中開挖一個(gè)圓孔作為注水孔，直徑為98 mm。初始注水壓力為7 MPa。為了獲得桑樹坪二號(hào)井地應(yīng)力條件下頂板巖體的破裂狀態(tài)，參考臨近礦井下峪口煤礦及桑樹坪煤礦地應(yīng)力特征值，本次數(shù)值模擬選用最大主應(yīng)力22 MPa、最小主應(yīng)力6 MPa，初始注水壓力7 MPa，水壓增量為0.2 MPa。不同注水壓力下鉆孔裂隙演化形態(tài)如圖1所示。

圖1 不同注水壓力下鉆孔裂隙演化形態(tài)

如圖1所示，為不同注水壓力條件下，壓裂孔周圍巖體破壞變化過程。從圖中可以看出，裂隙整體擴(kuò)展方向?yàn)榇瓜?，?duì)于頂板水力壓裂而言較為有利。當(dāng)注水壓力為13.8 MPa時(shí)，鉆孔周圍逐漸產(chǎn)生明顯裂隙，隨著壓裂的壓力逐漸增大，裂隙的范圍進(jìn)一步增大，總體為垂向，這對(duì)溝通煤層具有較大作用。說明理論上本次壓裂裂縫延展能夠溝通煤層與頂板裂隙，達(dá)到增透目的。

3 頂板定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)與施工工藝研究

3.1 頂板壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

本次3號(hào)煤層頂板壓裂施工區(qū)域?yàn)楸避壍来笙?，共設(shè)計(jì)壓裂鉆孔1個(gè)，主孔長(zhǎng)度500 m，主孔施工層位為3號(hào)煤層直接頂巖層、距3號(hào)煤層垂距小于5 m。鉆孔結(jié)構(gòu)采用二開設(shè)計(jì)，一開鉆孔深60 m，直徑為193 mm，成孔后下入φ127 mm套管，二開鉆孔直徑為98 mm。鉆孔布置平面位置如圖2所示。

圖2 鉆孔設(shè)計(jì)平面位置圖

充分考慮鉆孔施工質(zhì)量滿足水力壓裂要求，初步設(shè)計(jì)分支孔1個(gè)（根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整），用以探查3號(hào)煤層、校正調(diào)整鉆進(jìn)軌跡，采用前進(jìn)式開分支的方式。設(shè)計(jì)分支孔開孔點(diǎn)位置距孔口171 m；同時(shí)，設(shè)計(jì)主孔最終下扎并揭露3號(hào)煤層，一方面核實(shí)鉆孔軌跡距離3號(hào)煤層垂距，另一方面考慮下向孔一定程度上能促使巖屑沉入孔底，鉆孔設(shè)計(jì)剖面如圖3所示。

3.2 鉆具組合與施工參數(shù)設(shè)計(jì)

本次頂板定向長(zhǎng)鉆孔施工使用的定向鉆機(jī)為ZDY6000LD（B）履帶式全液壓定向鉆機(jī)；定向鉆進(jìn)的鉆桿主要有兩種，一種是φ73 mm中心通纜鉆桿，另一種是φ73 mm鈹銅無磁鉆桿。螺桿馬達(dá)采用帶彎角上網(wǎng)螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向鉆進(jìn)。

定向鉆進(jìn)2種鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工，分別為：第一種是φ98 mm胎體式PDC鉆頭，該鉆頭利用骨架料和浸漬合金經(jīng)燒結(jié)而成，耐磨性強(qiáng)，鉆頭冠部采用平底結(jié)構(gòu)形式，鉆頭冠部鑲焊了7片加強(qiáng)型復(fù)合片，使其具有足夠的強(qiáng)度和壽命；胎體四周布置有聚晶體以保持鉆頭體的外徑；鉆頭頂部中心布置了較大開口，保證了通水排渣流暢；鉆頭保徑效果好，碎巖能力強(qiáng)，能夠滿足煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔鉆井要求。第二種是φ193 mm/φ153 mm和φ153 mm/φ94 mm擴(kuò)孔鉆頭（加工定制）。φ153 mm/φ94 mm擴(kuò)孔鉆頭主要用于開孔時(shí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中必須安裝孔口裝置，以便鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行瓦斯抽放。φ120 mm/φ94 mm擴(kuò)孔鉆頭主要用于φ98 mm鉆頭成孔后擴(kuò)孔至φ120 mm孔徑。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖

為了實(shí)時(shí)掌控頂板定向鉆孔施工情況，保證定向鉆孔和煤層的間距，采用YHD2-1000T(A)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定鉆孔軌跡，該系統(tǒng)上述鉆進(jìn)系統(tǒng)配套在一起，用于鉆孔施工的測(cè)量和控制。

3.3 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證水力壓裂效果，擬采用套管+封隔器封孔方式；拖動(dòng)式分段水力壓裂技術(shù)工藝，初步設(shè)計(jì)水力壓裂段間距為20～30 m、封隔器卡距4～7 m，單孔壓裂段數(shù)不小于6段（具體情況視定向鉆探實(shí)施情況和水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工情況適時(shí)調(diào)整），見圖4。

圖4 鉆孔壓裂設(shè)計(jì)剖面圖

本次3號(hào)煤層頂板定向鉆孔水力壓裂方式為拖動(dòng)式分段壓裂。為保證水力壓裂鉆孔封孔的有效性，保障水力壓裂過程的順利實(shí)施，本次采用套管+封隔器封孔方式。為避免壓裂液污染煤層，水力壓裂液選擇為清水。根據(jù)《陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司桑樹坪二號(hào)井地質(zhì)報(bào)告》，地層破裂壓力梯度取2.23 MPa/100m，壓裂施工地點(diǎn)地層3號(hào)煤層埋深337.03～370.50 m，則破裂壓力為7.52～8.26 MPa。依據(jù)地層特征、壓裂影響范圍、煤層厚度、含水率等參數(shù)計(jì)算每段壓裂液用量約為31 m3。

鉆孔的封孔質(zhì)量是決定水力壓裂效果的關(guān)鍵步驟。為了保證水力壓裂封孔效果，采用西安研究院自主研發(fā)的煤礦井下分段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。分段水力壓裂封孔工藝如圖5所示。

圖5 分段水力壓裂封孔示意圖

4 頂板水力壓裂效果分析與評(píng)價(jià)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)觀察法分析壓裂效果

壓裂孔共分8段進(jìn)行壓裂，其中第1～5段、第7、8段均為“雙封單卡”拖動(dòng)式壓裂，第6段為對(duì)孔內(nèi)整體壓裂。根據(jù)壓裂施工過程中出現(xiàn)的滲水、出水、返水等情況，可初步推斷壓裂影響范圍。

在進(jìn)行第5段（324-317 m）壓裂施工過程中，當(dāng)壓裂液用量達(dá)到49.7 m3時(shí)發(fā)現(xiàn)孔口有黑水涌出，并伴有煤粉，分析判斷為該壓裂段與分支孔2（198～282 m）串通，如圖6所示，第5段距離分支孔2（198～282 m）最短間距40.5 m，證明該段壓裂影響距離至少達(dá)到40.5 m左右。

圖6 第5段壓裂過程中孔口返煤渣情況

在進(jìn)行第8段（90～85m）壓裂施工過程中，北膠帶大巷下坡20 m處（距離巷口約30 m）出現(xiàn)涌水、滴水現(xiàn)象，如圖7所示，第8段距離鄰近北膠帶大巷出水點(diǎn)最短間距84 m，證明該段壓裂影響距離至少達(dá)到84 m左右。

圖7 第8段壓裂過程中鄰近北膠帶大巷出水

根據(jù)第五段壓裂及第八段壓裂施工過程中的現(xiàn)象初步分析出壓裂影響范圍至少達(dá)到40.5～84 m。

4.2 鉆孔瞬變電磁分析壓裂效果

鉆孔瞬變電磁法是通過鉆孔內(nèi)部的發(fā)射線圈與接收探頭，發(fā)送電磁脈沖電流作為場(chǎng)源，激勵(lì)探測(cè)巖體和煤層感生二次電流，在脈沖間隙測(cè)量二次場(chǎng)隨時(shí)間的響應(yīng)，從而得到地下介質(zhì)的電性變化情況。水力壓裂后由于煤巖體內(nèi)水分有較大差異，通過鉆孔瞬變電磁測(cè)定情況，可以一定程度反映壓裂效果。

本次采用鉆孔瞬變電磁探測(cè)了北軌道大巷3號(hào)煤層頂板壓裂孔水力壓裂鉆孔斜深方向63～156 m區(qū)段，共劃分3個(gè)異常區(qū)。如圖8所示。3個(gè)異常區(qū)段沿鉆孔軸向方向均達(dá)到35 m，只是富水性均一度存在差異，即①號(hào)異常區(qū)段富水性較強(qiáng)（顏色較深，顏色越傾向于藍(lán)色，說明富水性越強(qiáng)），②號(hào)和③號(hào)異常區(qū)段次之?？變?nèi)瞬變電磁探測(cè)結(jié)果表明：在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，存在低阻區(qū)不均（即煤巖層富水性不均衡）的情況，但水力壓裂影響范圍均達(dá)到了35 m。

4.3 瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析分析壓裂效果

北軌道大巷壓裂孔數(shù)據(jù)從2月13日開始，前期由于疫情影響及排水問題，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備出現(xiàn)問題等；后期通過現(xiàn)場(chǎng)排查、實(shí)測(cè)校正等措施，穩(wěn)定監(jiān)測(cè)從5月18日開始，如圖9所示，瓦斯抽采濃度處于10 %～40 %，平均濃度25.1 %，平均抽采純量處于0.6 m3/min，通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，抽采203 d后鉆孔總抽采量為245 703 m3。

5 結(jié)論

圖8 壓裂后純異常分布情況

圖9 北軌道大巷瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在桑樹坪二號(hào)井北軌道大巷完成了1個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔鉆探（主孔長(zhǎng)度504 m）及分段水力壓裂施工（8段），成孔后總進(jìn)尺645 m，主孔長(zhǎng)度504 m，分支孔段分別為171～228 m（長(zhǎng)度57 m）、198～282 m（長(zhǎng)度84 m）；主孔距離3號(hào)煤層頂板總體小于5 m，最大間距5.5 m。

根據(jù)鉆探軌跡及地層巖性分析，通過優(yōu)選坐封位置、優(yōu)化壓裂施工工藝，形成了“雙封單卡”頂板拖動(dòng)式分段水力壓裂工藝技術(shù)；鉆孔分8段進(jìn)行了拖動(dòng)式壓裂施工，泵注壓力19.6～29.6 MPa，壓裂液?jiǎn)味斡昧?6～268 m3，總用量737.7 m3。根據(jù)實(shí)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)觀察得出頂板壓裂孔壓裂影響半徑為30～40.5 m；穩(wěn)定抽采期間，瓦斯抽采濃度10 %～40 %（平均濃度25.1%），平均抽采純量0.6 m3/min，通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，抽采203天后鉆孔總抽采量為245 703 m3，抽采效果良好。