頂板定向梳狀長鉆孔分段水力壓裂抽采技術研究

王 輝

(陜西陜煤韓城礦業有限公司桑樹坪二號井，陜西 渭南 715400)

0 引言

松軟破碎突出煤層由于在煤層中鉆進難度大，難以實現大范圍的瓦斯治理，往往只適用穿層鉆孔進行抽采瓦斯，然而巖巷掘進速度慢，出矸多，礦井的巖巷開拓工程受到諸多現實情況限制，因此急需一種在已有巷道內實施的、適用于松軟煤層的大范圍超前瓦斯災害治理技術[1-4]。

韓城礦區桑樹坪二號井主采3號煤層為突出煤層，煤層較為松軟，瓦斯含量高、瓦斯壓力較大，礦井最先試驗了煤層定向長鉆孔預抽技術，但是鉆孔在鉆進過程中時常發生夾鉆、掉鉆等情況。根據現場實際情況，又試驗了頂板定向長鉆孔水力壓裂強化抽采技術，在煤層頂板4～5 m位置施工定向長鉆孔，進行分段壓裂增透。現場試驗表明，該技術能夠提高瓦斯抽采效果，但和預期的目標還有較大的差距，分析原因，主要是壓裂產生的裂隙無法控制，煤層厚度約5 m，裂隙無法溝通煤層中下部[5-6]。

基于上述原因，提出頂板定向梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術，即在煤層頂板施工主孔，每間隔一段，施工一段分支鉆孔，分支鉆孔穿入煤層中，多分支梳狀鉆孔壓裂工藝能夠避免頂板拖動式不開分支工藝壓裂效果存在裂隙延展方向不定、裂縫閉合等問題[7-10]。

在桑樹坪煤礦二號井南軌道大巷開拓方向開展定向多分支梳狀鉆孔壓裂增透抽采試驗，采用前進式開分支方式，設計主孔最終下扎并揭露3號煤層，以區域性增加煤層內部瓦斯運移通道和煤層透氣性，提高煤層瓦斯抽采效率，為韓城礦區瓦斯高效抽采提供技術支撐。

1 頂板定向梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術原理

為了解決松軟煤層抽采鉆孔成孔困難，無法應用定向鉆孔抽采瓦斯的難題，設想從煤層頂板施工定向鉆孔，為了實現定向長鉆孔和煤層之間的裂隙導通，再結合水力壓裂增透強化抽采技術，頂板定向長鉆孔分段壓裂技術如圖1所示。但該技術產生的導通裂縫無法控制，對于厚度較大的煤層，煤層下部和主孔抽采通道聯通較少，往往造成中下部煤層抽采效果較差。

圖1 頂板定向長鉆孔分段壓裂技術示意

為改進上述技術，提出梳狀定向鉆孔分段壓裂瓦斯抽采技術，即在目標層上、下較穩定的巖層中施工水平定向長鉆孔，間隔一定距離施工分支鉆孔深入到煤層中，分段進行水力壓裂，通過分支鉆孔將水力壓裂的壓力導入到煤層中，從而在煤層中形成壓裂改造縫網，提高抽采效率。頂板定向梳狀鉆孔分段壓裂技術如圖2所示。

圖2 頂板定向梳狀鉆孔分段壓裂技術示意

2 頂板定向梳狀鉆孔設計

2.1 頂板梳狀壓裂鉆孔方案優選

施工點(開孔點)為南軌道大巷距巷口264 m處，研究區為開孔點沿巷道開拓方向500 m范圍；實測3號煤層堅固性系數(f值)為0.54～0.57、原始煤層瓦斯含量9.81 m3/t。

施工區域3號煤層整體為“先上后下”形態，且大部分區域煤層處于下行階段，根據當前煤礦井下水力壓裂技術、工藝及裝備現狀，初步設計沿南軌道大巷開拓方向實施定向多分支梳狀鉆孔1個，采用前進式開分支方式，設計主孔最終下扎并揭露3號煤層。基于此，提出2種主孔鉆孔布置方式，即壓裂孔主孔為上向或近水平(設計1)和主孔軌跡距3號煤層頂板5 m以內施工(設計2)，如圖3所示。

圖3 南軌道大巷壓裂鉆孔設計

設計1優點是近水平傾角，利于排水排渣和瓦斯抽采；易于開分支，鉆孔施工難度相對較小；分支孔導向壓裂、壓裂風險小；缺點是不再進行層位控制；主孔距離煤層較遠(最大約19 m)。設計2的優點是主孔距離煤層近，層位易控制；可適當增加頂板壓裂效果；缺點是下向孔(落差15 m)，不利于排水排渣和瓦斯抽采；鉆孔施工與開分支難度大；壓裂時容易出現串孔、風險高。總體分析對比，認為設計1有利于排水排渣及瓦斯抽采、整體優勢顯著，故采用設計1作為本課題主孔布置方案。

2.2 頂板梳狀壓裂鉆孔設計

根據鉆孔設計方案，設計壓裂鉆孔1個，主孔長度510 m，主孔施工層位為3號煤層直接頂巖層、保持主孔傾角為上向孔或近水平；結合前期在桑樹坪二號井北軌道大巷已實施的定向長鉆孔水力壓裂施工，優化定向長鉆孔水力壓裂工藝，通過前期壓裂研究表明水力壓裂影響半徑可達35 m，為了保障水力壓裂的均衡性，設計每隔60 m開分支，所有分支孔需揭露目標煤層，初步估算鉆孔總進尺826 m。鉆孔結構采用二開設計，一開鉆孔孔深60 m，直徑為193 mm，成孔后下入φ127 mm套管，二開鉆孔直徑為98 mm。鉆孔布置平面剖面如圖4所示，鉆孔參數見表1。

圖4 南軌道大巷梳狀分支鉆孔布置

表1 鉆孔設計參數

3 頂板梳狀分支水力壓裂效果分析與評價

3.1 頂板梳狀鉆孔竣工情況

壓裂孔于2020年4月4日中班施工，至2020年5月26日夜班終孔，終孔孔深為486 m，總進尺921 m(含分支孔)，共施工43 d；其中施工分支孔5個：分支孔1(78～174 m)、分支孔2(138～225 m)、分支孔3(195～276 m)、分支孔4(255～321 m)、分支孔5(323～429 m)。梳狀鉆孔軌跡如圖5所示。

圖5 梳狀鉆孔實鉆軌跡平剖面

3.2 頂板梳狀鉆孔壓裂情況

于2020年5月28日開始壓裂注水，至2020年6月6日完成所有壓裂施工作業，進入保壓狀態。整個壓裂孔分6段進行壓裂，泵注壓力分布于12.6～18.5 MPa之間，壓裂液單段用量為121～786 m3，總用量為1 586 m3。進行第2段、第3段壓裂時出現分支壓串現象，遂對2#分支及3#分支進行了整體壓裂。水力壓裂施工參數見表2。

表2 水力壓裂施工參數

3.3 水力壓裂效果分析與評價

從水力壓裂注水情況分析，本次壓裂孔共分6次進行壓裂施工，5次分段壓裂及1次鉆孔整體壓裂，進行第2段、第3段壓裂時出現分支壓串現象，遂對2#分支及3#分支進行了整體壓裂。

以第3段壓裂為例，本段注水時間約6 h，累計壓裂液用量121 m3，最大泵注壓力15.9 MPa。曲線如圖6所示，壓力曲線整體呈鋸齒狀上下波動，局部存在多次較小壓降，壓力變化程度最大0.61 MPa。隨著前期壓裂水的不斷注入，壓裂液(清水)能量的不斷積聚，巖層抵抗失效，主裂隙迅速擴展，巖層裂隙中的自由空間增大，注入水壓力有所下降，孔內產生較大裂隙，壓裂清水在該裂隙系統中延深、擴展。

圖6 泵注壓力曲線(4#分支孔壓裂)

采用瞬變電磁工程探測了南軌道大巷3號煤層頂板壓裂孔水力壓裂鉆孔斜深方向60～387 m探測范圍。孔內瞬變電磁探測結果表明：在探測區域內，60～215 m異常區段壓裂影響半徑整體均達到27 m，其中1號異常區段(78～108 m)、2號異常區段(110～123 m)、3號異常區段(165～198 m)富水性較強(顏色較深，顏色越傾向于藍色，說明富水性越強)，壓裂影響范圍均達到35 m(受探測設備能力所限)；在215～360 m異常區段壓裂影響半徑整體均達到15 m以上，其中4號異常區段(218～242 m)、5號異常區段(263～291 m)、6號異常區段(312～348 m)壓裂影響半徑達到35 m；360～387 m異常區段壓裂影響半徑整體均達到22 m，其中7號異常區段(351～381 m)壓裂影響半徑達到35 m，以上7個富水性較強異常區段均與實際壓裂點存在良好對應關系。同時，沿鉆孔方向不存在壓裂空白區，說明每隔60 m開分支是可行的。

南軌道大巷壓裂孔數據從6月21日開始，7月6日入井排查管路后，協調礦方處理漏氣、管路連接錯誤等問題，實測孔口瓦斯濃度62%；7月14日再次入井排查，處理漏氣等問題后，協調礦方重新標校自動監測裝置，實測孔口瓦斯濃度45%；穩定監測期間，截至9月2日，鉆孔瓦斯抽采濃度為21.1%～68.8%、平均濃度48.5%，平均抽采純量1.6 m3/min，抽采曲線如圖7所示。相較于北軌道大巷試驗的頂板定向長鉆孔水力壓裂瓦斯抽采純量0.6 m3/min，提高1.7倍。

圖7 南軌道大巷瓦斯抽采監測數據

4 結論

(1)提出頂板定向梳狀長鉆孔分段水力壓裂抽采技術，“主孔近水平、多分支梳狀孔”的布孔方法和鉆探施工工藝，適用于桑樹坪二號井3號煤層瓦斯地質賦存條件。

(2)現場完成1個定向長鉆孔施工，主孔長度486 m、總進尺921 m(含分支孔)，孔徑98 mm，其中施工分支孔5個，共進行單孔6段壓裂施工，泵注壓力12.6～18.5 MPa，壓裂液單段用量121～786 m3，總用量1 586 m3。

(3)通過孔內瞬變電磁測試得出水力壓裂半徑達35 m以上，瓦斯抽采濃度21.1%～68.8%(平均濃度48.5%)，平均抽采純量1.6 m3/min。相較于北軌道大巷試驗的頂板定向長鉆孔水力壓裂瓦斯抽采純量0.6 m3/min，提高1.7倍。針對桑樹坪二號井3號煤層瓦斯地質賦存條件，松軟厚煤層頂板定向梳狀多分支孔鉆探與壓裂工藝實施效果優于不開分支或少開分鉆孔。