碎軟低透突出煤層定向長鉆孔整體水力壓裂高效增透技術

張 儉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

我國在多期構造運動的作用下，成煤盆地復合疊加作用明顯，煤層受構造擠壓和剪切變形嚴重。煤層微觀孔隙發育、整體碎軟、吸附性強，煤層滲透率較美國平均低3個數量級，透氣性系數多為0.01 m2/(MPa2·d)，導致煤層多為碎軟、低透、高瓦斯突出煤層，原始瓦斯抽采困難，煤層開采危險性大。隨著煤層開采深度的不斷增加，我國許多礦區已經進入深部開采階段，煤層碎軟、低透、高瓦斯特征更為突出，煤層堅固性系數多為0.1 ～0.5，透氣性系數0.01～0.001 m2/(MPa2·d)，瓦斯含量10 m3/t以上，給礦區安全高效生產帶來了極大的困擾。近年來國內學者提出了CO2相變致裂、高壓水射流、水力沖孔、深孔預裂爆破等多項煤層增透措施，在某些特定區域取得了較好的效果，但在高地應力和煤層整體碎軟的作用下，煤層透氣性會在短時間內迅速衰減，甚至衰減值低于原始條件水平。因此亟需研發針對碎軟、低透、突出煤層的增透效果強、維持周期長、高效的增透技術。

水力壓裂是將高壓流體注入目標煤層，促使煤儲層形成新的裂縫體系或者重啟、溝通煤層自生裂隙系統，形成新的、大規模連通的瓦斯抽采導流通道，實現煤層增透的目的。近年來，許多學者針對水力壓裂增透機理、施工工藝等方面開展了大量研究。周西華等開展了水力壓裂技術增透工程試驗，驗證了水力壓裂技術對低透氣性煤層增透的有效性；林柏泉等通過監測煤層水力壓裂過程各個參數變化，建立了煤層埋深、瓦斯壓力和煤層破裂壓力耦合模型；雷毅等針對碎軟煤層水力壓裂增透機理進行了分析和探討；孫東生等開展了高瓦斯低透氣性煤層井下水力壓裂技術的試驗研究，總結壓裂施工工藝和參數設計方法；蘇現波等通過建立地質強度指標體系，提出了不同煤體結構條件下水力壓裂參數優化模型。以上理論和技術應用的研究和分析促進了我國煤層水力壓裂技術的發展，但現有煤礦井下壓裂增透技術主要集中在穿層鉆孔中，鉆孔見煤段少、壓裂作用段短，壓裂有效影響范圍小；鉆孔整體封孔效果差，易出現孔口漏水；封孔有效長度低，增加高壓水濾失，導致注入壓力低，嚴重影響壓裂增透效果。針對以上問題，結合陽泉礦區碎軟低滲突出的15#煤層實際情況，筆者以千米定向長鉆孔為基礎，結合自主研發的井下壓裂專用快速封孔裝備，研究定向長鉆孔水力壓裂高效增透技術，以期為碎軟低透突出煤層瓦斯治理工作提供技術借鑒。

1 研究區地質條件

研究區位于沁水煤田的東北邊緣，區內褶曲構造發育，有20余條落差 5 m的斷層。試驗礦井絕對瓦斯涌出量為206.37 m3/min，已發生多次煤與瓦斯突出。水力壓裂增透目標煤層為主采的15#煤層，15#煤層埋深508.55～ 517.50 m，煤層厚2.79～7.40 m，平均5.12 m。

受礦井褶皺構造的影響，煤層煤體結構可分為三層：上部發育有0.15～0.50 m的糜棱煤，揉皺及滑面極發育，煤體松軟，手捻呈粉狀，煤層堅固性系數較低，為0.1 ～0.3；中部煤層以碎裂煤為主，厚2.70 ～3.9 m，煤心呈小塊狀和碎粒狀，煤層堅固性系數為0.5～0.7；底部煤層以碎粒煤為主，局部為糜棱結構，手易捻搓成毫米級碎粒，煤層堅固性系數為0.3 ～0.5。煤層直接頂以砂質泥巖為主，厚3～5 m左右；老頂發育為泥灰巖、細砂巖和石灰巖，平均厚度3.82 m；直接底板發育為泥巖，局部為砂質泥巖或粉砂巖，平均厚度為2.59 m。通過現場采樣實測數據分析可知，15#煤層瓦斯含量為10～12 m3/t，平均瓦斯含量11.2 m3/t，瓦斯壓力0.25～2.20 MPa，屬于典型的碎軟低透突出煤層，常規瓦斯鉆孔成孔長度最長僅為60 m。

2 定向長鉆孔整體壓裂增透機理

煤礦井下定向長鉆孔整體壓裂是以百米至千米級的定向鉆孔為依托，借助高壓壓裂裝備和工藝，將高壓清水以大于煤層濾失的流量注入煤體中，促使作用于煤體的水壓力逐漸升高，當壓力大于煤層破裂壓力后，致使煤層產生裂縫。其具體作用過程為依據油氣填砂堵縫壓裂原理，碎軟煤層壓裂過程中高壓水促使不同粒徑煤粉優先進入煤基質較大的弱面(煤層自生基質孔裂隙或構造裂隙)，煤體顆粒封堵弱面，弱面壓力不斷升高，達到煤層破裂壓力而起裂，促使原有弱面形成新的、更大空間的裂隙網系統，封堵作用減弱甚至消除。煤層顆粒再次在高壓水作用下向四周次級弱面運移、堆積及封堵，壓力增高，形成二次起裂和裂縫系統，如此周期循環，直至內部裂隙弱面發生擴展、延伸以及相互之間貫通形成三維瓦斯運移導流系統。

3 長鉆孔整體壓裂工程試驗

3.1 長鉆孔定向鉆探施工

利用西安煤科院自主研發的ZDY12000LD型定向鉆機在工作面進風底板預抽巷施工定向長鉆孔，開孔位置距離煤層底板25 m，開孔傾角12°，方位角351°。鉆孔一開采用?120 mmPDC鉆頭結合扶正器及通纜鉆桿進行開孔，鉆進至209 m見煤后，經過“?120 mm-153 mm -193 mm-215 mm”三次擴孔改造后，下入?146 mm套管，使用封孔水泥注漿、固孔，候凝72 h，進行封孔試驗，滿足固孔、封孔要求后，進行二開定向鉆進；二開采用“?120 mmPDC鉆頭+?89 mm螺桿馬+接手+?89 mm下無磁+接手+?89 mm探管+?89 mm上無磁+?89 mm通纜鉆桿+?89 mm通纜水便”的定向鉆具組合方式進行鉆進施工，二開鉆孔長度411 m，煤層段長202 m。鉆探施工采用定向滑移鉆進技術，結合隨鉆測量系統的實時鉆進參數監測，實現壓裂鉆孔的精準控制；利用實時傳輸的鉆進參數數據，結合壓裂區域巖性地層剖面，透明化管理鉆孔軌跡地層位置，為優選封孔裝備安裝位置提供可靠地質信息支撐。在“低壓慢速、邊進邊退、精控參數、充分釋放瓦斯”的原則下，結合無固相泥漿材料做沖洗液和高黏度護壁劑，順利完成鉆孔施工，終孔直徑?120 mm，鉆孔長411 m，其中煤孔段202 m。壓裂鉆孔孔身結構及軌跡剖面示意圖如圖1所示。

圖1 壓裂鉆孔孔身結構及軌跡剖面示意圖

3.2 長鉆孔水力壓裂

3.2.1 快速封孔工藝技術

為了解決常規封孔工藝封孔不到位、質量差，導致注水濾失量增大，降低有效泵注壓力，影響增透效果的問題，筆者提出了由引鞋、單流閥、壓差滑套、封隔器、高壓管柱及孔口安全閥門組成的定向長鉆孔水力壓裂裸眼快速封孔成套設備，其中封隔器直徑?100 mm，膨脹系數1.3～1.5。其工作原理為：利用高壓壓裂泵組通過油管向封孔工具內注入高壓流體，流體從中心管進入膠筒內囊腔，靠液壓撐開和膨脹膠筒，促使膨脹膠筒與孔壁緊密接觸，完全封堵油套環形空間。封孔器內設置有單流閥，保證封隔器密封狀態。當完成壓裂施工后，通過孔口鉆機上提油管，使密封銷釘剪斷，中心管與膠筒發生相對位移，封隔器內外壓力平衡即可解封。通過井下試驗驗證可知，封孔器可在15 min完成快速膨脹坐封，孔口完全密封無滲漏，同時可實現封孔器回收、重復利用的功能。封隔器坐封注水過程壓力、流量監測情況如圖2所示。

圖2 封隔器坐封注水過程壓力、流量監測圖

由圖2可知，封隔器在1147 s完成坐封，坐封壓力11.92 MPa，壓差滑套在1222 s 打開，開啟壓力20. 00 MP。需要說明的是，封隔器膠筒膨脹封孔為物理接觸封孔，在鉆探過程中需根據鉆孔的進程進行巖性識別，優選的封隔器坐封在堅硬巖層中，本文優選的封隔器坐封在鉆孔80 m位置處的砂巖層位中。長鉆孔水力壓裂快速封孔裝備情況如圖3所示。

圖3 長鉆孔水力壓裂快速封孔裝備圖

3.2.2 壓裂施工工藝技術

(1)壓裂設備系統。壓裂設備系統主要由BYW65/400型壓裂泵、水箱、高壓管匯組成。壓裂泵設置空擋、1～5檔6個檔位，實現了壓力、流量的檔位可控；遠程可控操作臺能夠實現遠距離壓裂施工作業，保證施工安全；泵組具有數據智能監控、記錄功能，能夠實時監測和儲存壓裂壓力、流量、油溫、油位等參數，為現場施工安全判識和壓裂數據分析提供支撐。水箱容量達3 m3，高壓管匯直徑?50 mm，耐壓強度70 MPa，滿足壓裂施工條件。

(2)壓裂施工。根據煤層特征，結合鉆孔布置方式，采用定向長鉆孔的整體壓裂方式，為了避免壓裂液對煤儲層的污染，優選清水作為壓裂介質。完成封孔器坐封后，逐級提高泵組檔位，提高泵注壓力和流量，當壓力達到20.0 MPa時，壓差滑套打開，高壓水流開始作用于煤壁，壓裂施工開始。壓裂施工進行5 d，累計注水量2865 m3，泵注瞬時流量20.0～57.75 m3/h，平均39.15 m3/h，注入壓力為7.6～14.8 MPa，壓裂過程中煤壁及孔口均未出現滲水現象。

(3)壓裂數據分析。通過壓裂過程數據自動監測系統對壓裂施工過程中壓力和流量等參數進行了實時監測。壓裂鉆孔壓裂過程部分時段壓力監測曲線如圖 4 所示。由圖4可知，壓裂過程中出現明顯的壓降，最大壓降2.56 MPa，之后呈現鋸齒狀變化，之后隨著注入時間的增加出現二次循環破裂。

圖4 長鉆孔水力壓裂過程壓力曲線變化圖(部分)

(4)保壓排水。壓裂施工后，為了避免高壓狀態排水，易誘導瓦斯突出，且當孔內壓力釋放快時，碎軟煤層孔壁易發生塌孔、堵孔現象，造成閉合壓力作用下的裂縫閉合，影響抽采效果，筆者通過關閉孔口安全閘閥裝置，促使孔內壓力自然降低，同時高壓水繼續向煤層深部滲透，地層應力重新分布直至達到煤層瓦斯壓力的平衡狀態。壓裂施工完成后，累計保壓施工操作67 h，壓力整體呈現“快速下降—緩慢降低—平衡不變”的規律變化。鉆孔保壓壓力變化規律如圖5所示。由圖5可知，當壓力達到煤層瓦斯壓力，表明應力重新分布達到平衡。保壓結束后，通過控制閘閥開啟度嚴格控制排水速率，避免排水過快造成鉆孔塌孔現象。累計排水195 min，水量18.5 m3，之后鉆孔每天有少量水流出。

圖5 鉆孔保壓壓力變化規律

4 壓裂效果分析

4.1 煤儲層增透效果

煤儲層壓裂增透效果主要通過壓裂影響范圍、煤層滲透性及鉆孔瓦斯流量衰減性等方面進行壓裂前后參數對比分析。通過設計4個鉆場22個煤儲層參數測試樣品采集孔。效果考察樣品參數測試結果見表1。壓裂影響范圍主要通過采集不同壓裂段位置煤層樣品增透前后全水分變化進行分析，煤層增透效果主要通過煤層透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數進行分析，壓裂前煤儲層參數樣品取自距離壓裂鉆孔200 m以外的未受影響區域。煤儲層參數測試結果對比見表2。

表1 效果考察樣品參數測試結果

通過距離壓裂鉆孔不同距離煤層樣品儲層參數測試結果分析可知：

(1)壓裂影響范圍外的301-1、302-2樣品原始全水分2.12%～2.37%，平均2.24%，瓦斯含量10.68～10.69 m3/t。壓裂施工完成，煤層全水分3.1%～10.9%,平均4.31%，抽采一定周期后瓦斯含量降低至5.48～6.82 m3/t，水分提高了1.92倍，瓦斯含量降低至原始含量的0.55倍。

(2)壓裂增透前后煤層透氣性系數分別為0.1816 m2/(MPa2·d)和0.887 m2/(MPa2·d)，增透后煤層透氣性系數提高至原來的4.88倍。

(3)壓裂前后煤層瓦斯衰減系數分別為0.378 d-1和0.048 d-1，壓裂增透后瓦斯抽采衰減降低至壓裂前的0.13倍。

表2 煤儲層參數測試結果對比

注：第四、五列表示最小值～最大值/平均值

利用壓裂前后煤儲層全水分測試結果，結合煤層瓦斯含量變化，對壓裂影響范圍進行考察分析。通過分析可知，本次定向長鉆孔整體壓裂影響范圍隨著壓裂作用距離的增大，注水濾失量的增加量逐漸降低。整體上壓裂孔左右兩側影響半徑分別為40 m、60 m，平均壓裂影響半徑達到50 m。

圖6 壓裂后鉆孔瓦斯抽采效果

4.2 鉆孔瓦斯抽采效果

壓裂保壓排水施工完成后，連接瓦斯抽采管路，并安裝鄭州光力CJZ4Z煤礦井下瓦斯抽采多參數檢測儀器對壓裂后鉆孔抽采流量、濃度和負壓等參數進行了監測。壓裂后鉆孔瓦斯抽采效果如圖6所示。由圖6可知，單孔瓦斯抽采濃度2.69%～22.18%，平均5.41%，抽采純量為39.31～2519.12 m3/d，平均342.49 m3/d，累計抽采233 d，抽采量78892.45 m3。鄰近區域同煤層普通穿層壓裂鉆孔平均瓦斯抽采濃度1.95%，抽采瓦斯純量17.28～330 m3/d，平均75.7 m3/d， 與常規抽采鉆孔相比，壓裂后抽采濃度提高至2.81倍，日抽采瓦斯純量提高至4.8倍。

5 結論

(1)煤礦井下定向長鉆孔整體水力壓裂強化增透技術是以千米定向長鉆孔為基礎，結合高壓整體水力壓裂工藝技術，一次性實現了井下?120 mm的202 m長的碎軟低滲突出煤層整體水力壓力技術，單孔注水量達2865 m3，最高壓力14.8 MPa，改善了碎軟煤層透氣性屬性，提高了瓦斯抽采效果。

(2)研發了一套適合煤層裸眼鉆孔快速坐封的專用封孔工具，實現了15 min內完成坐封，滿足碎軟低滲突出煤層定向長鉆孔整體壓裂封孔質量要求。

(3)壓裂增透后煤層透氣性系數提高了 4.88倍，鉆孔瓦斯抽采流量衰減系數降低至壓裂前的0.13倍，抽采233 d后壓裂影響范圍內煤層瓦斯含量降低至壓裂前的0.55倍，實現了快速有效的抽采達標。

(4)通過壓裂前后全水分含量測試對比，并繪制全水分等值線圖可知，壓裂影響范圍整體呈橢球形，壓裂最大影響半徑60 m，平均50 m，克服了常規穿層鉆孔見煤段少、壓裂作用段短，壓裂有效影響范圍小的問題。