特厚煤層地面L 型水平井分段壓裂技術應用研究

門 鴻，趙華全，竇桂東，賈增林，高永剛，嚴 斌，謝 非，武 亮

（1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 彬州 713500；2.陜西彬長礦業集團有限公司，陜西 咸陽 712000；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013）

沖擊地壓災害目前是制約煤礦安全生產的主要災害之一。近年來，在沖擊地壓災害治理措施上，有大孔徑卸壓、煤層爆破卸壓、頂板爆破預裂以及井下超長鉆孔水力壓裂等技術，但都只局限于對煤層或煤層上方中低位頂板局部或小區域進行預卸壓，目前，煤層上方強度大、破斷步距大、影響范圍廣以及力學行為復雜的高位大面積堅硬頂板是引發大面積頂板沖擊的主要因素之一。

針對特厚沖擊地壓煤層開采，謝和平等[1]揭示了圍巖巷道圍巖采動應力環境及采動力學特征，形成了卸壓開采、加強支護、預裂弱化為一體的防治技術手段；潘俊鋒等[2-3]提出了“人造解放層”防沖理論，為地面水平井分段壓裂奠定了理論基礎，以提供沖擊啟動力源的硬厚頂板為靶點，開展千米順層鉆孔區域壓裂的區域防沖技術，圍繞堅硬頂板預裂弱化方面，代表性的有水力壓裂、鉆孔爆破等技術，目前在彬長礦區得到廣泛應用并取得了良好的實踐效果。近年來，針對特厚煤層開采過程中礦壓顯現特征及頂板破斷形態[4-7]，以及大巷群[8]面臨的沖擊問題，專家學者通過理論分析、數值模擬及現場監測相結合進行了深入研究分析；同時，針對陜北礦區淺埋煤層開采期間及大同礦區[4，9-11]堅硬難垮落頂板采取深孔松動爆破及井下頂板水力壓裂進行了研究分析，部分研究成果確定了關鍵層位的破斷及垮落規律；對井下長鉆孔水力壓裂后巖層的裂縫發育效果[12]、巷道上覆巖層頂板預卸壓[13]、非穩定激勵產生的動力效應[14]以及數值模擬壓裂后的效果[15-16]等均進行了研究，結果表明，采用井下長鉆孔壓裂，對回采工作面的周期來壓步距以及巖層弱化程度[17]均有一定的作用，但只僅限于局部或小區域范圍；針對地面壓裂技術的發展和研究，國內外石油、天然氣開發領域學者們也進行了大量的研究[18-21]，給出了地應力環境條件下的水力壓裂擴展規律，并且采用多種監測手段進行了實時監測研究。

1 地面水平井分段壓裂技術

1.1 研究背景

彬長礦區礦井開采主要為深部開采，在開采過程中主要受高位厚硬覆巖影響，容易形成大面積懸頂，當懸頂面積達到極限時，高位厚硬巖體發生斷裂，隨之巖體內彈性能大量釋放，引發強沖擊礦壓及震動，隨之造成巖體動力災害。

在眾多沖擊地壓災害防治探索中，采用大孔徑卸壓、煤體爆破卸壓、頂板巖層爆破預裂等措施，雖然已取得了良好的防治效果，但高位大面積厚硬巖體仍然是工作面回采過程中成為發生高動載力源隱患。因此，將煤層上方高位頂板進行區域大面積頂板弱化改性是防止工作面回采期間發生沖擊的有效途徑。

1.2 地面L 型水平井分段壓裂思路

特厚煤層開采后覆巖運移范圍廣，不同層位堅硬巖層破斷規律、結構特征及其礦壓作用強度隨之不同。近場主要呈現為“懸臂梁+砌體梁”結構特征，造成工作面大小周期來壓。而遠場主要分布在基本頂范圍以上的堅硬巖層，破斷形態布局大，影響范圍廣，易造成工作面強礦壓及沖擊動力顯現，造成巷道變形等現象。

地面水平井分段壓裂技術是煤層氣開發過程中普遍使用的一種增產技術，其作用機理是將壓裂液通過液壓泵泵入儲層，使得在目標層內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的人工增透裂縫，通過地面對高位堅硬頂板實施壓裂改性，降低巖層的整體性及其破斷強度，達到控制強礦壓的目的，進而降低工作面回采過程中的沖擊風險。

2 巖層破斷機理

煤層頂板地面水平井壓裂主要受煤層頂板破斷及采動應力場影響，因此煤層地面分段壓裂有其特殊性，頂板壓裂層位、井口布置、壓裂參數及裂縫擴展監控等均對壓裂效果產生直接影響。

地面水平井分段壓裂裂縫形態可分為3 種[22]：①水壓裂縫降低巖層的有效厚度，將完整巖層分為2 層或若干層；②水壓裂縫在厚硬巖層內形成垂直裂縫面或在某一集中區域自上而下形成水平裂縫面將巖層劃分為2 段；③地面壓裂后形成若干垂直裂縫面，將厚硬巖層沿水平方向（平行工作面推進方向）分為若干段。地面壓裂后上覆厚硬巖層不同賦存狀態如圖1。

圖1 地面壓裂后上覆厚硬巖層不同賦存狀態示意圖Fig.1 Schematic diagram of different occurrence states of thick and hard overlying strata after surface fracturing

2.1 水平裂縫對頂板破斷弱化的影響

假設遠場堅硬巖層長度為l[23]。根據材料力學基本巖梁模型，可簡化為兩端固支梁模型，頂板任意一點正應力σ 為：

式中：M為該點斷面彎矩；y 為點距斷面中性軸的距離；h 為巖層高度。

拉應力達到巖層極限抗拉強度στ，巖層將發生拉伸破斷，得到堅硬巖層的極限跨距lmax：

式中：q0為堅硬頂板承受的單位面積載荷，包括巖層質量。

假設巖層發生整體平滑，將裂縫面分為上下2部分，分別為h1和h2，此時上下巖層是否發生同步運動。煤層上覆堅硬頂板水平裂縫面壓裂后賦存狀態如圖2。

圖2 煤層上覆堅硬頂板水平裂縫面Fig.2 Horizontal crack surface of hard roof overlying coal seam

假設下位巖層h1發生破斷運動，則其不受載荷上覆巖層載荷影響，所承受的載荷僅為自重應力，頂板受下層位巖層的夾持作用力（q1）1為：

式中：ρ 為巖層密度。

則下位巖層破斷步距l11和上位巖層破斷步距l12分別為：

式中：E 為頂板彈性模量。

因h1滿足0＜h1＜h/2，則有ρgh2/h1＞2ρgh，此時l11＜lmax一直成立，即分層后下分層的破斷步距l11小于巖層整體的破斷步距lmax。

2.2 垂直裂縫面賦存對頂板破斷的影響

當巖層發生垂直裂縫時，則巖體頂板整體分為2 塊，分別為A、B，長度l1和l2，巖層垂直分為截面1～3，煤層上覆堅硬頂板垂直裂縫面如圖3。

圖3 煤層上覆堅硬頂板垂直裂縫面Fig.3 Vertical crack surface of hard roof overlying coal seam

當巖層中存在垂直裂縫面分布時，此時巖層不再處于兩端固支梁受力狀態，兩側塊體A、B 可認為類似鉸接結構。以塊體A 為例分析，塊體A 受自身及上覆巖層作用，受到垂向力QA，端部支撐力RA，受到塊體B 對A 的水平推力T，以及回轉過程中裂縫面上的摩擦力FA，若A 處于平衡狀態，塊體A 受力分析如圖4。

圖4 塊體A 受力分析Fig.4 Force analysis of block A

水力壓裂后，巖層破斷所表現出各向異性的破斷規律，在巖石內部會形成不規則的橫向或者豎向裂縫，水壓裂縫在集中力作用下易在裂縫面周圍產生應力集中，進一步造成裂縫面周圍巖體的破壞損傷，減弱塊體A 和塊體B 之間的水平作用力，此時裂縫面兩側塊體在垂向力作用下更易于發生破斷回轉，造成A 和塊體B 在兩側固支端發生破斷，引起巖層的失穩。因此在垂直水壓裂縫面賦存條件下，巖層更易沿著裂縫面處發生回轉，若裂縫面位置在巖層初次破斷步距范圍內，則此時巖層的破斷步距、破斷失穩強度都將減弱，有利于降低巖層破斷失穩的礦壓作用強度。

3工程設計

3.1 地面壓裂層位選取

在選取目標層位時，應考慮巖層破斷釋放能量最大，礦壓作用最強烈的厚硬巖層，以小莊礦40302工作面為背景開展實測。

小莊礦40302 工作面主采4 煤層，位于三盤區東翼，工作面設計可采長度1 544.3 m，傾向長度196 m，平均可采厚度25.5 m，煤層傾角1°～6°；工作面上覆多層堅硬巖層，以含粗砂巖為主，厚度21.2～33.5 m，平均約28.5 m（含上部砂巖），距離煤層頂板50～70 m，平均60 m，是造成工作面強礦壓顯現的主要因素，該巖層定位為壓裂目標層。40302 工作面煤巖層力學性質參數（XZ1903 鉆孔）見表1，40302 工作面煤巖層取樣參數不代表煤巖層的實際厚度。

表1 40302 工作面煤巖層力學性質參數（XZ1903 鉆孔）Table 1 Mechanical property parameters of coal strata at 40302 working face（Borehole XZ1903）

3.2 施工設計

3.2.1 壓裂質量控制

對BFMF-1 一體化高效稠化劑進行取樣，外觀半透明色液體、分散均勻，無分層，提取現場水樣，觀察水樣澄清透明，無雜質，無沉淀物，pH 為7.6；采用0.15%～0.30% BFMF-1 一體化高效稠化劑+現場壓裂用水進行配比。不同濃度BFMF-1 一體化高效壓裂液體系黏度測試見表2。

表2 不同濃度BFMF-1 一體化高效壓裂液體系黏度測試結果Table 2 Viscosity test results of BFMF-1 integrated high efficiency fracturing fluid system with different concentrations

40302 工作面XZ-01L、XZ-02L 井設計分別使用一體化高效壓裂液20 676、18 000 m3，考慮到備用量，壓裂施工共準備22 000、19 000 m3。暫堵劑準備量分別為6 800、6 600 kg。

3.2.2 井位設計及鉆井工藝

40302 工作面上覆目標巖層隨回采及時垮落，充分考慮井場布置的地形條件、頂板硬厚巖層展布形態、水平井水力壓裂裂縫擴展范圍、已形成巷道的安全等因素，設計在40302 工作面部署水平井2口，XZ-01L 和XZ-02L 水平井，井口在工作面對應中間位置部署，分別向切眼和終采線施工。XZ-01L水平井水平段北距離工作面回風巷150 m，南距離運輸巷45 m，末端為終采線，著陸點西距離終采線800 m；XZ-02L 水平井水平段北距離工作面回風巷140 m，南距離運輸巷55 m，末端為切眼，著陸點東距離切眼750 m。2 口井位置分布圖如圖5。

圖5 水平井井位部署位置示意圖Fig.5 Deployment position diagram of horizontal well

鉆孔采用三開結構，一開φ444.5 mm 孔徑，下J55φ339.7 mm×10.92 mm 表層套管；二開φ331.1 mm 孔徑，下J55φ244.5 mm×8.94 mm 技術套管；三開φ215.9 mm 孔徑，下P110φ139.7 mm×7.72 mm 技術套管。

3.2.3 壓裂工藝

XZ-01L 井壓裂段數17 段，XZ-02L 井壓裂段數15 段，為實現大排量體積壓裂及復雜縫網的壓裂目標，選用電纜泵送橋塞射孔聯作壓裂工藝技術，壓裂段間距50 m，2 簇射孔，簇間距15～20 m，每簇1 m，10 孔/m 的射孔，壓裂液排量10～12 m3/min，壓力約為20～30 MPa，液量1 300～1 500 m3，暫堵壓裂采用高黏活性膠+暫堵壓裂工藝或高黏活性膠+交聯凍膠+暫堵壓裂工藝；采用100 目（150 μm）粉砂和40/70 目（380/212 μm）石英砂比列控制在3∶1～2∶1之間，控制在35～40 m3。

3.2.4 井-地微震聯合監測

地面壓裂裂縫的擴展主要采用井-地微震聯合監測的方法，其工作原理主要利用壓裂時產生的微地震，采用監測系統對地震波進行實時捕捉，根據地震波速度結構、破裂定位與破裂能量分布情況，進行數據處理形成微地震三維影像；采用檢波器進行監測，其定位必須用高精度GPS 準確定位（GPS 精度≤1.0 m），地面檢波器的埋置深度≥10 cm，圍繞壓裂井壓裂段垂直放置，井下采用ARAMISM/E 微震監測系統及ARES-5/E 地音監測系統對上覆巖層破斷進行實時監測。

4 工程實踐

壓裂井的整體結構為三開井身結構。

XZ-01L：一開井深260 m，且進入洛河組穩定基巖不少于10 m，下J55 φ339.7 mm×10.92 mm 表層套管；二開井深865 m，目標層安定組底部含礫中粗砂巖和細砂巖復合頂板，下J55 φ244.5 mm×8.94 mm 套管；三開井深1 665 m，下P110 φ139.7 mm×7.72 mm 套管完鉆。XZ-02L：一開井深300 m，且進入洛河組穩定基巖不少于10 m，下J55 φ339.7 mm×10.92 mm 表層套管；二開井深865 m，目標層安定組底部含礫中粗砂巖和細砂巖復合頂板，下J55 φ244.5 mm×8.94 mm 套管；三開井深1 615 m，下P110 φ139.7 mm×7.72 mm 套管完鉆。

首先在壓裂目標層區域進行射孔，在壓裂井四壁形成多個小孔，使壓裂液能夠通過小孔進行擴展，實現壓裂。適當的裂縫間距可以達到最佳的釋放地層應力和避免縫間應力干擾，XZ-01L 井、XZ-02L 井水平井分段優選為50 m/段，分別為16 段和17 段。施工排量10～12 m3/min，每段施工支撐劑用量：不低于35 m3，每簇不低于17.5 m3；其中100 目（150 μm）粉砂約占60%～75%；40/70 目（380/212 μm）石英砂約占25%～40%，每段施工壓裂液用量：低傷害高黏活性膠1 300～1 500 m3。

5 效果評價

5.1 微地震監測對壓裂效果評價

通過微地震監測分析，2 口井壓裂裂縫實際切割形態達到設計要求的95.5%、98.5%，縫帶長符合率達到97.4%、98.4%；縫帶高符合率達到84.2%、90.2%，縫帶寬符合率達到100%。井外包絡體（MSRV）壓裂井各段HDS-SRV 統計見表3。

表3 壓裂井口各段M-SRV 和HDS-SRV 統計表Table 3 Statistical table of M-SRV and HDS-SRV for each stage of the fractured wellhead

事件點的外包絡體（M-SRV）體積大小分別為0.32×108、0.31×108m3，井筒上方20 m、下方20 m 內整體壓裂改造的效果較好。統計其（HDS-SRV）體積分別為0.25×108、0.23×108m3；M-SRV 平均值分別為253×104、211×104m3，HDS-SRV 平均值為190×104、144×104m3。根據微地震事件的震源機制反演結果，得到每個微地震事件破裂的類型、微裂縫的傾角及方位，得到DFN-SRV 體積分別為2.2×107、1.7×107m3。

5.2 縫網復雜度評價

分別把單段的震源機制解所描述的破裂方位相近、相鄰的微裂縫連在一起，孤立的微裂縫被排除掉，建立單段的微地震破裂有效微裂縫網絡。根據描述的縫網形態分類分為2 類，Ⅰ類的特征是主縫為主，Ⅱ類的特征是主縫+次生縫，在此基礎上根據連通縫網所占整個壓裂波及范圍的比例把縫網復雜度分為3 個等級：縫網復雜度高（復雜），縫網占波及范圍的比達到85%；縫網復雜度一般（較復雜），縫網占波及范圍的比達到60%；縫網復雜度低（縫網簡單），縫網占波及范圍的比小于60%。XZ-01L縫網復雜度高（復雜）共17 段，占比100%，總體改造效果較好。XZ-02L 其中縫網復雜度一般（較復雜）共2 段，占比13%，縫網復雜度高（復雜）共13段，占比87%，總體改造效果較好。

5.3 暫堵效果分析

縫內暫堵轉向有利于增加裂縫復雜程度，增加改造有效性，現場開展了縫網延伸和暫堵效果的實時監測工作，并及時與壓裂指揮溝通，對現場施工監測和工藝評價起到了一定的指導作用。XZ-01L井一共暫堵了17 段，XZ-02L 井一共暫堵了15 段，暫堵后事件個數有一定的增加，同時暫堵后的裂縫長度、寬度、高度均有所增長，響應暫堵效果較為明顯，提高改造的范圍及復雜度。2 口井暫堵前后事件分布如圖6。

圖6 XZ-01L、XZ-02L 井暫堵前后事件分布俯視圖Fig.6 Top view of events distribution before and after temporary plugging of wells XZ-01L and XZ-02L

暫堵前微震事件分布達到約110 m。第1 次暫堵后，裂縫擴展微震事件可達到約210 m；第2 次暫堵后，裂縫擴展微震事件可達到約390 m；第3 次暫堵后，裂縫擴展微震事件和第2 次暫堵基本保持一致，因此，3 次暫堵可達到裂縫擴展最佳效果。

5.4 井下微震-地音監測分析

5.4.1 微震監測分析

XZ-01L 井壓裂期間井下微震系統累積監測事件41 起，總能量7.86×104J。其中1 次方微震事件0起，2 次方微震事件14 起，3 次方微震事件27 起，無4 次方及以上事件。壓裂期間，大部分壓裂段的微震事件沿最大水平應力方向擴展，壓裂前中期微震響應較差，壓裂中后期，壓裂位置逐步接近DF5斷層，微震活動性大幅提升。整體上來看，大部分微震事件分布在40302 工作面運輸巷一側，斷層、地應力會對壓裂效果產生影響。壓裂期間微震事件分布較少且具有滯后性，整體上看壓裂初期井下微震監測均無微震事件的發生，微震事件主要發生在添加暫堵之后。

XZ-02L 井壓裂期間井下微震系統累積監測事件20 起，總能量9.07×104J。其中1 次方微震事件0起，2 次方微震事件6 起，3 次方微震事件14 起，無4 次方及以上事件。壓裂期間，大部分壓裂段的微震事件沿最大水平應力方向擴展，壓裂前期微震事件沿40302 運輸巷附近分布較多，壓裂后期，微震事件開始隨著壓裂里程的推進沿40302 回風巷分布較多。地應力、采空區、斷層、以及褶曲會對壓裂效果產生影響。

壓裂后微震監測影響范圍如圖7。

XZ-01L、XZ-02L 井壓裂期間井下監測的微震事件分布區域遠廣于壓裂設計區，壓裂期間微震事件在東西方向的分布范圍為857、790 m，南北方向分布范圍為380、390 m，微震事件的高程主要分布在375～450、390～410 m，壓裂過程對井下圍巖的宏觀破裂具有明顯的誘發作用。

5.4.2 地音監測分析

統計參與壓裂的4 個地音探頭D4、D12、D13、D14 所接收到的數據，XZ-01L、XZ-02L 井壓裂期間井下地音系統累計監測事件分別為273 746、680起，總能量約為1.35×108、544 593 J，整體的壓裂中，壓裂前期的地音探頭響應較弱，壓裂中后期靠近DF5斷層時，地音活動性大幅提升，地音的能量和頻次一致性較強；整體上運輸巷的能量響應會比回風巷的要激烈，且運輸巷的地音頻次會比回風巷的要高；在壓裂前期，運輸巷的地音能量遠高于回風巷的地音能量，而同時在前期微震事件較多處于回風巷一側，與地音的監測結果一致。

6 壓裂后效果分析

6.1 微震監測分析

選取未施工地面水平井壓裂工程的40205 工作面和40302 工作面通過微震監測數據對比分析，任選2 個工作面1 個月的微震監測數據進行統計對比分析，微震監測數據統計表見表4。

表4 微震監測數據統計表Table 4 Statistical table of micro-seismic monitoring data

地面水平井分段壓裂工程未施工和施工后的工作面進行對比分析，結果顯示：未壓裂工作面當月最大微震能量達到9.9×103J，壓裂后工作面當月最大微震能量為4.8×103J，降低51.5%；總頻次工作面未壓裂時當月達到9 742 個，通過地面壓裂后減少至570 個，微震總頻次降低94.1%，總能量降低94.6%；同時，2 次方微震事件和3 次方微震事件均有所降低，降低均達到90%以上。

6.2 現場壓裂效果

工作面壓裂期間，頂板上覆巖層裂隙導通，兩巷道出現淋水，主要從煤壁側魚鱗管流出，運輸巷路面積水深200 mm，長10 m，回風巷積水深達到400 mm，長度達到30 m，不同區域路面有積沙，黃泥。

當工作面回采進入壓裂區域范圍后，工作面支架及超前支護范圍特征進行對比，工作面未壓裂時，回采過程中超前巷道礦壓顯現強烈，兩幫收斂量達到1 400 mm 以上，工作面支架壓裂分布不均，周期來壓期間工作壓力顯現明顯；工作面壓裂后，兩幫收斂量不足200 mm，工作面壓力分布均勻，支架阻力降低32%，煤壁片幫率降低34%，為工作面回采提供了良好的條件。

7 結 語

1）針對深部特厚沖擊地壓煤層開采過程中上覆高位大面積堅硬頂板難垮落、礦壓強度大的問題，提出了地面L 型水平井分段壓裂技術并對巖體破斷規律進行分析。

2）對地面水平井分段壓裂技術在施工過程中的目標巖層確定、井口位置選取、壓裂參數確定等技術參數進行研究，通過地面及井下聯合監測，對壓裂后裂縫的擴展規律進行分析。

3）通過理論和現場實踐結果研究，地面水平井分段壓裂裂縫可覆蓋整個回采工作面，對上覆高位堅硬頂板弱化改性起到良好的效果，與傳統井下水力壓裂相比，對頂板弱化的范圍更廣，同時可避免井下施工期間的生產影響，壓裂層位選取更加靈活。

4）地面壓裂施工完成后，工作面回采期間兩巷道超前區域兩幫收斂量、底鼓量均有明顯降低，微震總頻次降低94.1%，總能量降低94.6%，2 次方和3 次方微震事件頻次降低均達到90%以上。