穿層定向長鉆孔水力壓裂增透技術(shù)

路 璐

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000）

陽泉礦區(qū)屬于典型的高瓦斯、低透氣性、碎軟煤層發(fā)育的礦區(qū)，區(qū)內(nèi)礦井瓦斯災害嚴重、治理難度較大。新景公司所屬的3#煤層，原始瓦斯含量在15~20m3/t 之間，煤體堅固性系數(shù)f 值在1.0 以下，煤層透氣性系數(shù)為0.00116m2/MPa2?d，屬碎軟、低滲、高瓦斯突出煤層，常規(guī)方法抽采瓦斯十分困難，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是鉆孔極易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，缺乏相應的鉆探設備和鉆探技術(shù)；二是碎軟煤層由于透氣性較低，缺乏相應有效的增透技術(shù)。因此在新景礦試驗碎軟低透突出煤層情況下定向長鉆孔水力壓裂技術(shù)，探索復雜煤層條件下行之有效的增透消突技術(shù)。結(jié)合目前國內(nèi)大功率、大排量水力壓裂設備、自主研發(fā)的快速封孔工藝和井口安全孔口裝置，在煤孔段完成300m 以上定向長鉆孔施工的基礎上，對煤層實施水力壓裂擾動增透工藝。

1 工作面概況

新景礦位于陽泉市西部，井田面積64.747km2，其中3#煤層為突出煤層，在實際開采過程中曾多次發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。試驗施工地點位于3109 工作面，試驗地點煤層為緩斜煤層，煤層傾角2°~6°，工作面走向長1515m，傾斜長220m，其地面標高1046~1180m，工作面底板標高561~586m，煤層埋藏深度為470~610m，煤層平均厚度2.5m。3#煤層瓦斯壓力為1.3~2.26MPa，平均瓦斯含量為18.17m3/t，透氣性系數(shù)為0.0188~0.1377（m2/MPa2?d），為低透難抽采煤層。工作面布置三條主要巷道，分別為進風巷、回風巷和抽采措施巷。工作面采用U+L型的通風方式，即一進兩回通風法。

2 定向長鉆孔水力壓裂原理

定向鉆孔定向水力壓裂技術(shù)是通過在水力壓裂鉆孔影響半徑范圍內(nèi)施工定向鉆孔，對水力壓裂孔產(chǎn)生的裂隙具有導向和加速擴展的作用，使整個壓裂區(qū)域壓裂后形成較大范圍的卸壓增透區(qū)。定向鉆進技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使鉆孔軌跡按設計要求延伸至預定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。鉆機示意圖如圖1 所示。

圖1 ZDY6000LD（F）型全液壓坑道鉆機示意圖

3 水力壓裂試驗

3.1 封孔工藝

井下水力壓裂鉆孔封孔質(zhì)量是水力壓裂成敗的關(guān)鍵。目前井下水力壓裂的封孔方式一般有水泥砂漿封孔、封孔器等無機材料封孔。采用水泥砂漿封孔后容易產(chǎn)生收縮，密封效果差，在壓裂過程中容易出現(xiàn)因孔口漏水導致壓裂失效。國內(nèi)河南理工大學和河南煤層氣公司等相繼研發(fā)了水力壓裂鉆孔專用封孔材料，但封孔工藝繁瑣，封孔成本較高，推廣難度較大。

由于井下水力壓裂過程中煤體破裂壓力較高（一般在20MPa 以上），為了保證水力壓裂封孔效果，在綜合考察目前井下水力壓裂封孔技術(shù)工藝的基礎上，結(jié)合項目井下施工工藝情況，封孔設備是由封隔器、引鞋、滑套、高壓管柱及井口安全孔口管柱組成的壓裂封孔工具串，該工具串能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的封孔效果，提高施工效率。

根據(jù)鉆孔孔徑和壓裂工藝，封隔器選擇K341-100 型，如圖2 所示，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 封隔器參數(shù)表

圖2 K341-100 型封隔器示意圖

該封隔器具有以下特點：（1）施工操作簡單，適應性強；（2）擴張系數(shù)大，殘余變形小，對井徑適應性強，可隨井眼的形狀而變化；（3）坐封與解封方便、簡單、可靠；（4）承壓差大，耐高溫；（5）特殊的防砂設計，使用更加安全可靠，后期作業(yè)施工不易造成砂卡等意外情況的發(fā)生。因此十分適用于井下水力壓裂鉆孔封孔。

項目具體施工如下：根據(jù)壓裂鉆孔施工軌跡，結(jié)合隨鉆巖性判識情況，選擇巖層較穩(wěn)定、鉆孔較完整的地段作為坐封位置。通過綜合分析與判斷，將壓差滑套送至180m 砂質(zhì)泥巖層位處，封隔器2坐封在145~147m 粉砂巖層位處，封隔器1 坐封在25~27m 處套管內(nèi)，封孔工具串送至指定位置后，與壓裂泵泵組連接，通過注入壓力為5MPa 的高壓水，促使封隔器膨脹，完成坐封；然后通過壓裂泵繼續(xù)加壓至24MPa，促使壓差滑套打開，并進行注水壓裂施工。

3.2 注水壓裂情況

壓裂初期，隨著注入量的增大，泵壓上升較為明顯，直至孔內(nèi)流體壓力逐漸上升至煤體破裂壓力閾值，煤體發(fā)生初始破裂產(chǎn)生裂縫，注入壓力達到峰值，隨后呈現(xiàn)明顯回落。壓裂過程中應合理控制注入壓力，盡量避免壓裂泵出現(xiàn)驟停進而壓力突降的現(xiàn)象，并詳細記錄注入時間、壓力、瞬時流量和注水量等壓裂參數(shù)。壓裂期間密切關(guān)注泵注壓力變化情況，根據(jù)孔內(nèi)實際情況調(diào)節(jié)檔位，避免頻繁換檔操作導致壓力突降或突升。在使用整體封孔工具完成封孔后，安裝井口安全裝置，同時安裝、連接好水力壓裂泵組，對壓裂設備系統(tǒng)進行全面系統(tǒng)檢查，確保系統(tǒng)正常后進行水力壓裂注水試驗。

完成壓裂相關(guān)設備及工具串的安裝后，于2018 年5 月21 日開始井下水力注水壓裂施工，截至5 月26 日完成壓裂注水工作。期間累計共注水1510m3，累計開泵注水時間達到50 小時27 分鐘，平均注水量達到30m3/h。整個水力壓裂施工過程中無瓦斯超限和人身傷亡事件，未出現(xiàn)水、瓦斯從孔口噴出等異常現(xiàn)象，說明封孔質(zhì)量較好。

4 試驗效果考察

4.1 增透效果分析

（1）透氣性變化

研究期間施工效果考察孔對水力壓裂試驗區(qū)域原始煤體透氣性系數(shù)測定，壓裂前本區(qū)域透氣性系數(shù)為0.0097m2/（MPa2?d），而壓裂后透氣性系數(shù)為0.0259m2/（MPa2?d）。壓裂后透氣性系數(shù)比壓裂前提高了2.67 倍，充分反映了水力壓裂工藝對煤體的增透作用。

（2）壓裂影響范圍

本次水力壓裂試驗點附近煤層埋深在500~550m 之間，屬于典型的中深部煤層，煤體裂縫具有階梯性、拐角性和不對稱性，裂縫形態(tài)的隨機性很大。綜合測定水力壓裂影響半徑為58m。

4.2 抽采效果分析

水力壓裂后，對鉆孔抽采情況分析后發(fā)現(xiàn)：百米鉆孔瓦斯抽采純量在0.40~0.60m3/min 之間，平均百米鉆孔瓦斯抽采純量0.55m3/min，且抽采濃度和抽采純量衰減比較緩慢。與普通未進行水力壓裂的千米鉆孔對比，單孔平均瓦斯抽采濃度提高了19.46~70.05 倍，單孔百米鉆孔瓦斯抽采純量提高了22.2~110 倍。

此外，根據(jù)本次施工的效果考察鉆孔測試數(shù)據(jù)來分析，試驗點附近未受壓裂影響區(qū)域測定的瓦斯含量在12.87~15.95m3/t 之間，平均為14.41m3/t；經(jīng)水力壓裂增透后煤層瓦斯含量降低了4.94m3/t，降幅達到34.28%，卸壓增透效果較好。

5 結(jié)論

（1）研究碎軟、低透、突出煤層條件下順層定向長鉆孔連續(xù)滑動鉆進工藝，采取先進的隨鉆測斜數(shù)據(jù)來調(diào)整外管的工具面向角，從而使鉆孔的傾角和方位達到預定目標，使實鉆軌跡與設計軌跡相符，實現(xiàn)了對鉆孔軌跡的精確控制，實現(xiàn)了預期鉆探目標。

（2）根據(jù)實際鉆探施工軌跡，結(jié)合隨鉆巖性判識情況，選擇適合的層位向孔內(nèi)下入壓裂封孔工具串，在加壓10min 時間內(nèi)實現(xiàn)了壓裂工具串的快速坐封，實現(xiàn)了在復雜地層條件下對壓裂鉆孔的快速封孔。

（3）通過持續(xù)的高壓、大排量注水，煤層發(fā)生破裂并不斷延伸形成一定規(guī)模的裂隙，達到了煤層增透的目的。壓裂鉆孔瓦斯抽采濃度平均為70.05%，日抽采純瓦斯量為2415m3，煤體透氣性提高了2.67 倍，壓裂最大影響半徑達到58m，瓦斯含量下降了4.94m3/t，降幅達到34.28%。