層狀構(gòu)造煤層定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)

何明川

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

伴隨煤炭開(kāi)采過(guò)程涌出的瓦斯對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井必須努力實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采達(dá)標(biāo)[1-2]。采掘前利用定向長(zhǎng)鉆孔遠(yuǎn)距離、大區(qū)域、精準(zhǔn)化預(yù)抽煤層瓦斯已成為我國(guó)目前瓦斯防治的一項(xiàng)重要又有效的手段，同時(shí)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[2]也首次將定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯作為2 個(gè)“四位一體”中的區(qū)域防突措施之一。近年來(lái)，針對(duì)不同的煤層地質(zhì)條件及其頂?shù)装鍘r性組合特征，已形成了較為成熟的硬煤順層定向鉆孔預(yù)抽技術(shù)、軟煤頂（底）板梳狀定向鉆孔預(yù)抽技術(shù)[3]，針對(duì)透氣性差的煤層，可進(jìn)一步通過(guò)定向鉆孔實(shí)施水力壓裂，提高煤層瓦斯抽采效率[4-6]。但是，目前所有的定向壓裂鉆孔在沿煤層厚度方向設(shè)計(jì)鉆孔層位時(shí)一般只考慮壓裂半徑、抽采半徑，并沒(méi)有考慮煤層構(gòu)造問(wèn)題。對(duì)于厚煤層及以下煤層只需沿厚度方向布置1 排鉆孔時(shí)，一般都是將鉆孔布置于煤層厚度1/2 處；對(duì)于巨厚煤層需要沿厚度方向分排布置鉆孔時(shí)，只是基于煤層厚度、壓裂半徑和抽采有效半徑考慮布孔層位，這種布孔方式對(duì)于塊狀構(gòu)造煤層而言，并不會(huì)對(duì)煤層瓦斯抽采效果產(chǎn)生很大的影響，但是對(duì)于層狀構(gòu)造煤層而言，勢(shì)必會(huì)對(duì)煤層瓦斯抽采效果產(chǎn)生很大的影響，這主要是因?yàn)閴K狀構(gòu)造煤層在垂直煤層層面方向上不存在不同煤巖類型的空間組合，煤層表現(xiàn)為明顯的均一性，不見(jiàn)層理，成煤物質(zhì)相對(duì)均勻，成煤條件相對(duì)穩(wěn)定，而層狀構(gòu)造煤層在垂直煤層層面方向上存在不同煤巖類型的空間組合，煤層表現(xiàn)為明顯的不均一性，可見(jiàn)明顯的層理，成煤物質(zhì)和成煤條件存在明顯變化[7]。由于不同煤巖類型所含鏡煤、亮煤、暗煤等煤巖組分比例不一樣，而各煤巖組分在裂隙、脆性、硬度、韌性等方面存在明顯差異，導(dǎo)致不同煤巖類型在滲透特性及力學(xué)特性等方面也存在明顯差異[8-9]，因此在特定煤巖類型空間組合特征下，壓裂鉆孔布孔層位的不同會(huì)直接影響煤層整體的壓裂效果及抽采效果。所以對(duì)于層狀構(gòu)造煤層而言，在設(shè)計(jì)瓦斯抽采定向壓裂鉆孔層位時(shí)，有必要考慮到層狀構(gòu)造煤層不同煤巖類型分層的滲透特性、厚度特性、煤巖力學(xué)特性，進(jìn)而選取優(yōu)勢(shì)鉆孔層位。因此，基于榆樹(shù)田煤礦層狀構(gòu)造煤層開(kāi)展了定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)試驗(yàn)，以期為層狀構(gòu)造煤層瓦斯高效抽采提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 礦井概況

榆樹(shù)田煤礦隸屬新疆庫(kù)拜煤田阿艾礦區(qū)。構(gòu)造位置位于夏闊坦向斜中段，橫跨向斜兩翼，向斜軸東西展布且向西傾伏，傾伏角約11°，北翼地層傾角10°～14°，南翼地層傾角40°～60°，阿艾礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖及礦井分布圖如圖1[10]。井田內(nèi)出露地層有下侏羅統(tǒng)塔里奇克組、阿合組，中侏羅統(tǒng)克孜努爾組，第四系全新統(tǒng)。煤層主要賦存于下侏羅統(tǒng)塔里奇克組，含煤14 層，煤層總厚19.89～37.02 m，平均27.66 m，含煤系數(shù)10.78%，煤層可采平均總厚26.21 m，可采系數(shù)為94.72%，其中可采及局部可采煤層9層，主要可采煤層為下5、下10 煤層。

圖1 阿艾礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及礦井分布圖[10]Fig.1 Geological structure and mine distribution map of A’ai Mining Area

此次層狀構(gòu)造煤層定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)試驗(yàn)地點(diǎn)選在榆樹(shù)田煤礦下5 煤層110503工作面運(yùn)輸巷第2 循環(huán)（600～1 200 m），下5 煤層厚度為8.43～11.37 m，平均厚為9.90 m，煤厚全區(qū)穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定特厚煤層，煤層平均堅(jiān)固性系數(shù)為0.8，煤質(zhì)主要以氣煤為主，最大鏡質(zhì)體反射率為0.36%，去礦物基鏡質(zhì)組含量為49.06%，去礦物基惰質(zhì)組含量為50.43%，去礦物基殼質(zhì)組含量為0.56%，宏觀煤巖組分主要為亮煤、暗煤以及鏡煤條帶，宏觀煤巖類型整體表現(xiàn)為半亮-半暗型煤，110503 運(yùn)輸巷迎頭處下5 煤層剖面示意圖如圖2。

圖2 110503 運(yùn)輸巷迎頭處下5 煤層剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of cross section of the lower 5#coal seam at the head of 110503 transportation lane

煤層為原生結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，其中半亮型煤分層光澤較明亮，條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，內(nèi)生裂隙發(fā)育，具棱角狀、階梯狀斷口，性較脆，比較易碎；半暗型煤分層光澤較暗淡，相對(duì)密度、硬度和韌性都較大，條帶結(jié)構(gòu)不明顯，內(nèi)生裂隙不發(fā)育，多見(jiàn)粒狀斷口。

2 鉆孔設(shè)計(jì)施工

2.1 鉆孔層位選擇

下5 煤層110503 運(yùn)輸巷煤層剖面半暗型煤分層厚度為2 m 左右，且半暗型煤分層具有致密塊狀、堅(jiān)硬、韌性大、密度大、不易破碎、無(wú)內(nèi)生裂隙的特征，因此相對(duì)于整個(gè)煤層瓦斯垂向運(yùn)移和煤層垂向卸壓變形而言，半暗型煤分層的存在無(wú)疑相當(dāng)于瓦斯垂向運(yùn)移隔離帶和關(guān)鍵層，因此為了有效溝通整個(gè)煤層瓦斯垂向運(yùn)移和加強(qiáng)煤層垂向卸壓變形，有必要改變半暗型煤分層巖石力學(xué)及滲流特性，進(jìn)而削弱半暗型煤分層對(duì)瓦斯垂向運(yùn)移的阻隔作用及煤層垂向卸壓變形的阻礙作用。綜上分析，擬將第2循環(huán)定向壓裂鉆孔布孔于半暗型煤分層中，以使半暗型煤分層在定向鉆孔施工擾動(dòng)損傷、礦山壓力及水力壓裂作用下充分產(chǎn)生裂縫和弱化，提高其滲流特性，降低其彈性模量等力學(xué)特性，進(jìn)而有效溝通半暗型煤分層以外煤層瓦斯的垂向運(yùn)移通道，同時(shí)實(shí)現(xiàn)半暗型煤分層以外煤層瓦斯的高效卸壓解吸，最終實(shí)現(xiàn)巷道條帶煤層瓦斯均勻高效抽采。

2.2 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

為了保證鉆孔孔口質(zhì)量及鉆孔瓦斯接抽效果，此次順層定向鉆孔采用2 級(jí)孔身結(jié)構(gòu)，第1 級(jí)孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為30 m，首先采用孔徑98 mm 鉆頭開(kāi)孔至設(shè)計(jì)深度，接著依次采用孔徑133 mm 和153 mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)深度后下入20 根孔徑143 mm護(hù)孔套管進(jìn)行護(hù)孔，并在鉆孔與護(hù)孔套管之間的環(huán)形空間內(nèi)高壓注入早強(qiáng)微膨脹型水泥砂漿進(jìn)行封孔，確保鉆孔封孔嚴(yán)密不漏氣；第2 級(jí)孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為裸眼鉆孔結(jié)構(gòu)，鉆孔孔徑設(shè)計(jì)為133 mm，采用“?98 mm 鉆頭+?133 mm 擴(kuò)孔鉆頭”2 次成孔。第1級(jí)孔身采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工，第2 級(jí)孔身造斜段采用定向鉆進(jìn)施工，穩(wěn)斜段采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工。

2.3 鉆孔施工及軌跡控制

鉆孔施工采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的ZYWL-6000D 型定向鉆機(jī)及附屬定向鉆具，第1 級(jí)孔身施工采用“?98 mm+?133 mm+?153 mm”鉆頭組合旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆具組合采用“?73 mm 定向水辮+?73 mm 凹槽通纜鉆桿+鉆頭”，下入護(hù)孔套管時(shí)，套管之間采用螺紋鋼套筒連接，并借助鉆機(jī)推力下至設(shè)計(jì)深度30 m 處，封孔采用“兩堵一注”封孔工藝，注漿壓力不小于2 MPa；第2 級(jí)孔身施工采用“定向鉆進(jìn)+旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”組合鉆進(jìn)工藝，定向鉆進(jìn)鉆具組合采用“?73 mm 定向水辮+?73 mm 凹槽通纜鉆桿+?73 mm 上無(wú)磁接頭+?73 mm 測(cè)斜探管+?73 mm 下無(wú)磁接頭+?73 mm 孔底馬達(dá)+鉆頭”。定向鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)軌跡參數(shù)對(duì)工具面向角做出準(zhǔn)確調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的精準(zhǔn)控制，確保定向鉆孔在半暗型煤分層中鉆進(jìn)。

此次試驗(yàn)在榆樹(shù)田煤礦下5 煤層110503 工作面運(yùn)輸巷第2 循環(huán)施工順層瓦斯抽采定向壓裂鉆孔5 個(gè)，鉆孔傾向間距為9 m，傾向控制范圍為巷道輪廓線外上下幫各15 m，走向控制范圍為600 m，累計(jì)鉆孔長(zhǎng)度約3 000 m。定向鉆孔平面軌跡如圖3。

圖3 定向鉆孔平面軌跡圖Fig.3 Plane trajectory diagram of directional drilling

3 鉆孔壓裂

3.1 壓裂裂縫擴(kuò)展特征

諸多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、煤巖塊體壓裂實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)踐監(jiān)測(cè)研究表明，水力壓裂過(guò)程中，壓裂裂隙的延伸擴(kuò)展方向與三大主應(yīng)力的分布特征密切相關(guān)[11-15]，當(dāng)破裂以拉張破裂為主時(shí)，裂隙延伸擴(kuò)展方向平行于最大主應(yīng)力方向，垂直于最小主應(yīng)力方向；當(dāng)破裂以共軛剪切破裂為主時(shí)，裂隙延伸擴(kuò)展方向與最大主應(yīng)力方向夾角為45°-θ/2（θ 為內(nèi)摩擦角）。利用RFPA2D-FIOW 數(shù)值模擬軟件，模擬分析壓裂裂縫擴(kuò)展特征，其中110503 運(yùn)輸巷水平垂直主應(yīng)力為6.5 MPa，水平最大主應(yīng)力為5.8 MPa，方向與煤層走向一致，水平最小主應(yīng)力為4.5 MPa。

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，隨著鉆孔初始流體壓力的增加，煤層首先以發(fā)生彈塑性形變?yōu)橹鳎S著鉆孔流體壓力的進(jìn)一步增加，煤層達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限而發(fā)生拉張破裂，破裂壓力為7.5 MPa，且破裂強(qiáng)度隨著鉆孔流體壓力的增加而逐漸加強(qiáng)。主裂隙主要沿著平行最大主應(yīng)力方向（垂直主應(yīng)力方向）、垂直水平最小主應(yīng)力方向延伸擴(kuò)展為主，壓裂裂隙延伸擴(kuò)展特征如圖4。模擬表明：第2 循環(huán)壓裂裂隙能夠上下垂向穿透半暗型煤分層，有效溝通半暗型煤分層上下煤層瓦斯運(yùn)移通道。

圖4 壓裂裂隙延伸擴(kuò)展特征Fig.4 Expansion characteristics of fracturing fractures

3.2 壓裂施工

為避免各個(gè)鉆孔間壓裂作業(yè)與保壓作業(yè)相互影響，鉆孔壓裂順序采用由邊到中的順序，即1 號(hào)孔-5 號(hào)孔-2 號(hào)孔-4 號(hào)孔-3 號(hào)孔。為了確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，壓裂作業(yè)地點(diǎn)所有輸水高壓膠管都用高強(qiáng)度鐵絲沿膠管敷設(shè)線路固定于煤幫支護(hù)鋼格柵上，所有輸水高壓膠管之間的連接及與截止球閥、設(shè)備的連接均采用“U”型卡過(guò)渡接頭連接并用高強(qiáng)度鐵絲實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，孔口輸水壓裂鋼管用高強(qiáng)度大直徑鐵鏈配合高強(qiáng)度螺栓、馬蹄鐵左右固定于孔口附近工作面巖壁錨桿上。同時(shí)，為避免后續(xù)鉆孔壓裂保壓過(guò)程中因前期鉆孔壓裂而導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯涌出量增大，進(jìn)而導(dǎo)致作業(yè)地點(diǎn)瓦斯超限，鉆孔孔口安裝四通及防噴裝置，其中四通上、下接口均接入氣水分離裝置，氣水分離裝置上口與瓦斯抽采負(fù)壓管路相連，并確保瓦斯抽采管路負(fù)壓正常開(kāi)啟。

考慮到煤層須不受壓裂液污染，此次順層定向鉆孔壓裂采用清水作為壓裂介質(zhì)，榆樹(shù)田煤礦下5 煤層110503 工作面運(yùn)輸巷第2 循環(huán)順層瓦斯抽采定向鉆孔單孔封孔長(zhǎng)度100 m，累計(jì)壓裂長(zhǎng)度約2 500 m，累計(jì)注液量570 m3，單孔累計(jì)壓裂時(shí)間12 h，各孔段起裂壓力介于7.6～8.8 MPa，最大泵注壓力介于11.9～13.8 MPa。

3.3 鉆孔保壓

鉆孔水力壓裂完成后，孔內(nèi)高壓水體的快速卸壓排出，容易導(dǎo)致彈性區(qū)煤層彈性能的快速釋放及煤層應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力快速釋放，進(jìn)而引起鉆孔垮塌，堵塞瓦斯?jié)B流通道，甚至誘發(fā)沖擊地壓與煤與瓦斯突出。除此，壓裂已形成的新裂縫及得到擴(kuò)展的原有裂隙快速閉合，一定程度上削弱了壓裂的實(shí)際效果。鑒于此，壓裂結(jié)束后，關(guān)閉孔口截止閥對(duì)壓裂鉆孔開(kāi)展保壓作業(yè)，單孔保壓時(shí)間為8 h，確保壓裂形成的以及原有的裂隙得到充分的擴(kuò)展延伸，鞏固壓裂增透效果，同時(shí)確保孔內(nèi)高壓水體通過(guò)壓裂形成的及原有的裂隙、孔隙網(wǎng)絡(luò)向煤層深處充分?jǐn)U散滲透，水體的充分濕潤(rùn)作用有助于增加煤層的塑性特性，利于降低已有裂隙的閉合程度。

保壓期間利用孔口測(cè)壓裝置連續(xù)關(guān)注孔內(nèi)水體壓力狀態(tài)，結(jié)果表明保壓期間孔內(nèi)水體壓力呈現(xiàn)出逐漸降低的狀態(tài)，同時(shí)壓力降梯度也呈現(xiàn)出逐漸降低的狀態(tài)，究其原因主要是因?yàn)楸撼跏茧A段，孔內(nèi)水體還處于較高的壓力狀態(tài)，擁有較大的能量，一方面在已有裂隙擴(kuò)展端連續(xù)濕潤(rùn)及損傷的情況下，裂隙會(huì)產(chǎn)生一定程度的擴(kuò)展延伸進(jìn)而增加了裂隙空間造成壓力降低、能量損失；另一方面，裂隙之間及附近的煤體在連續(xù)的濕潤(rùn)及較高的壓力作用下，煤體產(chǎn)生塑性收縮變形進(jìn)而增加了裂隙空間造成壓力降低、能量損失；其次，保壓初始階段水體周圍一定范圍內(nèi)的煤層處于應(yīng)力集中分布狀態(tài)，應(yīng)力調(diào)整不到位，在煤層應(yīng)力向平衡分布狀態(tài)調(diào)整過(guò)程中，煤層勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量微破裂，進(jìn)而增加了裂隙空間造成壓力降低、能量損失。隨著保壓時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，孔內(nèi)水體能量逐漸損失、壓力逐漸降低，前文述及的保壓初始階段的3 方面作用均得到大幅度減弱，此時(shí)孔內(nèi)水體主要借助剩余壓力通過(guò)煤體裂隙及孔隙緩慢地向煤層深處滲透擴(kuò)散為主，隨著孔內(nèi)水體剩余壓力的進(jìn)一步減弱及滲透擴(kuò)散距離的進(jìn)一步增加，孔內(nèi)水體壓力損失速率逐漸變慢，并最終平衡于煤層瓦斯壓力。

4 抽采效果對(duì)比

保壓排水作業(yè)完成后，即對(duì)試驗(yàn)順層定向鉆孔進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)接抽，同時(shí)在各鉆孔抽采集束管與抽采支管之間安設(shè)中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的GD3（b）型礦用瓦斯抽放多參數(shù)傳感器，并利用KJ90X 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)、抽采流量、管道溫度等參數(shù)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)計(jì)量，為分析試驗(yàn)定向鉆孔瓦斯抽采效果提供了有力保障。試驗(yàn)順層定向鉆孔聯(lián)網(wǎng)接抽后1 個(gè)月的抽采數(shù)據(jù)及定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)如圖5，其中抽采負(fù)壓為38.21～46.80 kPa。

圖5 定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)Fig.5 Directional drilling gas drainage data

由圖5 可知，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量均表現(xiàn)出先增大、后減小至穩(wěn)定狀態(tài)的變化特征，其中月平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為27.7%，月平均抽采純流量為2.0 m3/min。而榆樹(shù)田煤礦下5 煤層110503 運(yùn)輸巷第1 循環(huán)瓦斯抽采定向壓裂鉆孔設(shè)計(jì)施工時(shí)，并未考慮煤層不同煤巖類型分層問(wèn)題，只是依據(jù)瓦斯抽采有效半徑沿煤層傾向設(shè)計(jì)施工5個(gè)順層定向鉆孔，沿傾向控制范圍為巷道輪廓線外上下幫各15 m，沿走向控制范圍為600 m，鉆孔控制層位為煤層厚度1/2 處，在后續(xù)瓦斯抽采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)抽采體積分?jǐn)?shù)及純量偏低。

對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，相比于第1 循環(huán)定向壓裂鉆孔不考慮煤層層狀構(gòu)造布孔于煤層中間處，此次第2 循環(huán)定向壓裂鉆孔布孔于半暗型煤分層中的鉆場(chǎng)月平均瓦斯抽采濃度提高了4.3 倍，月平均瓦斯抽采純量提高了3.2 倍，究其原因應(yīng)該是第1 循環(huán)水力壓裂過(guò)程中，當(dāng)壓裂裂隙延伸擴(kuò)展至半暗型煤分層時(shí)，受半暗型煤分層力學(xué)性質(zhì)所控，阻礙了壓裂裂隙向鉆孔上方進(jìn)一步延伸擴(kuò)展，而是沿著層理若面進(jìn)行擴(kuò)展，導(dǎo)致壓裂裂隙上下發(fā)育不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致煤層壓裂效果受限，同時(shí)半暗型煤分層的低滲透特性進(jìn)一步阻礙了煤層上方的瓦斯垂向滲流。由此可見(jiàn)，對(duì)于層狀構(gòu)造煤層而言，壓裂鉆孔布孔層位的不同直接影響著煤層整體壓裂效果及瓦斯抽采效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)模擬分析，壓裂裂縫為豎向裂縫，沿著垂直主應(yīng)力方向、垂直水平最小主應(yīng)力方向延伸擴(kuò)展，煤層以拉張破裂為主。

2）煤層各孔段起裂壓力介于7.6～8.8 MPa，鉆孔保壓期間孔內(nèi)水體壓力呈現(xiàn)出逐漸降低的狀態(tài)，同時(shí)壓力降梯度也呈現(xiàn)出逐漸降低的狀態(tài)。

3）相比于110503 運(yùn)輸巷第1 循環(huán)定向壓裂鉆孔沒(méi)有考慮層狀構(gòu)造布孔于煤厚1/2 處半亮型煤分層中，此次第2 循環(huán)定向壓裂鉆孔布孔于半暗型煤分層中鉆場(chǎng)月平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了4.3 倍，月平均瓦斯抽采純量提高了3.2 倍。