定向長鉆孔分段水力壓裂超前弱化技術

劉英明

（國家能源集團神東煤炭集團，陜西 神木719300）

煤炭是我國的主要能源之一，在漫長的地質歷史成煤時期，由于地層的復合疊加及各種構造運動，形成多煤層賦存的現象[1-2]。為提高開采效率，目前常用下行式開采方法開采煤層群，即先開采上層煤后開采下層煤，下行式開采方法可較好的保證煤層的完整性，有利于巷道的維護和通風系統的密閉性[3]。然而上層煤開采后遺留下的煤柱可在下層煤中形成應力增高區，給下層煤開采時頂板管理帶來一定的困難，可造成圍巖剝落、支架壓死和頂板離層量過大等現象，當煤層距離較近時，這種危害更加明顯[4-5]。

對于受上覆煤柱影響的工作面強礦壓的控制問題，國內外學者均進行了相關的研究。目前其治理方法主要分為3 類：一是在下層工作面合理留設煤柱，降低應力的集中范圍；二是加強工作面的支護強度，從而減小圍巖變形；三是采取爆破、水力壓裂等措施來對工作面頂板卸壓弱化[6-7]。然而前2 種方法存在資源浪費過大、對礦壓的控制不佳等問題，因此工程師和研究人員們開始青睞第3 種方法，即卸壓弱化措施。在卸壓弱化措施中爆破法卸壓雖可使頂板破斷垮落，消除應力集中，釋放頂板聚積的彈性能，避免堅硬頂板大面積懸空的危害，但其工程量大、成本高、火藥用量大，危險系數高、爆破產生CO 等有毒氣體污染井下環境，對于高瓦斯礦井安全隱患問題更加突出[8]。而水力壓力卸壓弱化法近年來在國內外得到了廣泛應用，可從根本上解決上覆煤柱應力集中的問題。傳統短鉆孔水力壓裂技術有效壓裂長度短，裸眼封孔效果較差難以有效解決工作面來壓問題，尤其是200 m 以上的工作面的中部頂板，問題更為突出，嚴重影響礦井安全高效生產[9-12]。

基于以上問題，引進的新技術，將壓裂設備小型化，并進行井下施工條件下適應性改造，提出了適合煤層堅硬頂板和上覆遺留煤柱強礦壓治理的定向長鉆孔分段水力壓裂超前弱化治理技術，以期能夠有效緩解或消除上覆煤柱造成的強礦壓問題，為礦區安全高效生產提供技術支撐。

1 工程概況

神東煤炭集團榆家梁煤礦位于陜西省榆林市神木縣東北部，距神木縣城25 km。井田共含42#、43#、44#和52#可采煤層，其中42#、43#、44#煤層為局部可采，52#煤層為全井田可采。目前43#和52#煤層同時開采。42#煤層平均厚度3.68 m，43#煤層平均厚度1.78 m，兩煤層距14～22 m，屬典型的淺埋近距離煤層群開采。目前，43202 和43203 工作面上覆42#煤層已回采完成，設計開采43#煤層，42#煤層在跳采及房式開采中存在遺留煤柱，在43#煤層回采過程中，出現支架壓死、大規模片幫、底鼓等強礦壓顯現問題。為解決以上問題，在43202 和43203 工作面開展定向長鉆孔分段水力壓裂卸壓弱化技術，以期能夠有效緩解或消除上覆煤柱造成的強礦壓問題。43#煤層頂板巖性見表1。

表1 43#煤層頂板巖性Table 1 Roof lithology of 43# coal seam

2 定向長鉆孔分段水力壓裂方案設計

2.1 基本原理

采用雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓工藝，進行定向長鉆孔分段水力壓裂施工。雙封單卡多點拖動式頂板分段水力壓裂技術工作原理為：當完成定向鉆孔施工和壓裂工具串送入指定位置后，通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段，利用在封隔器中設計平衡泄壓通道，實現高壓管柱壓裂液與封隔器壓力平衡傳遞，保證“即壓即封、卸壓解封”的目標。

多點拖動分段壓裂施工原理圖如圖1，當高壓壓裂液達到3 MPa 后封隔器實現完全坐封，繼續增壓到5 MPa 后，限流器打開，實現壓裂段的壓裂施工；壓裂施工過程中，高壓壓裂液不斷注入頂板巖層中，促使作用于巖層的水壓力逐漸升高，當壓力大于巖層破裂壓力后，巖層的彈性余能以動能形式釋放，表現為巖體壓縮破裂、引起振動等動力現象，促使巖層產生新的裂縫，破壞巖層完整性，降低其強度；當完成第1 段壓裂施工后，關閉設備，排水卸壓，將封隔器拖動至設計位置，進行第2 段壓裂施工，依次完成設計施工段的壓裂施工，相鄰壓裂段形成三維立體連續性巖層裂縫，實現煤層堅硬頂板的有效弱化。

圖1 多點拖動分段壓裂施工原理圖Fig.1 Schematic diagram of multi-point drag fracturing operation

2.2 壓裂施工鉆孔布置

2.2.1 布置原則

為保證達到預期的壓裂效果，壓裂鉆孔布置應符合以下基本原則。

1）鉆孔布置的合理性。結合壓裂施工點地質剖面，確定壓裂關鍵層位，嚴格控制鉆探施工軌跡，保證壓裂施工改造層位的準確性，且鉆孔水平位置盡量控制在上覆集中煤柱正下方。

2）鉆孔質量控制。鉆孔軌跡的平滑性，鉆孔分段壓裂設備，尤其是封孔器需在光滑、平整的鉆孔段進行封孔坐封，方能滿足高壓注水壓裂需求。

3）鉆孔軌跡控制。壓裂鉆孔軌跡應規避斷層等地質構造影響，壓裂段位于地質構造影響范圍內，易造成漏失嚴重，降低壓裂有效應力，影響壓裂效果，降低頂板巖層弱化效果。

4）考慮分段壓裂施工難度鉆孔設計不易過長，一般不超過600 m。

5）考慮壓裂設備能力，地層漏失水量，壓裂點不易過長4～10 m。

6）壓裂間距20～40 m，考慮工具使用壽命，單孔壓裂次數6～12 段。

2.2.2 壓裂層位優選

煤礦開采過程中工作面底板巖層應力發生重分布，造成底板巖層內裂隙發育，采掘過程底板采掘擾動有效應示意圖如圖2。若壓裂鉆孔布置位于底板擾動裂隙帶或接近該裂隙帶，易引起壓裂過程中，增大注水的濾失性，乃至造成高壓水通過裂隙涌向上覆的42#煤采空區，無法起壓壓裂，影響巖層弱化效果。為此開展了采空區底板破壞深度理論分析，以優選定向長鉆孔布置層位，保證巖層超前弱化效果。

圖2 底板采掘擾動有效應示意圖Fig.2 Schematic diagram of the effect of floor mining disturbance

為確定上覆42#煤層回采后，底板擾動破壞帶發育范圍，結合42#煤層遺留煤柱寬度及聯巷規格等，通過經驗公式進行了驗算，底板破壞嘗試計算結果見表2[13-15]。

表2 底板破壞深度計算結果Table 2 Calculation results of floor failure depth

經驗算后42#煤底板擾動破壞帶平均深度為6.56 m，為簡化起見，在工程中取6 m，根據42#、43#煤層平均間距16.6 m，優先4-3 煤層頂板向上6 m處的基本頂為壓裂鉆孔布置層位，以保證壓裂裂縫規模，提高巖層弱化效果。

2.2.3 壓裂鉆孔布置方案

根據鉆孔基本布置原則和實際工程條件，43202工作面和43203 工作面共布置4 個鉆場，11 個鉆孔，其中43202 工作面布置1 個鉆場，4 個鉆孔，43203 工作面布置3 個鉆場，7 個鉆孔。鉆孔單孔長度270～360 m，累計長度3 365 m，鉆孔設計孔徑96 mm，孔口一開96 mm 鉆進至直接頂，二開擴孔153 mm，下127 mm 套管跨過巖層10 m，之后按照設計軌跡一開96 mm 鉆進至終孔，鉆孔壓裂目標層位為4-3 煤層基本頂細粒砂巖。工作面壓裂鉆孔設計平面圖如圖3，工作面壓裂鉆孔設計剖面圖如圖4。

圖3 工作面壓裂鉆孔設計平面圖Fig.3 Design plan of fracturing drilling on working face

1#鉆場位于43202 主回撤通道，共布置4 個鉆孔，分別為T1、T2、T3、T4，相鄰鉆孔平均間距32 m，其中T1與T2間距35 m，T2與T3間距37.5 m，T3與T4間距24.6 m；2#鉆場位于43203 主運巷30 聯巷，共布置2 個鉆孔，分別為T5、T6，相鄰鉆孔間距20 m；3#鉆場位于43203 主運巷29 聯巷，共布置3 個鉆孔，分別為T7、T8、T9，T7與T8鉆孔間距22 m，T8與T9鉆孔間距33 m；4#鉆場位于43203 主運巷6 聯巷鉆場，共布置2 個鉆孔，分別為T10、T11，相鄰鉆孔間距37 m。依據神東布爾臺42107 和42202 工作面壓裂效果考察結果，初步設計壓裂段間距為20～30 m，壓裂段長度為4.5～6.5 m，單孔壓裂6～12 段，累計壓裂82 段，鉆孔施工參數見表3。

圖4 工作面壓裂鉆孔設計剖面圖Fig.4 Design profile of fracturing drilling on working face

表3 鉆孔施工參數表Table 3 Drilling construction parameters

2.3 壓裂參數

1）壓裂液。壓裂液選擇清水。

2）裂縫形態。43202 及43203 工作面埋深60～150 m，根據壓裂經驗應為水平裂縫為主。

3）單孔壓裂段。壓裂段間距選擇20～40 m 為宜，單孔壓裂6～12 段。

4）注水量。43203 工作面基本頂細砂巖吸水率為3.96%，按壓裂半徑15 m 估算吸水量為20 m3，因此，單段注水量25～40 m3，單孔注水量150～480 m3。

2.4 分段水力壓裂施工工藝

定向長鉆孔分段水力壓裂施工主要包括壓裂準備階段、封孔試壓階段、高壓注水分段壓裂階段和停泵回收工具階段。準備階段主要包括鉆場布置、水電雙通、設備進場、設備安裝等工序；封孔試壓階段主要包括輸送工具串、注水坐封、注水試壓等；高壓注水分段壓裂階段主要包括注水壓裂施工、循環拖動完成多段壓裂、壓裂參數監測、甲烷及巷道壁監測等操作；完成拖動壓裂施工后停泵，進行鉆孔排水，鉆機拖動，回收壓裂工具。井下分段水力壓裂施工如圖5。

圖5 井下分段水力壓裂施工Fig.5 Subdivision hydraulic fracturing operation downhole

3 壓裂效果考察

3.1 鉆孔壓裂曲線圖

在定向長鉆孔分段水力壓裂施工中，水力壓力與流量是2 個重要參數，為考察壓裂施工的實際效果將水力壓力、流量與壓裂時間之間的關系用曲線表示，需要說明的是，由于本次施工壓裂鉆孔數和壓裂段數均較多，為簡化起見，每個鉆場選1 個鉆孔，分別為T2、T6、T8、T11，每個鉆孔選取中間壓裂段，即第4 壓裂段進行數據分析，鉆孔壓裂曲線圖如圖6。

從圖6 中可以看出，T2鉆孔第4 壓裂段壓裂長度為4.23 m（210.45～214.68 m），總壓裂時間43 min，最大注水流量58 m3/h，最大壓力19.21 MPa，最大壓降4.28 MPa，共出現明顯壓裂點4 處；T6鉆孔第4 壓裂段壓裂長度為5.23 m（117.85～123.08 m），總壓裂時間47 min，最大注水流量56 m3/h，最大壓力16.36 MPa，最大壓降3.18 MPa，共出現明顯壓裂點2 處；T8鉆孔第4 壓裂段壓裂長度為5.23 m（141.60～146.83 m），總壓裂時間57 min，最大注水流量56 m3/h，最大壓力16.41 MPa，最大壓降3.36 MPa，共出現明顯壓裂點2 處；T11鉆孔第4 壓裂段壓裂長度為5.23 m（147.50～152.73 m），總壓裂時間67 min，最大注水流量50 m3/h，最大壓力18.38 MPa，最大壓降3.90 MPa，共出現明顯壓裂點2 處。由以上分析可見T2、T6、T8、T11鉆孔的壓裂破裂點主要在2～4處范圍內，最大壓裂壓力分布在16.36～19.21 MPa之間，總體來說達到了應有的壓裂效果。

圖6 鉆孔壓裂曲線圖Fig.6 Fracture curves of borehole

3.2 工作面礦壓觀測

3.2.1 43202 工作面礦壓觀測

43202 工作面壓裂結束后第1 周礦壓分布情況如圖7。

圖7 43202 工作面壓裂結束后第1 周礦壓分布Fig. 7 Mine pressure distribution of 43202 working face in the first week after fracturing

由圖7 可知，43202 工作面壓裂后第1 周共推進72.8 m（1 185.9～1 258.7 m），壓力最大為45 MPa。工作面零星來壓，整體來壓不強烈，從111 架到150架來壓較有規律，來壓步距為6～8 m。支架前30 架和后20 架來壓不明顯。來壓期間支架無明顯下沉。

3.2.2 43203 工作面礦壓觀測

43203 工作面壓裂結束后第1 周礦壓分布如圖8。

圖8 43203 工作面壓裂結束后第1 周礦壓分布Fig. 8 Mine pressure distribution of 43203 working face in the first week after fracturing

由圖8 可知，43203 工作面壓裂結束后第1 周共推進距離為64.5 m（368～432.5 m），來壓步距為7.2～10.4 m，工作面來來壓時最大壓力為42.7 MPa，來壓時立柱下沉不明顯，零星來壓較多但壓力不大，整體來說來壓較規律。

4 結 論

1）針對榆家梁煤礦43202、43203 工作面開采過程中受上覆煤柱影響，出現應力升高區，工作面來壓劇烈等現象，提出采用定向長鉆孔分段水力壓裂超前弱化技術對煤層頂板進行卸壓弱化，優選了壓裂層位并對壓裂鉆孔、壓裂參數等進行了設計，共布置4 個壓裂鉆場，11 個壓裂鉆孔。

2）結合壓裂曲線圖及壓裂完成后工作面推進過程中的礦壓分布圖對壓裂效果進行了考察，所選取鉆孔的壓裂破裂點為2～4 處，最大壓裂壓力分布在16.36～19.21 MPa 之間，工作面來壓步距較小，來壓較為規律，總體來說達到了應有的壓裂效果。