水力造穴控制壓裂技術研究

黃 勇 雷洪波 楊先明 高茂學

0 前言

在水力壓裂實施過程中，為了模擬裂縫開裂延伸過程的復雜情況，目前國內外已經建立了多種裂縫的幾何模型，從簡單的二維模型到三維模型，各類模型越來越符合裂縫的實際延伸過程[1]。但在實際壓裂中，由于受各種地質因素的影響，在地層復雜煤層中裂縫會出現轉向或向頂底板延伸或朝單一方向延伸，造成裂隙無序擴展，不能對目標區域煤層實施有效壓裂，對此，提出水力造穴控制壓裂的方法，即采用水力造穴技術定向預置縫槽導向裂縫起裂及擴展，在地應力作用下縫隙尖端形成剪切破壞區，在高壓水的作用下裂縫在縫槽尖端起裂，裂縫在尖端起裂后沿水平方向延伸。在此基礎上研發了水力造穴控制壓裂技術工藝，并在打通一煤礦W1601E瓦斯巷針對M6-3煤層進行了壓裂試驗。

1 水力造穴控制壓裂的基本原理

1.1 水力造穴控制壓裂裂縫延展的機理

采用高壓水力對煤體割縫在煤體中形成類圓盤狀縫隙，根據裂縫擴展原則，即當垂直應力大于水平應力時，煤層實施壓裂時裂縫均為垂直裂縫[2]。在研究水力割縫煤體起裂及延伸機理時，只需研究裂縫在水平方向的起裂及延伸。水力割縫后形成圓盤狀縫隙，在地應力的作用下使縫隙尖端產生應力集中，當所受應力超過煤體抗拉強度時產生剪切破壞區，在其邊緣依次形成圓環狀破壞區、塑性區、彈性區[3]。

在實施水力壓裂時，在高壓水力的作用下縫隙尖端首先破壞，即裂縫在縫隙尖端起裂。裂縫在縫隙尖端處起裂后，裂縫的延伸方向受最大主應力方向控制，即裂縫延伸方向平行于最大主應力方向，垂直于最小主應力方向，從國內外大量裂縫延展的模型可知，在水平應力相等的條件下，裂縫在起裂后會沿裂縫尖端延伸方向擴展。

1.2 水力造穴控制壓裂技術工藝

水力造穴也稱“水力割縫”，就是利用高壓泵將水加壓到18～25 MPa，通過鉆桿送入切割噴嘴，高壓水通過切割噴嘴噴出形成高壓水射流對煤體進行切割，高壓水混合煤泥通過鉆桿與孔壁間隙流出，最終在煤體中形成直徑0.5～2 m深度的圓盤狀縫隙。

按設計完成水力造穴后，按照設計對鉆孔進行下套封孔（封孔至目標煤層底板），然后進行壓裂，通過高壓泵將水逐步加壓到30 MPa以上，當高壓泵向煤層注水的速度超過煤巖層的吸收能力時，則在煤巖層形成高壓，當壓力超過煤巖層破裂壓力時，煤巖層被壓開并產生裂縫，若繼續向煤巖層注水，裂縫就會擴張，從而形成大量縫隙，提高煤巖層透氣性，降低煤層瓦斯抽采難度。[4]

2 現場實施

2.1 試驗地點基本情況

本次水力沖孔控制壓裂試驗選擇在打通一煤礦西一區W1601E瓦斯巷進行，巷道底板標高為-39.3～+245 m，地面標高+690～+805 m，壓裂目標煤層為M6-3煤層。壓裂孔施工時，鉆孔需從下向上依次穿過M12～M6-3煤層。

根據相鄰工作面地質資料，該區域M6-3煤層平均煤厚0.7 m，M7-3煤層平均煤厚1.18 m，M8煤層平均煤厚2.6 m，M8煤層至M7-3煤層層間距為7.6 m，M7-3煤層至M6-3煤層層間距為5.4m，空間分布為由上到下依次為M6-3、M7-3、M8煤層。煤巖層平均傾角2°，W1601中瓦斯巷頂板距M6-3煤層頂板平均70.8 m；W1601E瓦斯巷頂板距M6-3煤層頂板平均66.1 m；西一區-40邊界總回風巷頂板距M6-3煤層頂板平均73.9 m。根據礦井瓦斯基本參數考察臺賬，該區域M6-3煤層原始瓦斯含量19.2 m3/t，M7-3煤層原始瓦斯含量21.98 m3/t，M8煤層原始瓦斯含量25.71 m3/t。

2.2 鉆孔布置

W1601E瓦斯巷共設計23個壓裂鉆場（共35個水力壓裂孔），相鄰鉆場間距50m，奇數鉆場每個鉆場2個壓裂孔，每個鉆孔終孔于M6-3煤層頂板0.5m；偶數鉆場每個鉆場1個壓裂孔，每個鉆孔終孔于M7-3煤層頂板0.5m。本次試驗在7號、9號鉆場實施，7-1、7-2為水力造穴壓裂孔，9-1、9-2為常規水力壓裂孔。壓裂孔采用水泥石膏機械封孔（水∶水泥∶石膏=10∶7∶3），利用三次封孔技術封孔至目標煤層底板。

2.3 水力壓裂影響范圍考察

為準確掌握水力造穴控制壓裂的影響范圍，本次試驗采用鉆探的方法來考察壓裂的影響范圍。本次壓裂效果檢驗鉆孔在壓裂孔周圍沿走向、傾向的兩側四個方向施工，檢驗孔與壓裂鉆孔的距離分別為20～60 m，共施工鉆孔29個，并在孔口安裝能承受50 MPa壓力的壓力表，水力壓裂后觀察壓力表的壓力變化情況，當壓力表上的壓力發生變化時，則說明水力壓裂已經影響到了檢測鉆孔位置，否則說明壓裂范圍未到檢測孔位置。

3 試驗結果分析

2018年10月下旬完成了試驗鉆孔和檢驗鉆孔的施工，并組織對7-1#、7-2#試驗鉆孔進行了割縫和壓裂，2019年在壓裂影響區域施工了掘進條帶抽采鉆孔。

3.1 割縫情況

從割縫效果來看，水力造穴控制壓裂鉆孔7-1、7-2分別割出煤量296 kg、385 kg，計算割縫深度分別為0.76 m、0.86 m，基本符合預期要求。

3.2 壓裂情況

從壓裂情況來看，各試驗鉆孔壓裂正常，無明顯壓穿裂隙現象，平均注水壓力為33MPa，每個孔注入水量400 t。從壓裂時間來看，水力造穴的壓裂鉆孔平均每孔注水耗時981 min，常規壓裂孔為1 050 min，水力造穴的壓裂孔注水速度較常規壓裂快約7%。

3.3 壓裂效果分析

檢驗孔壓力變化情況：7-2#壓裂孔壓裂后，壓裂孔以南40 m、以東50 m、以西40 m、以北40 m范圍的測壓孔壓力顯示有明顯的變化；9-2#壓裂孔壓裂后，壓裂孔以南30 m、以東60 m、以西40 m、以北30 m范圍的測壓孔壓力顯示有明顯的變化。通過計算常規壓裂影響面積為4 564.55 m2，水力造穴控制壓裂影響面積為5 524.95 m2，影響面積比常規壓裂大21%。在壓裂4周后各檢驗孔的壓力變化得較均勻，基本維持在5 MPa以下。

3.4 瓦斯抽采效果分析

該區域掘進條帶抽采鉆孔鉆場間距8 m，鉆孔間距7 m，每個鉆場9個鉆孔。從考察鉆孔抽采163天的情況來看，常規壓裂后平均單孔抽采量為0.0 122 m3/min，水力造穴控制壓裂后平均單孔抽采量為0.0 135 m3/min，瓦斯抽采量提高了11%。

4 結論

（1）初步形成了一套水力造穴控制壓裂的施工工藝，“鉆孔施工——水力造穴——下套封孔——壓裂”整個過程采取視頻監控，確保了工程質量，整個工藝實現一體化，確保了施工的安全，降低了施工成本，提高了效率，水力壓裂鉆孔下套、封孔、壓裂成功率100%。

（2）經試驗考察，鉆孔傾角越大越有利于鉆孔割縫排渣，水力造穴效果越好，越有利于提高注水速度和裂縫的延展，水力造穴控制壓裂對裂縫的延展方向能起到控制導向的作用，壓裂影響半徑為40～50 m，壓裂影響區域受壓均勻，壓裂影響面積比常規壓裂增大21%，注水時間縮短7%，瓦斯抽采量提高11%。

（3）建議實施水力壓裂后保壓期設置為1個月，壓裂區域的壓力平衡后再放水，然后進行抽采鉆孔的施工，促使在平衡壓力時煤層進一步被充分改造，有利于瓦斯的解析釋放，以便于提高瓦斯抽采效果。