桑樹坪二號井頂板梳狀孔水力壓裂瓦斯強化抽采技術

吳 杰

(陜西陜煤韓城礦業有限公司，陜西 韓城 715400)

瓦斯作為煤炭開采的伴生物，由于瓦斯積聚超限、煤與瓦斯突出等事故嚴重威脅著礦井安全生產和人員生命財產安全[1]。同時瓦斯作為一種優質的清潔能源，直接排放不僅會造成資源的浪費，還會造成環境污染[2]。因此，煤層瓦斯的高效抽采利用，不僅能夠達到節能減排保護生態環境的目的，而且對促進煤炭行業的良性循環發展、實現經濟效益和社會效益的最大化起到重要作用[3-4]。受地質條件、煤層發育特征、設備能力等影響，我國大部分地區煤層成孔性差，抽采鉆孔影響范圍有限，卸壓程度不高，瓦斯抽采效果不夠理想，消突周期長，嚴重制約礦井的安全高效生產[5-6]，裝備技術升級迫在眉睫。定向長鉆孔具有鉆進深度長，覆蓋范圍廣，鉆孔軌跡精確可控等技術優點，是目前大面積區域瓦斯治理的有效措施[7-8]。水力壓裂技術是增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率的有效手段。頂板定向長鉆孔水力壓裂技術結合了二者的優勢，避免了本煤層鉆孔成孔性差，抽采時間短，鉆孔覆蓋范圍小等不足，頂板壓裂形成的裂縫系統還可增加煤層與鉆孔的連接通道，改善煤巖層透氣性，縮短瓦斯運移距離，提高瓦斯抽采效率，同時減少設備搬家時間，提升施工效率，保證抽采時間，能夠有效緩解礦井采掘接替緊張局面[9-11]。桑樹坪二號井所在的韓城礦區構造較為發育[12-13]，煤層碎軟，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，礦井瓦斯防治困難[14-15]。為了改善礦區瓦斯防治效果，提升礦井安全經濟效益，亟需探索適合礦區的瓦斯防治新技術。

1 礦井概況

桑樹坪二號井位于鄂爾多斯盆地東緣韓城礦區東北部，礦井采用斜井開拓，設計生產能力0.90 Mt/a，服務年限20.1 a。井田含煤地層為二疊系山西組，共含煤3層，其中可采煤層2層，礦井主采3號煤層(圖1)。3號煤層為全區可采煤層，煤層含夾矸，結構簡單～復雜，煤層厚度4.0～7.0 m，平均厚度5.97 m。3號煤層為半亮型煤，結構簡單，煤種為貧瘦煤和貧煤，煤層中層理和節理比較發育。礦井北區3307工作面進風順槽實測瓦斯壓力0.94 MPa，最大瓦斯放散初速度(ΔP)為11，堅固性系數(f值)最小為0.20，煤的破壞類型為Ⅳ類型，且在測壓鉆孔施工過程中發生過噴孔等動力現象，經鑒定桑樹坪二號井3號煤層為突出煤層。

試驗地點位于礦井北區3309工作面一號回風順槽開口處，該順槽目前尚未掘進。試驗區地層為一整體走向北東-北北東，傾向北西的單斜構造，未發現陷落柱等，地質構造簡單。煤層傾角3°～9°，平均傾角6°。試驗區3號煤層偽頂為泥巖，質軟、破碎，節理發育，易垮落，厚度0.05～0.2 m。 直接頂為灰黑色粉砂巖，厚層狀，水平層理，厚度1.5～1.8 m，較致密堅硬。老頂為中、細粒砂巖，灰白色、深灰色，薄層狀，較致密堅硬，厚度3.0～8.0 m。

表1 桑樹坪二號井3號煤層參數表Table 1 Parameter table of No.3 coal seam in Sangshuping No.2 well

圖1 桑樹坪二號井山西組地層柱狀圖Fig.1 Stratigraphic column of Shanxi formation in Sangshuping No.2 well

2 方案設計

2.1 施工參數設計

通過在3號煤層頂板堅硬巖層中順層施工定向長鉆孔并向下開分支，進行煤層頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂施工。設計鉆孔主孔長580 m，主孔施工層位距3號煤層0～5.0 m，巖性主要為砂質泥巖、細粒砂巖，在主孔水平段每隔60 m開分支，共施工分支孔8個，單分支孔長50 m。鉆孔開孔點位于煤層，開孔傾角7°，方位角0°，在孔深約80 m附近開始順層施工。鉆孔采用二級孔身結構，一開孔深60 m，孔徑193 mm，下入Φ146 mm無縫鋼套管60 m，水泥砂漿帶壓封孔，二開定向鉆進。為保證水力壓裂施工效果，采用分段水力壓裂技術工藝，水力壓裂液選擇為清水。水力壓裂封隔器設計座封位置如圖2所示。

圖2 鉆孔剖面及水力壓裂分段設計圖Fig.2 Borehole profile and hydraulic fracturing segmentation design

2.2 施工機具

項目鉆探施工設備主要包括動力設備、配套鉆具及測量系統等部分。鉆探設備選用中煤科工集團西安研究院有限公司研制生產的ZDY6000LD(B)履帶式全液壓坑道鉆機、3NB-320/8-30型往復式泥漿泵、YHD2-1000T(A)型隨鉆測量系統，目前該型號定向鉆探設備廣泛應用于地質構造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等煤礦安全領域。設備以及配套鉆具見表2。

表2 鉆探設備型號及作用Table 2 Types and functions of construction equipment

本次水力壓裂施工選用BYW65/400型煤礦井下壓裂泵，采用YB2-400M-4隔爆型電動機為動力，配有BY610Z液力變速器，經球籠式同步萬向聯軸器，通過泵側掛齒輪箱減速驅動泵運轉。該套壓裂泵組最大泵注壓力65 MPa，最大排量87.5 m3/h。

3 施工工藝及現場施工

3.1 施工工藝

本項目采用螺桿馬達定向鉆進結合回轉鉆進兩種工藝方法，清水排渣鉆進工藝成孔。螺桿馬達進行定向孔鉆進時，整個鉆具不回轉，只有螺桿鉆具轉子帶動鉆頭回轉破碎煤(巖)鉆進，實時調整螺桿鉆具工具面向角，實現鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進時，每3.0 m對鉆孔進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的現場實際地質情況，調整鉆進方向，力求鉆孔按照設計軌跡和要求鉆進。本次施工采用前進式分支孔工藝(圖3)，也稱從外向內開分支孔，即在主孔鉆孔的同時進行分支孔施工。

圖3 前進式分支孔施工工藝流程Fig.3 Progressive branching hole construction process

3.2 工程施工

鉆孔一開采用回轉保直鉆進工藝，鉆進至60 m后擴孔下套管，封孔侯凝72 h，打壓合格后二開定向鉆進，鉆遇煤層后換為回轉鉆進，保證鉆具安全。鉆探施工鉆具組合見表3。 鉆孔鉆探施工共用時37 d，施工主孔長度588 m，8個分支孔，累計進尺1 188 m，其中，煤層段進尺227 m，巖層段進尺961 m，平均日進尺約32 m。鉆孔主孔距煤層頂板距離總體上為2.0 m左右，最大達3.28 m。鉆孔左右覆蓋范圍約12.5 m。主孔所在層位巖性主要為砂巖，局部為泥巖，巖性穩定，未出現縮徑等現象。

表3 鉆進參數設計表Table 3 Drilling parameter design table

圖4 壓裂鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量曲線圖Fig.4 Curve diagram of gas drainage concentration and purity in fracturing borehole

共分4段進行水力壓裂施工，累計注水2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa，累計注水時長約78 h。水力壓裂施工結束后鉆孔內壓力高，直接排水孔內壓力可能會出現瞬間下降，誘發塌孔，堵孔等現象，影響瓦斯抽采效果。同時也可能帶出瓦斯，造成巷道瓦斯超限事故。因此，壓裂結束后采取保壓措施，關閉孔口閥門，使鉆孔內壓力自然降低。 本次水力壓裂施工累計保壓98小時45分，孔口壓力由6.9 MPa降至2.5 MPa。壓力降至2.6 MPa之后下降十分緩慢，考慮到鉆孔長時間浸泡可能存在的塌孔、縮頸等風險，在保壓至84 h時人工干預緩慢卸壓，卸壓過程中排水速度約0.027 m3/min，累計排水22.5 m3，到98小時45分保壓結束，排水過程中無煤粉排出。

4 效果分析

4.1 瓦斯抽采數據分析

壓裂結束后由于初期鉆孔出水量較大，鉆孔抽采數據波動幅度較大，后安裝特制放水器，并安排專人放水后抽采數據趨于穩定，鉆孔累計抽采93 d的抽采濃度和抽采流量如圖4所示。由圖4可知，抽采前期由于鉆孔內出水量較大，瓦斯抽采流量和濃度均較小，抽采43 d時鉆孔瓦斯抽采純量0.33～1.02 m3/min，平均0.60 m3/min，抽采濃度19.6%～54%，平均31.73%。由于鉆孔出水量逐漸減少，瓦斯流量和濃度均有所增長，抽采73 d后鉆孔瓦斯抽采純量0.84～1.93 m3/min，平均1.41 m3/min，抽采濃度31%～56%，平均47.73%。 抽采93 d后，抽采情況趨于穩定，抽采純量0.80～1.60 m3/min，平均1.18 m3/min，抽采濃度40%～52%，平均43.54%。抽采93 d內日均抽采瓦斯純量約1 500 m3。

4.2 不同工藝技術抽采效果對比

為了方便對比分析，將不同工藝鉆孔抽采純量換算為百米鉆孔瓦斯抽采純量，根據壓裂鉆孔施工情況和抽采93 d的數據可知，壓裂鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量0.096 m3/min·hm。同時收集整理了鄰近試驗區域3307工作面二號回風順槽本煤層鉆孔瓦斯抽采數據，計算的百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.024 m3/min·hm。此外，桑樹坪二號井在北軌道大巷3306工作面進行了超高壓水力割縫試驗，水力割縫鉆孔抽采濃度17.9%～40.9%，平均25.88%，抽采純量264.04～698.52 m3/d，計算的百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.08 m3/min·hm。可見水力壓裂鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的1.2倍，是常規鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的4.0倍(表4)。

表4 不同工藝技術抽采效果對比表Table 4 Comparisons of extraction effects of different technologies

5 結 論

1) 通過在煤層頂板中實施梳狀長鉆孔并進行水力壓裂，能夠增加煤層與鉆孔的連通通道，增大煤層暴露面積，縮短瓦斯向鉆孔運移的距離，提高抽采效率。

2) 相較于常規本煤層鉆孔瓦斯抽采，頂板梳狀長鉆孔水力壓裂瓦斯抽采具有鉆探工程量小，施工速度快，成孔效率高，抽采時間長，鉆孔覆蓋范圍廣等優勢。

3) 頂板梳狀長鉆孔水力壓裂百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的1.2倍，是常規鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量的4.0倍。