采動影響下鄰空定向鉆孔整體水力壓裂瓦斯抽采技術

陳冬冬

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710054）

隨著煤炭工業的規模化、集約化發展，常規密集鉆孔的瓦斯預抽方式面臨鉆孔施工量大、抽采達標周期長等不足，難以實現區域瓦斯超前治理，制約了該類礦井煤炭產業的高效發展[1-2]。對于煤礦井下瓦斯治理而言，要實現超前規劃并布置瓦斯抽采巷道，進而實施瓦斯預抽工程，才能逐步扭轉瓦斯治理“被動”局面。雙巷掘進作為一種空間超前、利于采掘接替的巷道布置方式[3]，被廣泛應用于高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井中。該布置方式將雙巷中的外側巷道作為鄰近工作面的回采巷道，利用外側巷道向鄰近工作面超前實施瓦斯預抽鉆孔，可為鄰近工作面的煤層瓦斯治理提供空間和時間保障。同時，瓦斯高效抽采的關鍵在于有效提升煤層的滲透性，井下定向長鉆孔水力壓裂技術為煤層區域增透與瓦斯超前高效抽采提供了技術支撐[4-7]。

在一側“雙巷”布置工作面回采過程中，“雙巷”中的外側巷道作為鄰空巷道[8]，在采動側向應力疊加狀態下，在該巷道施工順煤層水力壓裂鉆孔，存在鉆孔變形量大甚至塌孔以及無法有效封孔等問題，對于該問題，現有的定向鉆孔水力壓裂工藝無法適應，制約鄰近工作面瓦斯高效超前抽采和礦井接續。因此，探索適合于采動影響下鄰空定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術，對于解決瓦斯預抽和采掘接替的時空矛盾，豐富煤礦井下定向鉆孔水力壓裂技術體系有著重要的現實意義。為此，以黃陵礦區某工作面一側“雙巷”布置為工程背景，針對鄰空定向鉆孔實施水力壓裂所面臨的技術難題，改進鉆孔布孔方式、水力壓裂工藝和施工參數，探索出井下定向鉆孔水力壓裂技術新模式。

1 工程背景

研究區域位于黃陵二礦2 號煤層北一采區，該區域煤層埋深630 m，平均煤厚3.75 m，煤的堅固性系數f 約為1.16，屬中等硬度煤層，2 號煤層瓦斯含量為2.10～5.97 m3/t。工作面采用走向長壁綜合機械化采煤法，傾向長度300 m。回采工作面一側巷道采用雙巷布置，即工作面運輸巷和輔運巷，二者間留設煤柱寬度為35 m。

實施地點位于209 工作面輔運巷，其亦作為211 工作面回風巷使用。211 工作面切眼區域煤層瓦斯含量高且預抽時間短，故利用209 輔運巷向211工作面切眼及其附近區域超前實施本煤層瓦斯抽采鉆孔，并采用定向鉆孔水力壓裂增透的方式，加快瓦斯預抽效率。定向鉆孔實施時，209 輔運巷已進入209 工作面采空區，實施地點巷道布置、回采進度及預抽鉆孔設計。采掘現狀與災害治理示意圖如圖1。

圖1 采掘現狀與災害治理示意圖Fig.1 Diagram of mining status and hazard control

圖2 “先進頂板后入煤層”鉆孔剖面圖Fig.2 Borehole profile of“entering the roof before entering the coal seam”

設計水力壓裂鉆孔孔深約250 m，孔徑96 mm，采用定向鉆進工藝沿2 號煤層鉆進。基于工作面回采安全考慮和鉆孔深度設計，采用常規可回收拖動式封隔器快速封孔方式，封孔深度大于60 m，采取整體水力壓裂工藝[9]。在初期試驗中，研究區受209工作面回采擾動影響，鉆孔掉渣、塌孔現象頻發，且造成了孔內壓裂工具被埋、封隔器破損等情況，導致水力壓裂無法有效實施。

2 鄰空定向鉆孔布孔思路改進與關鍵參數確定

2.1 “先進頂板后入煤層”技術思路

由于巷道一側工作面回采形成采空區，受采動過程中側壓系數不斷變化，鄰空巷道及其一定范圍的鄰近工作面處于應力集中[10]，導致處于該影響范圍內的鉆孔穩定性喪失[11]。鉆孔失穩的本質是煤巖層自身強度無法承受施加的應力載荷[12]。試驗區2號煤層直接頂為細粒砂巖，抗壓強度為33.46 MPa，遠大于2 號煤層抗壓強度9.97 MPa。為此，提出“先進頂板后入煤層”的布孔思路，以解決鄰近采空區側向應力影響內煤層段塌孔及封隔器有效坐封問題。“先進頂板后入煤層”鉆孔剖面圖如圖3，即在鄰空巷道煤層中開孔，隨即進入煤層頂板穩定砂巖中鉆進，利用定向鉆進軌跡可調、可控的優勢，在超過影響煤層成孔的側向應力影響范圍L 后進入煤層中，實施順層鉆進直至達到設計孔深。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

2.2 關鍵參數確定

見煤點B 與開孔點O 的距離為L，L 值是保障鉆孔有效成孔、水力壓裂成功實施和安全保障的關鍵參數。L 值為圖3 中鉆孔長度OAB 段在煤層層面的投影長度，主要受定向鉆桿彎曲強度、壓裂安全距離及采動側向應力集中范圍等3 種因素影響。

2.2.1 考慮鉆桿彎曲強度的L 值（Lz）計算

定向鉆孔軌跡計算方法一般選擇以開孔點為原點，通過下1 個測點的孔深、傾角和方位角等基本要素值計算出坐標增量，依次類推獲得每個測點的相對坐標值，進而計算出不同孔深的鉆孔軌跡數據。定向鉆孔的軌跡計算受鉆具彎曲強度限制，常用的定向鉆桿的可彎曲性為每6 m 角度變化幅度為0.75°～1.0°[13]，故LOAB可用下式計算：

式中：LOAB為弧OAB 段長度，m；a 為鉆孔開孔角度，（°）；Lz為考慮鉆桿彎曲強度的LOAB在煤層層面的投影長度，m。

結合209 輔運巷現場施工條件，設計開孔角度約為6°，經計算，LOAB為72 m，Lz為71.6 m。可以看出，在開孔角度較小時，L≈LOAB。

2.2.2 考慮壓裂安全距離的L 值（La）計算

長鉆孔水力壓裂需要在大流量、高壓水動力條件下實施[14]，因此，為保障水力壓裂施工過程的安全，應使巷道與鉆孔最近壓裂點保留一定的安全間距。采用順層鉆孔時，安全距離為封孔段長度，采用本文布孔方式時，即為L 值（La）。水力壓裂安全距離參照《煤礦防治水細則》中含水或者導水斷層防隔水煤（巖）柱的留設經驗公式計算：

式中：La為水力壓裂施工安全距離，m；k 為安全系數，取2～5；m 為煤層厚度或者巷高，m；Rt為煤體抗拉強度，MPa；p 為泵注壓力最大值，取煤層破裂壓力，MPa[15]。

式中：pf為煤層破裂壓力，MPa；θ 為鉆孔沿環向切應力最大方向的起裂角，（°）；σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；H 為煤層埋深，m。

結合研究區2 號煤層埋深與地應力數據，計算得出，最大破裂壓力為24.5 MPa，L 值（La）為52 m。

2.2.3 考慮側向應力集中的L 值（Ly）計算

采用數值模擬方法分析工作面回采過程中對鄰近工作面的側向應力影響。根據工作面設計及煤巖層參數。構建756 m×500 m×127 m 的計算模型，煤巖物理力學參數見表1，幾何模型如圖3。模型兩側施加水平方向位移約束，限制其在水平方向的位移，垂直方向不限制，頂部施加13.35 MPa 垂直應力，固定底邊邊界；運用FLAC3D空單元模擬對工作面進行開挖[16]，模擬受209 開采影響的211 工作面內煤層、頂板側向垂直應力分布及應力集中影響范圍。

表1 煤巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

工作面未回采時應力分布如圖4，回采過程中平面應力分布如圖5，回采過程中傾向應力分布如圖6。

圖4 工作面未回采時應力分布Fig.4 Stress distribution of working face without mining

圖5 回采過程中平面應力分布Fig.5 Plane stress distribution during mining

圖6 回采過程中傾向應力分布Fig.6 Inclined stress distribution during mining

從圖4 可以看出：工作面尚未回采時，僅有巷道掘進時引起的應力重新分布，工作面內部應力未有明顯變化，模型僅在巷道及切眼區域有明顯的應力集中現象。

從圖5、圖6 可以看出：隨著工作面的不斷推進，應力重新分布范圍形態沿采空區環狀分布，鄰近工作面受到明顯的采動應力影響，側向最大應力為22.0 MPa，應力集中系數1.7，應力能夠影響到鄰近工作面內90 m 范圍。

需要說明的是，模擬得出的90 m 是側向應力值完全恢復到煤層原始應力的范圍，而實際上，煤層自身有一定的強度，能夠承受一定的側向應力，因此，在其范圍內，存在一個不影響煤層成孔的應力范圍深度，這個深度采用模擬軟件無法準確得出。故在模擬結果的基礎上，采用鉆探實際探查方法，開展不影響煤層成孔的側向應力影響范圍探查。以鉆孔不出現塌孔、返渣量正常，能順利實施順層鉆進時的鉆孔深度為判識依據。經探查，211 工作面內不影響煤層成孔的側向應力影響范圍約為60 m，即考慮側向應力集中范圍的L 值（Ly）取60 m。

2.2.4 L 值綜合確定

綜合以上分析，見煤點B 點與開孔點的距離L應滿足處于影響煤層成孔的側向應力影響范圍之外，滿足水力壓裂施工安全距離的要求，且大于穿越巖層段的最小鉆孔長度，故L=max［Lz；La；Ly］，綜合上述各項數值計算和分析成果，確定L 值應不小于71.6 m。

3 鄰空定向鉆孔水力壓裂設計與施工

3.1 定向長鉆孔施工

在209 工作面已回采完畢區域，利用209 工作面輔運巷向211 工作面（長度300 m）方向施工完成3 個“先入頂板后進煤層”定向鉆孔，編號分別為1#、2#和3#鉆孔，鉆孔長度240～270 m，其中巖孔段（L值）長度為105～117 m，煤層段長度126～165 m，孔徑96 mm。鄰空定向鉆孔實鉆圖如圖7，鉆孔成孔參數見表2。

表2 鉆孔成孔參數Table 2 Borehole-forming parameters

圖7 鄰空定向鉆孔實鉆圖Fig.7 Drill drawing of directional drilling in gob-side

3.2 水力壓裂工藝設計

采用鉆孔整體壓裂方式，根據鉆孔軌跡及鉆探施工情況，在頂板砂巖層進行裸眼坐封，分隔器位于穩定巖層段，距離煤層大于2 m，且遠離孔口破碎段、距離孔口為60 m（圖7（b））。

考慮水力壓裂過程中由于停電、停水等其他因素導致施工停待時造成管柱卸壓，導致封隔器頻繁解封和重復坐封等問題，將常規拖動式封隔器改為逐級解封封隔器，實現一次完成坐封，保障高效的施工效率。選取的水力壓裂孔內工具組合為：86 mm引鞋＋86 mm 單流閥＋86 mm 壓差滑套＋86 mm 逐級解封封隔器＋73 mm 高壓油管串。孔內壓裂工具連接與工藝示意圖如圖8。

圖8 孔內壓裂工具連接與工藝示意圖Fig.8 Connection and process diagram of the tool

逐級解封封隔器坐封與解封工藝為：封隔器下到設計位置后，開啟壓裂泵向油管內注水，液體經封隔器中心管上的進液孔推開凡爾，液體進入膠筒與中心管環形腔內，使膠筒膨脹。當壓裂管柱內壓達到設計值時，壓差滑套剪釘被剪斷，出水口打開，管柱壓力瞬間釋放，瞬間釋放的管柱壓力使封隔器凡爾恢復到原來位置，進液通道關閉，封隔器坐封完成，開始向孔內注水進行壓裂作業。壓裂后，上提一定距離管柱，使封隔器解封剪釘剪斷，排液通道打開，膠筒內液體流出，膠筒收縮，待膠筒收縮恢復后，完成解封，隨后可回撤孔內管柱和封隔器。

3.3 水力壓裂實施情況

選取BYW65/400 型煤礦井下、高壓力水力壓裂泵組完成了1#～3#鉆孔的水力壓裂施工，單孔壓裂段長度126～165 m，泵注壓力15.2～19.0 MPa，壓裂液用量248～315 m3，鉆孔水力壓裂施工情況見表3。

表3 鉆孔水力壓裂施工情況Table 3 Construction of hydraulic fracturing in borehole

封隔器坐封壓力曲線如圖9，初期泵注壓力平穩上升至1.0 MPa 左右，隨后控制泵注壓力緩慢上升，達到12.39 MPa 時壓力驟降（該壓力即為坐封壓力），壓差滑套打開，完成封隔器坐封，封隔器膨脹用時35 min。在鉆孔水力壓裂過程中孔口無明顯出水現象，進一步證實逐級解封封隔器坐封效果良好。

圖9 封隔器坐封壓力曲線Fig.9 Setting pressure curve of the packer

4 試驗結果

4.1 水力壓裂施工曲線

一般可根據壓裂過程中泵注壓力變化規律對裂縫發展形態進行判識。一個裂縫系統向另一個裂縫系統轉移的過程即可出現泵注壓力的起伏，多個裂縫系統轉化形成后即表征為泵注壓力的波浪形態（鋸齒狀）。泵注壓力曲線圖如圖10。

圖10 泵注壓力曲線圖Fig.10 Diagram of pumping pressure

從項目施工過程監測的泵注壓力來看，鉆孔泵注壓力曲線整體呈鋸齒狀上下波動的過程，代表著煤體內的裂隙的不斷發育、溝通與延展，表明泵注壓力能達到破裂煤層的目的。

4.2 水力壓裂增透范圍

將鄰近鉆孔（壓裂孔或預抽孔）作為水力壓裂影響范圍檢驗孔進行現場考察，結合鄰近孔出水情況，綜合得出水力壓裂影響半徑最小為36 m，最大達54 m。水力壓裂影響半徑考察表見表4。

表4 水力壓裂影響半徑考察表Table 4 Influence radius of hydraulic fracturing

4.3 鉆孔瓦斯抽采效果

對1#～3#鉆孔壓裂前、壓裂后的瓦斯抽采數據進行了連續監測，壓裂鉆孔瓦斯抽采效果對比見表5。

表5 壓裂鉆孔瓦斯抽采效果對比Table 5 Gas drainage effect of fracturing borehole

由表5 可知：壓裂前，1#～3#鉆孔瓦斯抽采體積分數平均為3.2%～20%，瓦斯抽采量平均為0.037～0.088 m3/min；壓裂后，鉆孔瓦斯抽采體積分數與抽采量平均值為51.1%～76.22%和0.212～0.40 m3/min，分別是壓裂前的4～16 倍和3～8 倍。由此可見，水力壓裂對提升煤層瓦斯抽采效率具有顯著作用。

收集了鄰近的209 工作面切眼區域未采取水力壓裂措施的煤層瓦斯預抽孔抽采數據，并與壓裂區域的瓦斯抽采效果進行了對比。結果表明：未壓裂區域鉆孔瓦斯百米抽采量僅為0.069 m3/min，壓裂區域內預抽鉆孔百米抽采量達0.118 m3/min，是未壓裂區域的2 倍；同時，壓裂區域瓦斯抽采體積分數大于40%鉆孔數量是未壓裂區域的2.2 倍，壓裂區域瓦斯抽采體積分數大于60%鉆孔數量是未壓裂區域的5.1 倍，壓裂區域整體瓦斯抽采效果良好，說明水力壓裂對煤層區域性增透提效有較好功效。

5 結 語

1）針對回采工作面一側“雙巷”布置形式采動影響下鄰空定向鉆孔無法實施水力壓裂的難題，提出了“先入頂板后進煤層”布孔方式。該布孔方式的主要關鍵參數為開孔點與再次見煤點的距離L 值，其需考慮定向鉆桿彎曲強度、壓裂安全距離及采動側向應力集中范圍等3 個因素影響，并給出了L 值綜合確定方法，以黃陵二號煤礦為例，確定L 值最小為71.6 m。

2）在黃陵二號煤礦209 工作面已回采區域，利用209 工作面輔運巷向211 工作面施工完成3 個“先入頂板后進煤層”定向鉆孔。鉆孔長度240～270 m，巖孔段（L 值）長度為105～117 m。采用整體壓裂工藝，優選采取逐級解封封隔器和配套孔內壓裂工具組合，實現單孔壓裂段長度126～165 m，泵注壓力15.2～19.0 MPa，壓裂液用量248～315 m3。封隔效果良好，驗證了布設方式和壓裂工藝的適用性。

3）實測1#～3#鉆孔水力壓裂影響半徑為36～54 m。壓裂后，鉆孔瓦斯抽采體積分數與抽采量為51.1%～76.22%和0.212～0.4 m3/min，分別是壓裂前4～16 倍和3～8 倍。同時，統計分析出壓裂區域內預抽鉆孔百米瓦斯抽采量為0.118 m3/min，是未壓裂區域的2倍；壓裂區域鉆孔瓦斯抽采體積分數也得到大幅提升，抽采體積分數大于60%鉆孔數量是未壓裂區域的5.1 倍。采用“先入頂板后進煤層”的鄰空定向鉆孔水力壓裂方式，既保證了壓裂過程的安全性，又顯著提升了煤層增透效果及瓦斯抽采能力。