郭莊礦井下新型水力壓裂技術的應用分析

賈 猛

（山東能源集團有限公司南美公司地礦公司，山東 鄒城 273500）

郭莊煤礦位于山西省長治市屯留縣。郭莊礦井下51928 綜采面煤層的平均厚度為7.3 m，綜采面的長度為133 m，煤層上側覆基巖的厚度在41～188 m 之間，上側覆巖從切眼到回撤通道處呈現了逐步增加的趨勢。該工作面寬 120 m，日平均進尺達 21 m，屬于典型的短工作面開采，而且巷道頂板巖層類型主要是砂巖和砂質泥巖，頂板的結構強度較大，屬于典型的硬質頂板結構，在開采以后難以進行自行垮落。回采期間綜采面的整體推進速度極快。井下回風巷位置接近F2 斷層區域，煤體的破碎度較高，比較容易發生冒頂和片幫事故。

目前煤礦對頂板治理的方式主要是爆破法，雖然整體工藝較為簡單，但成本和工程量較高，爆破時的危險系數大，難以滿足井下作業效率和安全性的需求。因此項目組和中煤科工集團共同開展技術攻關，結合井下地質情況，提出了一種定向長鉆孔雙封單卡多點拖動分段水力壓裂頂板弱化技術[1]，通過不動管柱投球分段水力壓裂和雙封單卡拖動管柱分段壓裂設備實現快速壓裂。該技術能夠促使井下頂板及時垮落，消除了頂板事故和瞬間颶風事故，提升了煤礦井下回采的安全性。

1 壓力層選擇及鉆孔布置

根據煤礦井下地質特性，識別出需要弱化的關鍵層，然后在關鍵層上設置預裂切縫并促使頂板在礦壓波動或者綜采擾動的作用下垮落一定的高度，從而填充滿采空區，對井下覆巖進行可靠支撐，減小上覆動載荷效應。井下頂板垮落高度可按式（1）進行計算[2]。

式中：M表示綜采高度，m；Kp表示井下巖層的碎脹系數；∑h為頂板垮落高度，m。

由于井下平均的綜采高度為7300 mm，巖石的碎脹系數為1.34，因此計算出頂板垮落高度需要21.47 m。井下地質狀況比較復雜，因此還需要根據井下鉆孔柱狀，合理地選擇綜采面的鉆孔位置。

施工區域，煤層上側覆基巖的厚度在41～188 m之間。煤層的直接頂是粉砂巖，平均厚度為10.9 m；基本頂是細砂巖，平均厚度為12.6 m；直接底是由泥巖和粉砂巖混合構成的，泥巖的平均厚度為6.1 m，粉砂巖的平均厚度為5.7 m。結合頂板厚度的要求和井下地壓顯現規律，最終將鉆孔層布置到綜采面上部的基本頂層的細砂巖內，離煤層頂板約22.4 m的位置。共布置壓裂鉆場1 個，每個鉆孔的直徑設置為95 mm，每個鉆孔需要直接鉆到直接頂內，二開擴孔為153 mm，然后下入一個長度11 m 的套管，按照設計軌跡開95 mm 的鉆孔并一直鉆進到底。

鉆場布置在綜采面回風巷，共設置一個鉆場，3 個鉆孔，鉆孔的總長為445～520 m 之間。由于井下綜采面的長度僅133 m，是一個短綜采面，因此為了加快壓裂施工速度，可以在綜采面中間位置設計一個鉆孔，鉆孔的軌跡和兩巷的安全距離設置為66 m。井下鉆孔剖面如圖1。

圖1 井下鉆孔剖面示意圖（m）

2 分段水力壓裂施工

鉆孔設置完成后開始進行水力壓裂，水力壓裂施工包括了水力壓裂準備階段、水力壓裂封孔試壓階段、水力壓裂高壓注水分段壓裂階段以及最后的停泵回收階段[3]。為了提高井下水力壓裂效果和可靠性，項目組聯合開發了定向長鉆孔雙封單卡多點拖動分段水力壓裂頂板弱化技術，通過不動管柱投球分段水力壓裂和雙封單卡拖動管柱分段壓裂設備[4]實現快速壓裂。

在施工時，首先把壓裂工具送到鉆孔的指定位置，然后通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段，通過在封隔器中設置的平衡卸壓通道，實現高壓管柱壓裂液和封隔器壓裂的平衡傳遞。利用泵對壓裂液加壓到3 MPa，然后封隔器完全坐封，繼續再把壓裂液的工作壓力增加到4.9 MPa，再打開限流器，對預定的壓裂段進行施工，完成多拖分壓的第一階段施工，如圖2（a）。

圖2 井下單卡多點拖動分段水力壓裂流程圖

在完成第一階段施工后，關閉壓裂泵并完成孔口排水卸壓，封隔器在自身作用下回彈到最初的結構狀態，然后通過定向鉆機把封隔器拖動到第二階段注漿壓裂的位置。同樣按第一階段的壓裂工藝流程，完成對此區域內的第二階段壓裂施工，如圖2（b）。

3 水力壓裂參數分析

在井下設置壓裂泵工作狀態監測系統，對整個水力壓裂過程中的工作壓力和工作流量進行實時監測[5]。井下鉆場鉆孔施工參數見表1。

表1 鉆孔施工參數匯總表

以1 號鉆孔為例，對壓裂過程中第一段和第三段的壓力技術參數進行分析。在壓裂過程中的注水壓裂和注水量變化情況如圖3。

圖3 鉆孔過程中壓裂參數變化曲線

根據監測結果，在鉆孔內的封隔器[6]設置完成后，開始進行注水壓裂。當在第一段（313.01～318.79 m）水力壓裂的壓力達到30.7 MPa 后，壓差滑套開始啟動，鉆孔中開始出現裂紋。在此后的一段時間內水壓開始出現波動，表明在壓裂過程中鉆孔中的裂紋不斷的擴展。第一段的整個壓裂周期為91 min，注水量達到了35.5 m3，工作過程中的最大壓降為6.3 MPa。在第三段（248.37～254.15 m）壓裂時，水壓最大為24.7 MPa，最大注水量為26.9 m3，最大壓降為5.2 MPa，整個壓裂周期實際為68 min。通過對第一段和第三段壓力參數的分析，表明該壓裂方案在井下壓裂的穩定性和均勻性較好，有利于水力壓裂縫隙的均勻擴展。

4 水力壓裂效果分析

為了確定水力壓裂的實際工作效果，利用監測傳感器[7]對水力壓裂前后液壓支架的支護阻力情況及巷道的來壓步距進行對比分析。在同一巷道的未治理區域和壓裂治理區域液壓支架的支護阻力變化情況如圖4。

圖4 不同區域支架壓裂分布曲線

由實際監測結果可知，在未進行水力壓裂治理的區域，液壓支架的平均工作阻力在30～34 MPa 之間，而采用水力壓裂治理后，區域內液壓支架的整體工作阻力則降低到了26.4～31.6 MPa 之間。液壓支架的支護阻力比未采取措施的區域平均降低了10%。由此可知，采用水力壓裂治理后能夠使井下巖層內的能量獲得充分的釋放，降低了在來壓時的壓力沖擊強度。

同時對未進行水力壓裂區域內的來壓步距進行分析，其來壓步距在25.9～34.1 m 之間，平均來壓步距為30 m。當綜采面推進到水力壓裂區域后，實測其來壓步距在8.7～13.6 m 之間，平均來壓步距為11.15 m，比采取水力壓裂前降低了62.8%，來壓步距變化顯著。

綜采面在未進行水力壓裂的區域內，液壓支架在支護過程中的動載系數在1.31～1.53 之間，平均為1.42，動載系數較大，而且在回采的過程中綜采面來壓的范圍廣、反應劇烈。當推進到水力壓裂區域后，液壓支架在支護過程中的動載系數降低到了0.92～1.14 之間，平均僅為1.03，比優化前降低了27.46%。液壓支架的動載系數降低顯著，且主要來壓分布區域僅為優化前的60%，說明了采用水力壓裂后能夠有效地降低井下的來壓周期。在整個綜采作業區間，綜采面未發生明顯的巷道變形和煤壁幫鼓現象，對提升井下綜采面綜采作業效率和安全性具有十分重要的意義。

5 結論

定向長鉆孔雙封單卡多點拖動分段水力壓裂頂板弱化技術，能夠通過不動管柱投球分段水力壓裂和雙封單卡拖動管柱分段壓裂設備實現快速壓裂。該技術能夠把液壓支架的支護阻力降低10%，將來壓步距降低62.8%，將液壓支架的動載系數降低27.46%。