井下穿層長鉆孔水力壓裂強化增透技術*

牟全斌

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

低透氣性煤層瓦斯高效抽采一直是瓦斯治理面臨的關鍵性技術難題[1]，煤層增透的目的是使煤體產生盡可能多的裂隙，并實現裂隙的高連通率,是提高煤層瓦斯抽采率的根本途徑。采取人工增透手段構建煤層瓦斯導流通道，是解決這一問題的關鍵。水力壓裂技術作為常規低滲油氣增產措施，在非常規油氣開采、頁巖氣開發、煤層氣開發等領域已得到廣泛應用。自20世紀80年代以來，我國開始進行井下小規模水力壓裂試驗。近年來，隨著井下大功率水力壓裂設備的研制成功，井下水力壓裂研究進入快速發展階段，林柏泉等[2]研究了含瓦斯煤體水力壓裂動態變化特征，建立了煤體埋深、瓦斯壓力和水力破裂壓力三者耦合模型；黃炳香等[3]進行了真三軸煤巖水力壓裂試驗并研究了不同應力下裂縫起裂特征；李國旗等[4]研究了煤層水力壓裂的合理參數計算方法；蘇現波[5]、郭紅玉[6]引入地質強度指標(GSI)，建立了不同煤體結構條件下水力壓裂參數優化模型；劉世通[7]利用RFPA軟件對井下水力壓裂卸壓增透影響半徑進行了模擬；郭啟文等[8]研究了將表面活性劑注入前置液進行井下水力壓裂增透的技術；賈同千等[9]探索了復雜地質條件低滲煤層“水力壓裂-割縫”綜合增透技術；馬耕等[10]針對單一厚煤層提出了強化煤層頂板的虛擬儲層水力壓裂工藝；劉曉[11]研究并試驗了長鉆孔重復壓裂技術；王耀鋒等[12]通過實施先割縫后壓裂的方法，提出了基于導向槽的定向水力壓裂增透技術；翟成等[13]研究并試驗了煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術；王魁軍等[14]探索了井下多段水力壓裂增透技術。總體來看，井下水力壓裂技術具有卸壓范圍廣、增透效果明顯的優點，是一種適合于低透煤層的層內區域卸壓增透技術。但現有技術仍存在以下不足：水力壓裂與鉆探工程結合不夠緊密，鉆孔布置多采用普通穿層鉆孔方式，鉆孔實際壓裂有效長度短、壓裂影響范圍有限；封孔質量差，缺乏有效的專用封孔裝置，存在漏水甚至壓穿孔口的風險；壓裂配套工藝不夠完善，特別是在長鉆孔整體水力壓裂關鍵技術上還處于薄弱環節。針對上述問題，筆者提出一套井下穿層長鉆孔水力壓裂強化增透技術，以期為低透氣性煤層瓦斯治理工作提供技術借鑒。

1 井下穿層長鉆孔水力壓裂強化增透原理

井下穿層長鉆孔水力壓裂是在煤層底板開孔，借助定向鉆探工藝沿煤層走向施工數百米長的長鉆孔。以高壓水為載體，通過鉆孔向煤層內壓入大量壓裂液，當壓裂液壓入的速率大于煤層濾失的速率時，孔內流體壓力逐漸升高，當達到煤體破裂臨界壓力后煤體發生失穩，在鉆孔周圍形成一定規模的裂縫并沿煤巖層理和垂直于最小主應力方向延伸。壓裂過程中煤層裂縫的擴展演化是遞進循環式的，其裂縫“產生-擴展”過程可分為5個階段：能量與應力累積階段、微裂隙萌生階段、局部損傷破壞階段、煤體抵抗失效與裂隙迅速擴展階段、能量再蓄積再擴張循環階段。煤層裂隙演化過程描述如下[8，15]：高壓水流攜帶粒徑不同的煤粒進入煤層一級弱面(張開度較大的層理、構造裂隙)；煤粒在弱面邊緣逐漸堆積形成封堵帶；弱面內壓力不斷升高，發生起裂現象；弱面空間高度增加，封堵作用減弱，煤粒再次向四周運移、堆積形成二次封堵；封堵作用不斷循環，形成一級弱面的連續擴展延伸。并依此向二級弱面和原生微裂隙推進。每一次封堵均在裂隙弱面內對充水空間壁面產生拉應力作用，當該切向拉應力達到能使與其相連的二級弱面起裂條件時，二級弱面起裂，繼續壓裂作業從而使內部裂隙弱面發生擴展、延伸、以及相互之間貫通。最終形成以壓裂鉆孔為中心相互交織的貫通裂隙網絡，為煤層瓦斯流動提供通道，實現對煤層強化增透的目的。

2 試驗點地質條件

試驗點位于新景公司保安區南六底抽巷南段，壓裂目標煤層為3號煤，煤層平均厚度2.25 m，層理紊亂，裂隙發育程度差。受水平構造應力影響，煤層底部存在厚0.5 m的軟煤分層。直接頂板以砂質泥巖為主，平均厚度1.11 m。基本頂為細粒砂巖，平均厚度6.17 m。基本頂上部為灰黑色砂質泥巖，平均厚度1.80 m。直接底板為灰黑色砂質泥巖，平均厚度2.48 m。基本底為穩定的深灰色細粒砂巖，平均厚度2.40 m。現場測定3號煤層瓦斯含量為15.95 m3/t，瓦斯壓力為2.10 MPa，煤層透氣性系數為0.001 16 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.597(d-1)，煤體堅固性系數f值為0.77，屬于典型的低透碎軟煤層。普通穿層鉆孔瓦斯抽采體積分數僅為0.20%～1.80%，抽采流量為0.003～0.006 m3/min，必須借助新的增透技術增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果。

3 穿層長鉆孔布置及施工

采用ZDY6000LD(F)型坑道鉆機在煤層底板開孔，開孔位置距煤層底板47 m，開孔傾角12°，方位角4°，鉆孔一開鉆進至孔深35 m結束，經“φ98～153-193 mm”2次擴孔后下入φ146 mm鋼套管，使用水泥注漿固孔、侯凝。二開定向鉆進采用“φ98 mm PDC鉆頭+φ73 mm孔底馬達+φ73 mm下無磁鉆桿+隨鉆測量儀器+φ73 mm上無磁鉆桿+φ73 mm通纜鉆桿”的鉆具組合方式，鉆進至495 m處終孔，然后利用φ120 mm擴孔鉆頭對全部二開孔段進行擴孔。

鉆孔施工采用滑動定向鉆進技術，通過隨鉆測量系統中的探管將鉆孔參數實時傳輸到孔口計算機內處理形成實鉆軌跡，根據軌跡偏斜情況調整孔底造斜工具面向角，保證鉆進過程對鉆孔軌跡的精確控制。煤層段鉆進利用高粘羧甲基纖維素、鉆井液用高粘防塌劑及廣譜護壁劑等無固相泥漿材料作為沖洗液，遵循“低壓慢速、邊進邊退”的原則，合理控制鉆壓和鉆速，充分釋放瓦斯，避免了由于鉆孔急劇失穩破壞形成的堵孔、埋鉆等現象。最終成孔孔徑120 mm、終孔孔深495 m，其中煤層段孔深307 m，鉆孔軌跡見圖1。

圖1 長鉆孔軌跡剖面Fig.1 The long drill trajectory chart

4 水力壓裂工藝

4.1 壓裂系統布置

選用BYW65/400型井下壓裂泵組，額定功率400 kW，泵壓0～65 MPa，排量100～1 450 L/min。壓裂系統由孔內部分和孔外部分組成，孔內部分主要由封孔工具組合、高壓油管、封隔器等組成，孔外部分主要由壓裂泵組、高壓膠管等組成。為了施工安全，在孔口安裝由高壓閥門、壓力表、泄壓閥、三通等組成的孔口安全控制裝置(圖2)。

圖2 孔口安全控制裝置實物Fig.2 The physical map of safety control device

4.2 壓裂關鍵技術

井下水力壓裂作業可劃分為準備階段、高壓注水階段和保壓階段，準備階段主要包括設備連接、通孔、洗孔、封孔、試壓等工序，高壓注水階段包括注水壓裂、監測監控工序；保壓階段包括關泵、保壓、排水等工序(圖3)。壓裂完成后將壓裂孔作為瓦斯抽采孔，實現一孔多用。

圖3 壓裂施工工藝流Fig.3 Construction technology process chart of fracturing

4.2.1 準備階段

1)通孔、洗孔

安裝連接好壓裂設備后，利用鉆機對壓裂鉆孔進行通孔作業，并用清水反復洗孔，清除孔內沉渣。然后對壓裂設備進行試車。

2)快速封孔

采取以封隔器原理為基礎的快速封孔技術，首先根據鉆探過程地層巖性判識，在孔深145～147 m的砂質泥巖層段下入由引鞋、單流閥、壓差滑套、擴張式封隔器等組成的封孔工具組合(圖4)，連接油管，并在孔深25～27 m的孔口套管內下入外層封隔器。試驗所用封隔器外徑100 mm，膨脹系數達1.30～1.50，封孔過程主要原理是：從油管內打壓，高壓水從中心管進入膠筒內囊腔，靠水壓迅速撐開和膨脹膠筒，當內外壓差達到0.50～0.70 MPa時，密封油套環形空間，使得封孔工具組合和套管封隔器迅速坐封。通過向孔內注水打壓檢測封孔效果，經測試，可在10 min內完成鉆孔封孔，最大坐封壓力70 MPa，孔口無滲漏情況，達到了水力壓裂施工對封孔質量的要求。壓裂結束后，上提油管剪斷封隔器銷釘即實現解封。

圖4 封孔工具組合實物Fig.4 The physical map of sealing tool composition

3)試壓

打開孔口安全控制裝置高壓閥門和三通排水閥門，開啟壓裂泵，用最低檔位注水。慢慢關閉三通排水閥門，再觀察高壓表壓力的變化，當壓力達到設計壓力時關閉高壓閥門進行憋壓，停泵20 min后壓力無下降，試壓結束。

4.2.2 高壓注水階段

1)注水壓裂

根據鉆孔特征及試驗點地質條件，采用整體壓裂方式，選用清水作為壓裂液，避免對煤儲層產生污染。開泵后逐漸升高液力變速器檔位，提高注水壓力和泵注流量。詳細記錄時間、壓力、排量等壓裂數據，當注水量達到設計要求時停止壓裂作業。注水壓裂作業共計進行6 d，累計注入水量1 510 m3，瞬時最大泵注流量在0.66～0.94 m3/min之間，最大注水壓力在17.17～26.09 MPa之間(表1)，壓裂過程中巷道瓦斯濃度在0.10%～0.45%之間，作業區巷幫無明顯變形及滲水現象。

表1 水力壓裂過程主要參數

2)數據監測及分析

通過對壓裂過程中注水壓力和泵注流量等數據進行分析(圖5)，壓裂初期壓裂液迅速充滿鉆孔和周邊煤體原始裂隙，注水壓力和泵注流量快速上升，當壓力增大至24.06 MPa時，煤體發生初始破裂，隨后壓力瞬間降低。隨著注入時間的不斷延續，注水壓力出現“緩慢上升-快速上升-小幅鋸齒狀波動”的現象，第470 min時，由于供水不足被迫停泵。第2 d，壓力曲線整體較平穩，波動不大，第440 min由于供水量減小而降低檔位，后壓力明顯降低。第3 d～5 d，當注水壓力分別增大至17.80，26.09，20.68 MPa時，均發生了明顯的煤體破裂現象。在煤層破裂發生后，壓力通常出現瞬間最低值，持續注水后又緩慢上升，直至壓裂影響范圍逐步擴大出現下一次破裂循環為止。第6 d，壓裂壓力曲線總體較為平穩，呈現小幅的“鋸齒狀”周期波動現象，無明顯破裂現象發生。

整個壓裂過程共發生4次較為明顯的煤體破裂循環現象，注水壓力具有一定的周期性變化規律，每一次壓力起伏變化都使得鉆孔內煤體載荷發生改變，促使以鉆孔為中心的周圍區域煤體裂隙場發生相應的變化，在一定程度上間接反映了水力壓裂作業對煤體結構改造的力學作用特征，說明煤體破裂的發生是一個能量逐漸積聚進而誘發煤體失穩變形的過程。

圖5 水力壓裂注水壓力變化曲線Fig.5 The change curve of injection pressure in hydraulic fracturing

4.2.3 保壓階段

壓裂作業結束后，直接排水會因孔內壓力急劇降低而誘發塌孔現象，影響后期瓦斯抽采效果，同時瓦斯瞬間噴出導致巷道瓦斯超限，因此停泵后迅速關閉閥門，緩慢降低孔內壓力。經觀測發現孔內壓力呈現“快速下降-緩慢下降-趨于穩定”的變化規律。停泵后因地層濾失，前3 d壓力迅速從13.5 MPa降至3.10 MPa，第5 d至第10 d由于孔內外壓力逐漸恢復平衡處于緩慢下降階段，第11 d后壓力降低至地層正常流體靜壓力后出現穩定狀態。保壓結束后打開閥門排水，累計排水65.80 m3。

5 試驗效果分析

5.1 壓裂效果

在壓裂鉆孔周圍共設計了12個效果考察鉆孔(圖6)，其中1#、2#鉆孔布置在遠離壓裂鉆孔的區域，且在壓裂作業前施工。其余鉆孔為壓裂后的效果對比孔，通過測試壓裂前后煤儲層參數，綜合分析壓裂效果(表2)。

表2 效果考察孔施工參數及測試結果

1)煤層透氣性系數：1#、5#孔測定的煤層透氣性系數為0.009 7 m2/(MPa2·d)和0.025 9 m2/(MPa2·d)，壓裂后煤層透氣性系數是壓裂前的2.67倍。

2)煤體全水分：壓裂前煤體全水分在2.54%～3.10%之間，平均2.82%，受水力壓裂影響區域煤體全水分在3.07%～13.01%之間，平均6.72%。

3)煤層瓦斯含量：壓裂前煤層瓦斯含量在12.87～15.95 m3/t之間，平均14.41 m3/t。壓裂影響區域內煤層瓦斯含量在8.40～11.82 m3/t之間，平均9.47 m3/t，壓裂后瓦斯含量平均值降低34.28%。整體上水分較高的區域瓦斯含量較小，存在明顯的水驅氣效應。

4)影響半徑：以煤體全水分參數作為考察指標，水力壓裂最大影響半徑達到58 m。

圖6 效果考察鉆孔布置示意Fig.6 The schematic diagram of effect investigation holes

5.2 瓦斯抽采效果

采用瓦斯抽采參數傳感器對水力壓裂鉆孔瓦斯抽采情況進行監測，抽采初期瓦斯抽采流量快速升高，后期呈整體緩慢下降趨勢(圖7)。

圖7 瓦斯抽采流量變化曲線Fig.7 The change curve of gas drainage quantity

工況條件下抽采流量在0.46～1.88 m3/min之間，平均1.51 m3/min，連續抽采235 d累計瓦斯抽采量達50.80×104m3，瓦斯體積分數在18.20%～84.63%之間，平均64.30%。臨近區域同煤層普通穿層壓裂鉆孔平均瓦斯抽采流量為0.062 m3/min，瓦斯體積分數為2.22%～11.17%，平均6.26%，最大壓裂影響半徑為25 m。與普通穿層壓裂鉆孔對比，本次長鉆孔水力壓裂鉆孔平均抽采瓦斯體積分數提高了10.27倍，平均瓦斯抽采流量提高了24.40倍，最大壓裂影響半徑提高了2.32倍。

6 結論

1)井下穿層長鉆孔水力壓裂作業過程分為準備階段、高壓注水階段和保壓階段，包含通孔、洗孔、封孔、試壓、注水壓裂、數據監測、保壓、排水等技術。提出了一套基于井下裸眼封孔工具組合的快速封孔技術，滿足了低透煤層穿層長鉆孔水力壓裂封孔質量要求。

2)試驗數據分析表明壓裂試驗過程中煤層共發生4次破裂循環現象，煤體破裂壓力在17.80～26.09 MPa之間，注水壓力具有一定的周期性變化規律，保壓階段孔內壓力具有“快速下降-緩慢下降-趨于穩定”的特征，壓裂過程中存在水驅氣效應。壓裂后煤層透氣性系數是壓裂前的2.67倍，最大壓裂影響半徑58 m。與普通穿層壓裂鉆孔相比，壓裂鉆孔抽采流量和瓦斯抽采體積分數分別提高了24.40倍和10.27倍，最大影響半徑提高了2.32倍。

3)井下穿層長鉆孔水力壓裂強化增透技術充分融合了定向鉆進技術和水力壓裂技術的優勢，克服了常規井下水力壓裂存在的封孔質量差、影響半徑小的技術缺陷，達到了煤層區域卸壓增透的目的，為低透突出煤層瓦斯治理提供了一條可行的技術途徑。

4)受現場供水條件限制，井下水力壓裂試驗未做到全程不間斷壓裂，對壓裂效果產生的影響需進行更深入的研究。

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