水力壓裂縱向切槽鉆頭的研制與試驗

林 健，王 洋，石 垚，王志超

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部,北京 100013; 2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013)

水力壓裂作為一種有巨大潛力的工程技術，已經(jīng)廣泛應用于石油、頁巖氣、地應力測量等領域。近年來在煤炭行業(yè)，該技術主要應用于高瓦斯突出煤層卸壓增透及區(qū)域瓦斯治理、堅硬難垮頂板處理、沖擊地壓防治、高應力巷道圍巖卸壓等方面[1-8]。

煤礦強烈動壓巷道一般是指至少經(jīng)歷一次回采工作面采動全過程影響的巷道。如工作面多巷布置的外圍巷道、沿空留巷、同一采區(qū)順序開采的臨近巷道等。強烈動壓巷道由于受工作面超前和側向應力峰值疊加遷移以及工作面巷道側上方懸壁梁存在的影響，巷道圍巖變形速度快、變形量大、長時間不能趨于穩(wěn)定，變形量一般是普通回采巷道的4～6倍[9-11]。此類巷道是目前我國煤礦巷道支護最困難的類型之一，一般采用常規(guī)支護甚至各種聯(lián)合支護都很難有效控制圍巖大變形[12-16]。因此，非常有必要對此類巷道采用“卸—支”相結合的手段進行圍巖控制。

強烈動壓巷道切頂卸壓一般是在靠近正在回采工作面一側的巷道頂板進行。通過人工干預的手段切斷工作面?zhèn)认驊冶蹘r梁，減小側向懸臂梁長度，達到切頂卸壓的目的。目前切頂卸壓手段主要有深孔爆破、水力壓裂等[17-19]，其中水力壓裂技術以其成本低、效率高、安全性能好的特點，逐漸在強烈動壓切頂卸壓中得到推廣應用。

目前水力壓裂主要分常規(guī)水力壓裂、定向水力壓裂和定向射孔水力壓裂[3,20]。常規(guī)水力壓裂就是在鉆孔內(nèi)直接進行分段壓裂，裂縫的起裂和擴展主要沿原巖應力最大主應力平面；定向射孔水力壓裂主要應用于石油天然氣行業(yè)；定向水力壓裂則是在鉆孔內(nèi)進行定向切槽，在壓裂時裂縫的起裂是人為定向的，裂縫沿定向方向擴展到一定范圍后轉向最大主應力平面。目前煤礦常用的定向水力壓裂是孔內(nèi)橫向切槽的方式。但在強烈動壓巷道的切頂卸壓中，最佳的裂縫擴展方向應為沿巷道軸線方向，這樣就會在巷道深部頂板產(chǎn)生一個平行于巷道軸向的連續(xù)的斷裂面，有效切斷頂板巖層，達到理想的卸壓效果。本文正是基于上述原理和構思，研制開發(fā)一種孔內(nèi)縱向切槽鉆頭，并進行系列試驗研究，以期達到理想的強烈動壓巷道切頂卸壓效果。

1 水力壓裂縱向切槽鉆頭設計

根據(jù)鉆孔周邊應力狀態(tài)及裂縫起裂和擴展條件，結合強烈動壓巷道水力壓裂卸壓技術要求，確定水力壓裂縱向切槽鉆頭及其結構，如圖1所示。

圖1 縱向切槽鉆頭結構示意Fig.1 Structure of longitudinal slotting drilling bit

縱向切槽鉆頭采用氣動雙刃縱向切槽，利用垂直交叉軸傳動在鉆頭前端將軸旋轉的運動轉變?yōu)榇怪陛S線旋轉運動，驅動超薄金剛石鋸片，在鉆孔孔壁上進行軸向連續(xù)或間斷的切割，鋸片的開合由偏心曲柄滑塊機構和1個活塞所構成，活塞的軸向位置決定鋸片的開與合，在鋸片打開的位置具有自鎖的功能。傳動軸、中心傳動齒輪軸均設有中心孔，通過中心孔給鋸片提供冷卻水進行刀片冷卻。

2 縱向切槽鉆頭切槽試驗

2.1 金剛石鋸片耐磨性試驗

為防止金剛石鋸片在井下使用過程中頻繁更換鋸片的問題出現(xiàn)，對選擇的金剛石鋸片進行了耐磨性能試驗。試驗在地面采用手持氣動馬達帶動金剛石鋸片切割花崗巖和釉面磚的方式進行。試驗時馬達轉速設置為2 200 r/min，鋸片邊緣線速度u≈5.7 m/s。切割深度設為5 mm，切割長度500 mm，給進速度為花崗巖50 mm/min，釉面磚為80 mm/min。鋸片試驗如圖2所示，測試數(shù)據(jù)見表1。表1中，D、D′分別為鋸片原始直徑和切后直徑，t、t′分別為鋸片原始厚度和切后厚度。

圖2 鋸片耐磨性能試驗示意Fig.2 Schematic diagram of abrasion resistance test of saw blade

表1 鋸片測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of abrasion resistance of saw blade

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，所選用的金剛石鋸片在切割深度5 mm、切割長度500 mm的情況下磨損不明顯，基本可滿足井下400 mm長度多次切割的要求。

2.2 縱向切槽水力壓裂實驗室試驗

利用已做好的圓形水泥桶柱，采用TUX75地質鉆機套φ56 mm鉆頭進行鉆孔，將縱向切槽鉆頭裝入孔內(nèi)預定位置，開動鉆機進行切槽作業(yè)，切槽長度200 mm。觀測鉆孔切槽效果，并進行封孔壓裂，檢驗裂縫開啟及擴展方向。實驗室切槽壓裂過程如圖3所示。從圖3中可以看出，切槽效果明顯，水泥柱壓裂裂縫開啟和擴展基本和切槽方向一致。

圖3 實驗室縱向切槽壓裂試驗步驟Fig.3 Laboratory test procedure for longitudinal slotting fracturing

2.3 井下鉆孔內(nèi)縱向切槽試驗

為進一步驗證縱向切槽鉆頭的切槽效果，在陜西何家塔煤礦井下進行了鉆孔縱向切槽試驗，為方便清晰地獲得切槽效果圖，切槽試驗在水力壓裂鉆孔口部中粒砂巖中進行，切槽效果如圖4所示。

江陰市水利信息化以“一個中心、一個平臺、一張地圖、一張網(wǎng)絡、一套保障機制”的創(chuàng)新思路，采用國內(nèi)外先進信息技術，統(tǒng)一技術架構和標準規(guī)范，建成信息采集與控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡與安全系統(tǒng)、資源共享服務平臺、綜合業(yè)務應用平臺和防汛防旱會商中心“五大”工程，實現(xiàn)了所有業(yè)務管理一個平臺完成、一張地圖顯示，提高了水利信息化水平。

圖4 井下鉆孔內(nèi)縱向切槽效果Fig.4 Effect drawing of longitudinal notch in borehole in mine

3 縱向切槽水力壓裂井下工業(yè)試驗

3.1 試驗點地質與生產(chǎn)條件

試驗地點選取為何家塔煤礦50105工作面運輸巷。何家塔煤礦主采5-2煤層，煤層厚度在2.4～3.8 m，平均厚3.1 m，埋深約為180 m。巷道沿煤層頂?shù)装寰蜻M，巷道高3.2 m，寬6.0 m。直接頂為中粒砂巖，中等穩(wěn)定，厚度0.84～14.28 m。基本頂為粉、細砂巖，中厚層狀，厚度40 m以上。直接底為砂質泥巖、泥巖，遇水強度降低，厚度0.65～7.50 m。與50105工作面運輸巷相隔凈煤柱15 m為50106回風巷，該巷在經(jīng)受50105工作面回采全動壓影響后將作為下一個工作面的回風巷復用。為解決50105工作面運輸巷端頭支架后方大面積懸頂和50106回風巷留巷變形的問題，礦方在50106運輸巷試驗水力壓裂切頂卸壓技術。

3.2 試驗方案

水力壓裂切頂卸壓試驗段長300 m，共設計30個鉆孔，鉆孔布置參數(shù)如圖5所示。鉆孔間距10 m，鉆孔長度20 m，開孔處距煤柱側幫1.0 m，與垂直方向夾角為5°。

圖5 水力壓裂試驗鉆孔布置參數(shù)Fig.5 Layout parameters of hydraulic fracturing test boreholes

其中，1號—15號鉆孔為縱向切槽施工鉆孔，并在切槽位置進行壓裂；16號—30號鉆孔為不切槽直接壓裂，與切槽段進行對比試驗。1號—15號鉆孔切槽位置設計為孔深6、12、18 m的位置，切槽長度400 cm，切槽完成后在對應位置進行壓裂；16號—30號鉆孔壓裂位置與前15個鉆孔對應，為孔深6、12、18 m。

3.3 與原有橫向切槽工藝對比

原有橫向切槽工藝如下：切槽鉆頭與普通鉆桿連接，利用鉆機將鉆頭推送至鉆孔底部，利用鉆機推進力使鉆頭刀片張開，利用鉆機扭矩使鉆頭旋轉并切槽。當鉆孔需要多次開槽時，需采用普通鉆頭鉆進至開槽位置→退出鉆頭和鉆桿，更換切槽鉆頭，連接鉆桿將切槽鉆頭送至孔底并開槽→退出鉆桿和切槽鉆頭，連接普通鉆頭并連接鉆桿，繼續(xù)鉆進至下次開槽位置→重復更換切槽鉆頭并在該位置開槽。當需要多次在同一鉆孔中開槽時，原有工藝需要多次、重復更換普通鉆頭和切槽鉆頭，多次、重復退出和推送鉆桿。縱向切槽工藝：與原有工藝相比，當鉆孔需要多次開槽時，只需采用普通鉆頭一次性將鉆孔施工完成→更換縱向切槽鉆頭及配套鉆桿，完成切槽。新研制的縱向切槽鉆頭及其開槽工藝，大幅減少了更換鉆頭和鉆桿的次數(shù)，縮短了施工時間，降低了工人勞動強度，切槽施工效率至少提升30%～50%。

4 試驗效果

4.1 壓裂和擴展效果

1號—15號鉆孔共壓裂45次，平均泵壓為13.7 MPa，壓裂曲線如圖6所示。壓裂過程中，水沿頂板的擴散范圍可達10～40 m，主要集中在20～30 m內(nèi)，擴散方向主要沿巷道軸向，壓裂位置越靠近孔口，擴散范圍越大，頂板淋水量也越大。

圖6 縱向切槽鉆孔壓裂曲線Fig.6 Fracture curve of drilling with longitudinal notch

16號—30號孔共壓裂45次，平均泵壓為18.5 MPa，壓裂曲線如圖7所示。壓裂過程中，水沿頂板的擴散范圍可達10～30 m，有個別次數(shù)擴散范圍可達40 m左右。

4.2 壓裂卸壓效果監(jiān)測

壓裂卸壓效果監(jiān)測內(nèi)容主要包括3個方面：煤柱應力、鄰近巷道變形、采空區(qū)垮落情況。煤柱應力共布置了3個測站，如圖8所示。其中，測站1監(jiān)測切槽壓裂段，測站2監(jiān)測不切槽壓裂段，測站3監(jiān)測不壓裂段。采用鉆孔應力計進行監(jiān)測，測點深度分別為3、6、9、12 m。50106回風巷變形情況是在圖8中3個測站的位置采用“十”字布點的方法進行監(jiān)測。采空區(qū)垮落情況隨著工作面的推進記錄滯后支架垮落的距離。

(1)煤柱應力監(jiān)測結果。測站1煤柱應力變化如圖9所示。在縱向切槽水力壓裂切頂卸壓段，煤柱應在變化曲線可分為3個階段：微調整階段、劇烈變化階段和相對穩(wěn)定階段。在微調整階段，測站未受到50105工作面回采影響，煤柱應力處于自我調整狀態(tài)，調整幅度不大；劇烈變化階段，煤柱應力受工作面回采影響，煤柱應力劇烈增加，煤柱深度3、6、9、12 m處煤柱應力最大增量分別為1.32、1.02、1.32、1.20 MPa；相對穩(wěn)定階段處于回采工作面后方120 m以后，煤柱應力基本保持穩(wěn)定。

圖9 測站1煤柱應力增量Fig.9 Stress increment of coal pillar at station 1

測站2煤柱應力變化如圖10所示。

圖10 測站2煤柱應力增量Fig.10 Stress increment of coal pillar at station 2

在不切槽水力壓裂切頂卸壓段，煤柱應力和測站1相同，也分為3個階段。在劇烈變化階段，煤柱應力變化更為迅速，應力增量也較測站1明顯增大，煤柱深度3、6、9、12 m處煤柱應力最大增量分別為2.13、1.92、1.87、2.28 MPa；相對穩(wěn)定階段處于回采工作面后方100 m以后，煤柱應力基本保持穩(wěn)定。

測站3煤柱應力增量變化如圖11所示。在未切頂卸壓段，6 m深測點的數(shù)據(jù)從安裝完成后一直處于緩慢下降的狀態(tài)，推測該測點傳感器損壞。而在3、9、12 m深處，煤柱應力最大增量分別為2.9、2.5、3.3 MPa，該段煤柱應力增量整體明顯高于切頂卸壓段。

圖11 測站3煤柱應力增量Fig.11 Stress increment of coal pillar at station 3

通過3個測站數(shù)據(jù)的對比可以得出，受工作面回采影響，縱向切槽水力壓裂段煤柱應力增量相對普通水力壓裂段和未壓裂段明顯較小，水力壓裂切頂卸壓效果明顯好于普通壓裂段和未壓裂段。

(2) 相鄰巷道變形。由于何家塔煤礦煤層埋深較淺，煤層強度較高，3個鄰近巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)均較小，最大變形量僅為2 mm，對比效果不明顯。

(3) 三角區(qū)懸頂情況。切頂卸壓段工作面端頭三角區(qū)懸頂照片如圖12、圖13所示。其中，切槽壓裂段三角區(qū)頂板懸頂長度平均3.7 m，普通壓裂段懸頂長度平均6.2 m，未壓裂段懸頂長度平均8 m。

圖12 縱向切槽壓裂段三角區(qū)頂板垮落效果Fig.12 Effect of roof caving in triangular zone of hydraulic fracturing with longitudinal notch

圖13 普通壓裂段三角區(qū)頂板垮落效果Fig.13 Effect of roof caving in triangular zone of common hydraulic fracturing

從懸頂區(qū)域的長度來看，切槽壓裂段明顯小于其他2個區(qū)域，且從現(xiàn)場效果來看，切槽壓裂段頂板斷裂較為整齊。

5 結論

(1) 基于強烈動壓巷道水力壓裂切頂卸壓原理，研制開發(fā)了一種鉆孔縱向切槽鉆頭，切槽效率比傳統(tǒng)的橫向切槽鉆頭效率提高30%～50%。

(2) 實驗室和井下鉆孔切槽試驗表明，該鉆頭可有效實現(xiàn)孔內(nèi)縱向切槽，切槽深度滿足強烈動壓巷道水力壓裂切頂卸壓要求。

(3) 井下試驗表明，縱向切槽水力壓裂主導裂縫沿巷道軸向(切槽方向)起裂和擴展，擴散范圍達20～30 m，起裂壓力明顯小于不切槽水力壓裂的起裂壓力。

(4) 受工作面回采影響后縱向切槽水力壓裂段煤柱應力增量相對普通水力壓裂段和未壓裂段明顯較小，水力壓裂切頂卸壓效果明顯好于普通壓裂段和未壓裂段。

(5) 縱向切槽水力壓裂切頂卸壓段工作面端頭三角區(qū)懸頂長度明顯小于不切槽壓裂段和未壓裂段，且頂板斷裂較為整齊。