深部礦井定向水力壓裂高效抽采裝備及現場試驗

黃興利

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

近年來，礦井開采活動的深度不斷增加，礦井瓦斯涌出量逐年增大，致使礦井面臨極大的安全生產威脅。近年來形成卸壓增透強化瓦斯釋排采的技術理論及實踐，相同時間內可以有效釋放圍巖應力、增大增強瓦斯抽采體量[1]。水力致裂技術最早應用在石油工程領域，近十年來水力壓裂技術也多應用于礦井頂板致裂、瓦斯卸壓增透抽采[2]。其中定向水力致裂技術已成為處理硬煤硬頂、沖擊地壓防治、瓦斯高效抽采的重要手段[3-8]。實踐表明：我國高瓦斯突出礦井進行了大量水力壓裂試驗并取得了一定的效果[9-10]。水力壓裂抽采瓦斯的本質是通過高壓水注入瓦斯集中區域，擴展周圍巖體的裂隙，利用瓦斯游離特性將瓦斯排出[11-12]。

黃陵礦區為煤層瓦斯與油型氣雙重威脅的高瓦斯礦井，近年來出現了多次頂底板油型氣異常涌出現象，最大涌出量達21萬m3，涌出時間持續約1個月。這已成為影響礦井安全高效開采的頭號隱蔽致災因素，礦井瓦斯治理難度大。為此，以黃陵二號煤礦為工作背景，開展深部礦井定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術試驗，對指導安全開采至關重要。

1 工程背景

1.1 礦井賦存條件及生產概況

黃陵二號煤礦主采延安組2號煤層，平均埋深620 m，為穩定-較穩定煤層；煤層平均傾角2°，黃陵二號煤礦絕對瓦斯涌出量為67.17～87.89 m3/min，相對瓦斯涌出量為3.90～5.47 m3/t。根據《陜西省瓦斯地質分區圖》，黃陵礦區位于渭北斷隆高瓦斯帶內，屬高瓦斯區。井田內有46個鉆孔有油氣顯示，有天然氣噴出或煤成氣逸出，從瓦窯堡組、富縣組、延安組到直羅組上、下段的砂巖中均有油氣發現，屬于煤、油氣共生礦區。工作面頂底板結構及圍巖特性見表1。

表1 209工作面圍巖特性Table 1 Characteristics of surrounding rock in 209 working face

礦區范圍內連續性較好的巖儲集層共4個，分別為直羅砂巖含氣層、延安組第2段含氣層、富縣組含氣層、瓦窯堡組含氣層。4個含氣層也分別稱之為頂部、頂板、底部含氣層。目前回采209工作面，東北部、西北部為未采區，西南緊鄰207采空區，東北部緊鄰211工作面。工作面設計傾向長度約300 m，走向長度4 500 m，209工作面日推進8刀(7.2 m)，選用ZY10000-23/45D掩護式液壓支架；沿底板進行后退式走向長壁回采，老空區頂板采用全部垮落處理。

1.2 礦井抽采現狀

209工作面回采效率高、接續時間緊，導致工作面瓦斯預抽時間短、鉆孔工程量大，需要采取煤層強化抽采措施，以減少鉆孔施工量或縮短抽采時間，提高瓦斯抽采效率。然而，由于油型氣儲集層孔隙度小、滲透率低，故抽采效果不盡人意，主要存在兩方面因素。一方面抽采鉆孔油型氣衰減快，抽采幾天后，鉆孔內不再有氣體涌出，但在工作面回采期間受采動影響，鉆孔內又有大量油型氣涌出，工作面回采依然受到油型氣威脅；另一方面，密集鉆孔存在鉆孔影響范圍小、鉆孔施工工程量大、成本高、鉆孔利用率低、施工周期長等問題，增加了煤炭開采成本。

2 壓裂施工設計及設備選型

2.1 致裂方式確定

根據209工作面地質條件及生產情況，采用“煤層+底板”定向抽采技術。2號煤層鉆孔采用整體壓裂方式；考慮3號煤層與2號煤層間距較小，利用分支孔形成起裂導向，2號煤層底板鉆孔選擇梳狀長鉆孔分段水力壓裂方式進行。同時考慮到工作面回采期間安全問題，煤層壓裂鉆孔采用封隔器裸眼快速封孔工藝，封孔深度80 m；底板壓裂封孔方式采用“套管+封隔器”封孔方式，套管深度60 m。為避免壓裂液污染煤層，選擇清水作為水力壓裂液。

2.2 煤層破裂壓力及壓裂液用量確定

煤層破裂壓力通常采用地面鉆孔注入/壓降試井測試方法進行直接測定。試驗區煤層平均破裂壓力梯度范圍1.190×10-2～3.849×10-2MPa/m，壓裂施工區2號煤層平均埋深620 m，計算得2號煤層破裂壓力7.5～24.3 MPa。依據煤層厚度、孔隙率、壓裂影響范圍等參數計算壓裂液用量，設計煤層孔壓裂液用量240 m3，底板孔壓裂液用量770 m3。

2.3 抽采設備確定

2.3.1 設備選型

選用中煤科工集團的BYW65/400型壓裂泵組，如圖1所示。水力壓裂成套設備由壓力泵、水箱、高壓管匯、遠程操作系統等組成，具有壓力高、流量穩定、可遠程操作、遠程視頻監控、設備運行穩定、運行時間長等特點，可保證施工過程中工作人員的安全。為了保證水力壓裂封孔效果，采用井下水力壓裂快速封孔裝備。該裝備能夠實現快速穩定的封孔效果，提高施工效率，并且具有壓裂后可取出重復利用等特點。

圖1 BYW65/400型壓裂泵組Fig.1 BYW65/400 fracturing pump unit

2.3.2 設備組成

包括壓裂管柱、封隔器、壓差滑套、單流閥和引鞋5個部分。

壓裂管柱：高壓管柱采用31/2加厚油管加工，外徑89 mm，內徑58 mm，單根長度3.0 m。

封隔器：根據鉆孔孔徑和壓裂工藝選擇封隔器，選其總長為1 620 mm，最大外徑為86 mm，通徑為50 mm，工作壓力達70 MPa，耐溫能達到120 ℃。

壓差滑套：壓差滑套總長為460 mm，最大外徑為96 mm，通徑為42 mm，工作壓力達70 MPa，耐溫能達到120 ℃。

單流閥：單流閥總長為269 mm，最大外徑為96 mm，通徑為35 mm。

引鞋：引鞋單件總長為179 mm，最大外徑為105 mm，工作壓力小于70 MPa。

3 水力壓裂施工方案

3.1 水力壓裂工程施工流程

水利壓裂施工包括壓裂前準備和水力壓裂施工2個過程，水力壓裂施工流程如圖2所示。壓裂前準備，包括壓裂場地布置、壓裂用電器設備配備、井下供水、供電、通風、壓裂設備進場組裝、壓裂設備試車等；編制水力壓裂安全技術措施；水力壓裂工程施工，包括送工具串(含封隔器、滑套工具)、孔口設備安裝、壓裂鉆孔封孔、壓裂設備操作流程、壓力、流量監測、巷道瓦斯濃度監測、壓裂結束判識等。

圖2 水力壓裂施工流程示意Fig.2 Construction process of hydraulic fracturing

3.2 水力壓裂位置確定

根據現場情況，水力壓裂泵組平臺位于209輔運巷5號與6號鉆場之間，后期由于209輔運巷3號煤鉆場施工，位置方位如圖3所示。2020年3月23日開始壓裂施工，2020年6月6日完成5個本煤層壓裂孔及1個底板壓裂孔施工。

圖3 壓裂設備位置示意Fig.3 Layout of fracturing equipment

3.3 本煤層水力壓裂方案

本煤層水力壓裂采用“裸眼坐封水力壓裂工藝技術”，在不下入套管的前提下，設計鉆探軌跡、跟蹤采樣，成孔后分析最佳坐封位置進行裸眼坐封，實踐證明坐封效果良好。本煤層設計6個鉆孔，1個為煤層孔，5個為頂板孔。根據鉆孔軌跡及鉆探施工情況，確定合理坐封位置見表2。

表2 本煤層孔布置方式Table 2 Borehole layout in coal seam

3.4 底板分段水力壓裂方案

底板孔共設計267 m，分4段進行壓裂。根據分段鉆孔軌跡及鉆探施工情況，如圖4所示，采用“單封雙卡”拖動式分段壓裂技術。底板孔分段壓裂設計見表3，工具串設計如圖5所示。

圖4 分段壓裂鉆孔軌跡Fig.4 Trajectory of segmented fracturing boreholes

圖5 底板分段致裂工具串設計Fig.5 Drilling design of floor segmented fracturing

表3 底板孔分段壓裂布置方式Table 3 Borehole layout of floor segmented fracturing

4 現場施工及效果檢驗

4.1 現場施工情況

在209工作面5-6聯巷內鉆場進行本煤層及底板壓裂抽采技術，本煤層及底板壓裂鉆孔分別采用整體壓裂和分段壓裂。其中設計水力壓裂煤層及底板鉆孔分別為5個和1個，對應編號為M5、M6、M1、M2、M3和D1。通過連續統計，煤層壓裂高壓力處于7.8～19 MPa之間，壓裂液總用量1 557.5 m3；底板孔最高注水壓力22 MPa，壓裂液用量775 m3。

4.2 抽采效果

M5壓裂孔各時間段水樣特征如圖6所示，根據M5孔連續抽采1 h的水樣可以看出，抽采出的水經歷了“清水—渾濁—含雜質渾濁—清澈”4個階段。同時檢測排水過程中煤層壓裂孔均出現瓦斯涌出濃度較高(大于1%)的情況，說明壓裂效果良好。

圖6 M5壓裂孔各時間段水樣特征Fig.6 Water sample characteristics of M5 fracturing borehole at each time period

通過高壓將抽采區域的瓦斯吸出，抽采出水樣顏色達到透明時逐漸降低抽采壓力，分別連續抽采1 h后，孔內壓力經歷了“壓力驟降—壓力緩慢下降—壓力平穩”3個階段。以M2號壓裂孔為例，M2瞬時停泵壓力8.4 MPa，65 min后降為5.8 MPa，截至下一工作日16：00，壓力降低至1.2 MPa，此后一直穩定在1.2 MPa。通過探測可知，頂底板、煤層瓦斯含量分別減少了 40%、68%，采空區瓦斯體積分數降低了41%，表明施工效果達到了預期。

5 結語

通過對二號煤礦地質條件的觀察及生產經驗，發現209工作面共有4個完整的儲氣巖層。提出并試驗“煤層+底板”定向抽采技術，煤層采用整體壓裂方式，底板采用分段水力壓裂方式，并最終確定出具體壓裂參數。通過在井下現場試驗，各孔連續抽采1 h內水樣經歷了4種變化特征，樣水清澈后調整鉆孔相適應的壓力，保證抽采的連續性。通過對不同區域的瓦斯監測，瓦斯濃度平均降低了50%，達到了預期效果。該方法在礦井內具有推廣價值，有助于保證礦井的安全生產。