穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂工程試驗

趙 坤，李 文，歐 聰

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤炭開采尤其是煤與瓦斯突出煤層開采過程涌出的瓦斯對煤礦安全生產構成嚴重的威脅，采掘前利用定向鉆孔遠距離、大區域、精準化預抽煤層瓦斯已是我國目前治理瓦斯的有效的手段之一，同時《防治煤與瓦斯突出細則》也首次將定向長鉆孔預抽煤層瓦斯作為2 個“四位一體”中區域防突措施之一[1]。近年來，已形成較為成熟的硬煤順層定向鉆進、碎軟煤層頂（底）板梳狀鉆孔等定向鉆孔成孔工藝技術[2]。為改善低滲煤層滲透性，碎軟低滲煤層穿層梳狀定向鉆孔水力壓裂增透技術及裝備也得到了大量的研究與實踐[3-10]，目前主要有整體壓裂和分段壓裂2 種技術，整體壓裂技術所存在的最直接、最主要問題就是一次壓裂范圍過大，易造成壓裂效果不均衡，同時壓裂既作用于鉆孔煤層段也作用于鉆孔巖層段，進而高壓水體極易從巖孔段裂隙發生濾失造成泵注壓力和排量難以達到壓裂煤巖層、延展裂縫的效果[11]，且鉆孔越長濾失效應越明顯；分段壓裂技術解決了壓裂不均衡問題，但壓裂還是既作用于鉆孔煤層段也作用于鉆孔部分巖層段，高壓水體仍然會從巖孔段裂隙發生濾失，進而削弱水力壓裂效果。因此，為改善上述碎軟低滲煤層穿層梳狀鉆孔水力壓裂技術的不足，確保煤層壓裂效果，提出穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂技術。

1 穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂技術

1.1 技術方法

穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂技術分為“先施工后壓裂”和“邊施工邊壓裂”，其中“先施工后壓裂”是指先施工完所有穿層梳狀分支孔，再逐孔進行煤層段水力壓裂；“邊施工邊壓裂”是指施工完1 個穿層梳狀分支孔就壓裂1 個分支孔煤層段”。

以“先施工后壓裂”為例，進行穿層梳狀分支孔煤層段水力壓裂技術方法簡介。穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂鉆具組合串連接示意圖如圖1，底板穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂技術示意圖如圖2。

圖1 穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂鉆具組合串連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of string connection of drill assembly for precise hydraulic fracturing of coal seam section with comb branch hole through layers

圖2 底板穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂技術示意圖Fig.2 Schematic diagram of precise hydraulic fracturing technology for coal seam section of comb drill hole through floor

壓裂施工工藝為：①利用定向鉆進設備按設計要求對目標碎軟低滲煤層施工穿層梳狀分支孔；②退出定向鉆進鉆具組合串并將鉆進鉆具組合串中的孔底馬達、鉆頭依次更換為壓裂封孔器和彎頭導向篩管，進而變為壓裂工具組合串；③利用穿層梳狀分支孔重入技術將壓裂封孔器定點送至分支孔煤層與巖層交界處；④利用高壓水泵將高壓水通過高壓膠管及壓裂鉆具組合串注入分支孔煤層段，實現壓裂封孔器的定點坐封及煤層段的壓裂；⑤采用后退式或前進式，依次對其它分支孔煤層段實施精準水力壓裂，最終實現穿層梳狀鉆孔控制范圍內的煤層增透。

1.2 關鍵技術

1）分支孔重入技術。穿層梳狀分支孔施工完后，利用隨鉆測量系統測量記錄的每根鉆桿施工參數將壓裂封孔器送入分支孔中巖孔段與煤層段的交界處。為了實現該技術，要求穿層梳狀鉆孔設計施工過程中，鉆孔盡可能的布置在巖性比較穩定、成孔性較好的層位，且主孔及分支孔設計施工盡可能平緩，分支孔開孔處與主孔延伸方向的夾角盡可能小，同時利用彎頭導向篩管的彎頭進行分支孔重入導向，并確保彎頭導向篩管彎頭的角度與分支孔和主孔延伸方向的夾角相匹配。除此，彎頭導向篩管前端可以螺紋連接鉆頭，若在分支孔重入過程中遇有跨孔或縮徑等情況時，可以實現旋轉鉆進。

2）封孔器的坐封。煤礦井下壓裂孔多為近水平或上行孔，且為裸眼坐封，坐封難度大，且煤巖層破裂壓力較高，封孔效果應保證一定的耐壓強度和穩定性。膠囊封孔器的高質量坐封要求穿層梳狀鉆孔應根據目標煤層頂底板的巖性組合特征盡可能布置在巖性堅硬穩定的砂巖層中，同時確保分支孔用于坐封封孔器段設計施工平直，長度與膠囊封孔器的封孔長度相匹配并留有一定的安全長度。

2 穿層梳狀鉆孔設計施工

2.1 鉆孔層位選擇

試驗點選在新疆艾維爾溝礦區2130 煤礦4 號煤層24223 運輸巷。4 號煤層，以焦煤為主，為突出煤層，煤層結構相對復雜，含2 層夾矸及1 層煤矸互層；4 號煤層傾角平均為42°，厚度為2.8 m，破壞類型為II～Ⅲ，瓦斯壓力為0.2～0.85 MPa，瓦斯含量為8.28～14 m3/t，堅固性系數為0.54；4 號煤層頂板巖性以粗砂巖為主，局部地段夾雜中砂巖，底板巖性以中砂巖為主；煤層距上部3 號煤層層間距約為23 m，距下部5 號煤層層層間距平均約為29 m。

艾維爾溝礦區主采煤層分布于下侏羅統八道灣組，巖性組合特征主要以“煤層+砂礫巖+泥巖”為主，此次試驗目標煤層頂板主要為23 m 厚的粗砂巖，底板主要為29 m 厚中砂巖，均為巖性堅硬穩定層位，有利于鉆孔成孔。根據24223 運輸巷開拓部署特征及鉆孔壓裂對封孔長度的要求，此次設計采用穿底板梳狀鉆孔，開孔位置布置于25222 運輸聯絡石門內，開孔高度設計為1.6 m，主孔距離煤層法相距離設計為5～6 m。

2.2 鉆孔設計施工

此次穿底板梳狀鉆孔設計為2 級孔身結構：第1 級孔身為開孔段，設計長度為30 m，采用孔徑98 mm 鉆頭旋轉鉆進至30 m 后，依次采用孔徑133、153 mm 擴孔鉆頭擴孔至30 m，然后下入20 根孔徑143 mm 護孔套管進行護孔，并在鉆孔與護孔套管之間的環形空間內高壓注入早強微膨脹型水泥砂漿進行固孔；第2 級孔身結構設計為裸眼梳狀分支孔結構，孔徑為98 mm，鉆孔造斜段相鄰鉆桿之間的方位差及傾角差不大于0.5°，分支孔開孔方向與主孔延伸方向夾角為2°～5°。當分支孔施工至距離煤層3 m 左右時，需將定向鉆進調整為旋轉鉆進，確保分支孔距離煤層3 m 范圍內的孔段平直，進而確保壓裂封孔器的高效坐封，當分支孔進入煤層后，再將旋轉鉆進調整為定向鉆進，確保分支孔煤層段沿煤層走向鉆進。

施工采用后退式分支孔施工工藝，即在主孔鉆進過程中不施工分支孔，只在分支孔設計位置預留開分支孔點，確保主孔連續、平滑、暢通，等到主孔施工至設計深度后，再依次退鉆至預留開分支孔點處施工分支孔。艾維爾溝礦區2130 煤礦4 號煤層24223 運輸巷施工穿底板梳狀鉆孔主孔1 個，梳狀分支孔4 個，分支孔間距為70 m，鉆孔累計長度為945 m，煤層段累計長度248.3 m。煤層底板梳狀鉆孔實鉆軌跡圖如圖3。

圖3 煤層底板梳狀鉆孔實鉆軌跡圖Fig.3 Actual drilling trajectory of comb drilling in coal seam floor

3 壓裂參數

3.1 起裂壓力

目前水力壓裂設計過程中廣泛使用的巖石起裂壓力計算公式有2 個，即Hubbert Willis（H-W）公式（式（1））和Haimson-Fairhurst（H-F）公式（式（2））[12-13]，其中H-W 公式適用于非滲透性巖石，故計算的起裂壓力偏大，H-F 公式適用于滲透性巖石，故計算的起裂壓力偏小。

式中：pb為起裂壓力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σH為最大水平主應力，MPa；T 為巖石的抗拉強度，MPa；p0為巖石初始孔隙壓力，MPa；η=α（1-2v）/2-2v，0≤η≤0.5；v 為煤體泊松比，無量綱；α取0.8。

此次試驗目標煤層屬于特低滲煤層，煤層滲透率極低，為0.004 85×10-15m2，接近于非滲透性巖層，因此此次起裂壓力計算采用式（1）。此次穿層梳狀分支孔進入煤層后主要沿著24223 運輸巷走向鉆進，由前文地應力特征可知穿層梳狀分支孔主要沿著試驗點水平最小主應力方向展布，因此已施工的穿層梳狀分支孔主要受到試驗點水平最大主應力和垂直主應力，結合目標煤層試驗點巖石力學參數（抗拉強度為0.75 MPa）及原始孔隙流體壓力（近似為煤層原始瓦斯壓力0.53 MPa）可求得穿層梳狀定向長鉆孔分支孔的起裂壓力約為11.3 MPa。

3.2 裂縫擴展特征

諸多學者通過數值模擬、煤巖體壓裂試驗及工程應用研究表明，鉆孔周圍地應力的分布特征對水力壓裂的起裂壓力、起裂位置、破裂方式及裂隙延伸擴展規律有明顯的不同[14-17]，利用RFPA2D-FIOW數值模擬軟件模擬目標煤層試驗地點地應力條件下鉆孔水力壓裂以期掌握煤層破裂方式及裂縫延伸擴展特征。試驗地點的垂直主應力為6.55 MPa，水平最大主應力為5.88 MPa，水平最小主應力3.55 MPa。

通過模擬發現，隨著鉆孔初始流體壓力的增加，模型首先以發生彈塑性形變為主，孔徑不斷擴大并產生剪切損傷，但并沒有產生明顯破裂，孔隙水壓力呈圓環狀由鉆孔向四周依次均勻降低；隨著鉆孔流體壓力的進一步增加，模型達到抗拉強度極限而發生拉張破裂，破裂壓力10.5 MPa，且破裂強度隨著鉆孔流體壓力的增加而逐漸加強，裂隙主要沿著垂直主應力方向延伸擴展，并在裂隙的尖端發育有大量的剪切微破裂區。沿目標煤層走向布置鉆孔的壓裂裂隙擴展及聲發射特征如圖4。

圖4 沿目標煤層走向布置鉆孔的壓裂裂隙擴展及聲發射特征Fig.4 Fracture propagation and acoustic emission characteristics of borehole fracturing arranged along the strike of target coal seam

4 壓裂施工

4.1 壓裂流程

穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂所用到的設備除了部分定向鉆具外，還有：①BYW315/55 型壓裂泵組：其額定流量315 L/min，額定壓力55 MPa；②K344-80 壓裂膠囊封孔器：封孔壓力可達55 MPa；③自主研發的彎頭導向篩管：其彎頭角度為3°；④體積為8 m3的水箱。為了連續、準確、實時記錄鉆孔壓裂過程中孔內流體壓力及孔內流體流量，試驗配備了遠程壓裂監控系統和視頻監控系統，能夠實現實時監測和儲存泵注流量和壓力等參數，為現場壓裂數據分析提供了保障。

此次穿底板梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂工程試驗采取“后退式邊施工邊壓裂”工藝，在主孔施工完畢后，退出鉆進鉆具組合串更換為壓裂鉆具組合串，并利用分支孔重入技術將壓裂鉆具組合串下入主孔內，同時利用主孔已有施工參數確保壓裂封孔器準確送達至距煤層3 m 范圍內鉆孔平直處，隨后連接壓裂泵等孔口壓裂管路開展主孔煤層段水力壓裂，主孔煤層段壓裂及保壓完成后拆除壓裂泵等孔口壓裂管路并退出壓裂鉆具組合串更換為鉆進鉆具組合串，將鉆進鉆具組合串送至1-1 號分支孔開孔點處實施1-1 號分支孔的開孔鉆進，1-1 號分支孔按設計參數施工完成后退出鉆進鉆具組合串更換為壓裂鉆具組合串，并利用分支孔重入技術將壓裂鉆具組合串下入1-1 號分支孔內，同時利用1-1 號分支孔已有施工參數確保壓裂封孔器準確送達至距煤層3 m 范圍內鉆孔平直處，隨后連接壓裂泵等孔口壓裂管路開展1-1 號分支孔煤層段水力壓裂，1-1 號分支孔煤層段壓裂及保壓完成后按上述流程依次完成1-2、1-3、1-4 號分支孔的定點開孔、定向鉆進及分支孔煤層段的精準壓裂。

4.2 壓裂過程

此次穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂采用清水作為壓裂介質，穿層梳狀鉆孔1 個主孔及4 個分支孔，總計壓裂煤層段長度248.3 m，總計注液量5 730 m3，單孔段累計壓裂時間48 h。隨著壓裂液的連續泵入，鉆孔煤層段流體壓力連續升高，各孔段煤層起裂壓力介于10.6～11.8 MPa，最大泵注壓力介于14.9～16.8 MPa。梳狀穿層鉆孔主孔煤層段精準水力壓裂壓力變化曲線如圖5。

圖5 梳狀穿層鉆孔主孔煤層段精準水力壓裂壓力變化曲線Fig.5 Variation curve of precision hydraulic fracturing pressure in coal seam section of main hole of comb through layer drilling

壓裂開始后，隨著鉆孔內高壓水體的不斷注入，鉆孔內水體壓力快速升高，在孔隙水壓力梯度作用下，煤層段局部結構弱面周期性打開形成微裂縫，當注水時間為149 min 時，壓力由11.2 MPa 突然降低至9.5 MPa，判識煤層發生起裂，初次形成有效裂縫，該起裂壓力值與起裂壓力分析理論值接近。在煤層每次發生明顯破裂前，孔內水體壓力均呈現出周期性鋸齒變化，表現為煤層微裂縫的不斷形成及擴展的過程。隨著微破裂的持續累加及壓力的不斷升高，注水時間為653 min 時，壓力升高至13.1 MPa后突降至10.2 MPa，煤層發生第1 次明顯破裂，在注水時間為1 177、2 145 min 時，壓力分別由14.6、15.2 MPa 突降至11.3、11.8 MPa，煤層發生了第2次、第3 次明顯破裂。同時，隨著壓裂的持續，發生明顯破裂時的水體壓力在不斷的升高，發生明顯破裂時的周期也在不斷的加長，說明隨著煤層裂縫的不斷形成和擴展，煤層整體濾失性在不斷的增加，導致煤層破裂壓力不斷增高，難度不斷增大，直至無法形成新的有效壓裂裂縫。

4.3 保壓排水

各分支孔煤層段水力壓裂結束后，關閉孔口截止球閥對壓裂煤層段孔開展保壓作業，單孔段保壓時間為24 h，確保壓裂形成的以及原有的裂隙網絡得到充分的擴展延伸交匯，鞏固壓裂增透效果，同時確保孔內高壓水體通過壓裂形成的及原有的裂隙、孔隙網絡向煤層深處充分擴散滲透，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，促使壓裂后的煤層應力分布狀態發生充分調整，直至煤層瓦斯壓力達到新的平衡狀態。

保壓期間孔內水體壓力呈現出逐漸降低的狀態，同時壓力降梯度也呈現出逐漸降低的狀態[5]。保壓初始階段孔內水體處于較高壓力狀態，一方面在已有裂隙網絡擴展端連續濕潤及損傷的情況下，裂隙網絡會產生一定程度的擴展延伸進而增加裂隙空間造成壓力快速降低；另一方面，裂隙之間及附近煤體在連續濕潤及較高壓力作用下，煤體產生塑性收縮變形進而增加裂隙空間造成壓力快速降低。隨著保壓時間逐漸延長，孔內水體能量逐漸損失、壓力逐漸降低，前文述及的保壓初始階段的2 方面作用均得到大幅度減弱，此時孔內水體主要借助剩余壓力通過煤體裂隙及孔隙網絡緩慢的向煤層深處滲透擴散為主，隨著孔內水體剩余壓力進一步減弱及滲透擴散距離進一步增加，孔內水體壓力損失速率逐漸變慢，并最終平衡于煤層壓力。

5 壓裂效果

5.1 煤層增透效果

主要通過對比壓裂前后的煤層透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數進行煤層增透效果分析。壓裂前煤層參數測試地點為未進行壓裂施工前，距離壓裂鉆孔20 m 位置原位煤層樣品。在25223 運輸巷設置5 個鉆場，各鉆場位置分別與24223 運輸巷穿層梳狀各分支孔煤層段相對應，通過各鉆場向24223運輸巷穿層梳狀各分支孔水力壓裂區域施工參數測試鉆孔，煤層參數測試結果對比見表1。

表1 煤層參數測試結果對比Table 1 Comparison of test results of coal seam parameters

由表1 可知，穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂后，煤層平均透氣性系數提高至原來的14.08倍，鉆孔平均流量衰減系數降低至原來的56%。

5.2 瓦斯抽采效果

梳狀鉆孔最后1 個分支孔煤層段保壓排水作業完成后，即對試驗穿層梳狀鉆孔進行聯網接抽，同時在鉆孔與抽采支管之間的波紋管上安裝有GD3（b）型礦用瓦斯抽放多參數傳感器，并利用KJ90X 煤礦安全監控系統對試驗穿層梳狀鉆孔抽采瓦斯體積分數、抽采流量、管道溫度等參數進行連續檢測計量，為分析試驗穿層梳狀鉆孔瓦斯抽放效果提供了堅實的保障。穿層梳狀鉆孔瓦斯抽采數據曲線圖如圖6。

圖6 穿層梳狀鉆孔瓦斯抽采數據曲線圖Fig.6 Gas drainage data curves of comb-shaped boreholes through layers

圖6（a）為試驗穿層梳狀鉆孔聯網接抽后1 個月的抽采數據，其中抽采負壓為38.21～46.80 kPa。數據表明其瓦斯抽采體積分數和抽采純流量均表現出先增大，后減小至穩定狀態的變化特征，平均抽采體積分數為17.7%，平均抽采純流量為1.53 m3/min。為了驗證壓裂試驗效果，特選取前期該巷道同水平控制范圍相當的穿層梳狀鉆孔整體水力壓裂試驗鉆孔1 個月的瓦斯抽采數據進行對比分析（圖6（b）），結果顯示相比于前期該巷道同水平控制范圍相當的穿層梳狀鉆孔整體水力壓裂試驗，此次穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂試驗后的單孔瓦斯抽采體積分數提高了2.7 倍，瓦斯抽采純量提高了11.8倍。

6 結 論

1）壓裂后，區域煤層平均透氣性系數為2.732 m2/（MPa2·d），鉆孔平均流量衰減系數為0.327 d-1，相比于壓裂前，煤層平均透氣性系數提高至原來的14.08倍，鉆孔平均流量衰減系數降低至原來的56%。

2）對比穿層梳狀鉆孔整體水力壓裂試驗，穿層梳狀分支孔煤層段精準水力壓裂試驗單孔瓦斯抽采體積分數提高了2.7 倍，瓦斯抽采純量提高了11.8 倍。