榆橫北區中深埋煤層開采水力壓裂技術實踐*

李彥民,方 剛,鄭凱歌,王豪杰

(1.陜西延長石油巴拉素煤業有限公司,陜西 榆林 719000;2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710054)

0 引言

隨著近幾十年來我國煤炭資源的高強度開采,大部分淺埋煤層已基本完成開發回收,煤礦發展的重心在逐步向我國中西部地區的中深埋煤層偏移[1-2]。而對于此類煤層的開采則面臨著多重困難和挑戰,其中,礦山壓力及圍巖控制問題、堅硬頂板造成的煤層采后大面積懸頂問題較為突出和棘手[3-4]。陜北侏羅紀煤田內的煤炭資源豐富、品質優良,是我國重要的煤炭生產基地之一,榆橫北區內分布有多座大型礦山,目前均處于初期建設開發階段[5-6]。由于該區內大部分煤礦建設生產時間較短,且首采煤層的頂板堅硬、埋深情況變化較大(自東向西2號煤層埋深在200～600 m)。因此,造成了不同地質賦存條件下煤層開采時的礦壓顯現規律變化掌握情況較差的結果。尤其在礦區西部煤層埋深較大的礦井,存在著兩大亟需消除的安全隱患,一方面是初采期間大跨度開切眼巷道的治理,該條件下面臨著圍巖控制難度增大,頂幫變形嚴重等問題;另一方面是在煤層采后,其堅硬頂板導致的大面積懸頂可能誘發動壓災害等問題[7-8]。這些問題將對區內中深埋礦井安全生產帶來極大的威脅,應用專業的技術解決手段刻不容緩、迫在眉睫。

1 工程概況

巴拉素煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆橫北區的中西部區域,礦井首采2號煤層,設計生產能力10.00 Mt/a,礦井2102首采工作面呈近東西向布置于井田中部,工作面傾向長度300 m,走向長度5 903 m,煤層厚度在1.42～5.74 m,平均煤厚約3.5 m,煤層平均傾角0.4°,埋深482～490 m。井田內地質構造簡單,煤層上部發育有厚、薄相互形成的堅硬頂板,巖性以細-中砂巖為主,砂巖飽和狀態抗壓強度47 MPa,自然狀態可達70 MPa以上,整體表現為強度高、節理裂隙不發育、厚度大、完整性好、自承能力強等特點[9-10]。針對工作面初采過程中頂板難以垮落的問題,常用的方法主要有采前、采后的爆破強制放頂法、注水弱化法。爆破法是通過在頂板目標巖層中預先形成幾條或者多條裂縫構成的立體裂縫體系,使頂板沿裂縫方向強度降低,從而減弱堅硬頂板的整體強度并易于垮落。爆破法施工簡單,但目前火工品申請批復難度大、工程量大、成本高、危險系數高;注水弱化法在施工時,砂巖、礫巖等堅硬巖石不易溶于水,注水弱化的效果及應用范圍均有很大局限性,難以人為控制。

綜上所述,針對巴拉素煤礦2102首采工作面初采頂板難垮落等問題,綜合采用定向長鉆孔+常規短鉆孔水力壓裂技術對工作面初采期間堅硬頂板進行弱化改造[11-12],使目標巖層內形成三維裂縫網絡,以降低巖體整體強度,減小頂板初次垮落步距,降低能量釋放強度,防止動壓災害發生,為礦井安全高效生產提供技術支撐。

2 技術工藝

2.1 技術路線

通過收集研究區地質資料,進行井下現場勘查,選擇合適的壓裂地點;參考條件類似礦井初次垮落及回采過程中礦壓數據分析結果,編制研究區工作面初采初放頂板壓裂治理技術方案。優選鉆探設備進行鉆孔施工,施工中進行鉆進參數隨鉆監測、鉆進軌跡控制及鉆孔質量控制,確保鉆孔軌跡在目標層位,分別采用長水平孔和常規短孔水力壓裂技術進行壓裂施工[13-15]。壓裂過程中實時監測壓力數據,跟蹤監測回采過程中工作面來壓強度、步距等參數信息,綜合評價初采初放壓裂治理效果。工程施工技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2.2 長水平孔水力壓裂技術

長水平孔水力壓裂技術原理為:當完成定向長鉆孔施工和壓裂工具串送入指定位置后,通過雙封隔器單卡壓裂目標層位段,利用在封隔器中設計平衡泄壓通道,實現了高壓管柱壓裂液與封隔器壓力的平衡傳遞。當高壓壓裂液達到設定壓力后封隔器實現完全坐封,繼續增壓,壓力達到設定壓力后,限流器打開,實現壓裂段的壓裂施工。壓裂施工過程中,高壓壓裂液不斷注入巖層中,促使作用于目標巖層的水壓力逐漸升高,當壓力大于巖層破裂壓力后,頂板的彈性余能以動能形式釋放,促使治理目標層位產生新的裂縫系統,其裂縫擴展主要是通過目標巖層自生基質孔裂縫、層理裂縫與壓裂形成新的裂縫溝通、發育、延展及貫穿。當完成第一段壓裂施工后,關閉孔口壓裂泵注設備,進行孔口排水卸壓;利用定向鉆機拖動孔口高壓管柱,將封隔器拖動至設計位置,進行第二段壓裂施工,依次完成各施工段的壓裂施工,相鄰壓裂段形成三維連續裂縫,改善了巖體結構,降低治理層位的整體強度。長水平孔分段水力壓裂技術原理如圖2所示。

圖2 長水平孔分段水力壓裂技術原理示意

2.3 常規短孔水力壓裂技術

常規短孔水力壓裂技術原理較為簡單,即完成常規短孔的鉆探成孔后,則進行壓裂施工。壓裂工具送到目標段位后,利用手動泵注水加壓促使封隔器膠筒膨脹封孔,連接高壓泵開始施工,完成第一段壓裂施工,如圖3(a)所示;完成第一段壓裂施工后,按照設計壓裂間距退出注水管,開始第二段壓裂施工,重復上述步驟,完成壓裂施工,如圖3(b)所示。

圖3 常規短孔分段水力壓裂技術原理示意

3 工程應用分析

針對巴拉素煤礦2102首采工作面切眼初采后頂板可能存在的懸頂問題,采用長鉆+短鉆水力壓裂技術相結合的治理思路,分層位弱化治理,以達到定向長鉆區域治理與常規短鉆局部治理的綜合治理效果,從而保障該工作面的安全開采。為保證壓裂效果,在壓裂結束后、工作面回采前,對各鉆孔壓裂質量進行檢驗評價,主要通過壓裂數據分析、壓裂孔內窺視分析、壓裂時鄰孔及錨索出水情況分析等手段進行鉆孔壓裂效果評價。

3.1 施工及布置

根據2102工作面概況及頂板弱化目標,切眼頂板的壓裂弱化治理從治理方法角度可分為定向長鉆孔施工和常規短鉆孔施工2類。其中定向長鉆水力壓裂控制層位為頂板上方25 m,控制目標為工作面初采期間頂板區域弱化;常規短鉆孔水力壓裂控制層位在10～21 m,控制目標為工作面初采期間的局部弱化。從治理區域角度可分為4個區域,分別為切眼傾向300 m區域、膠運側走向90 m區域、輔運側走向90 m區域、定向長鉆造斜段區域,工程布置如圖4所示。

圖4 工程布置

3.2 壓裂曲線分析

由于壓裂段數較多,且每段壓裂段的壓裂數據規律基本保持在正常范圍內,因此分別選取長、短鉆各1例1段進行壓裂曲線分析。其中,長孔壓裂選取D1號鉆孔第6段,短孔選取S12號鉆孔第5段曲線分別進行分析。

3.2.1 長孔壓裂曲線分析

對D1孔第6段進行水力壓裂施工時,首先開啟高壓注水泵,緩慢注水膨脹封隔器,在封隔器未完全膨脹階段,注水壓力呈現出階梯狀增長規律及特征,注水壓力最高增長至24.5 MPa開始趨于穩定,然后進入保壓階段,隨著高壓水的持續注入,水壓出現瞬時壓降,表明巖體出現裂縫,隨后壓力又恢復至原有水平,表明該階段的巖體巖性較為穩定;隨著高壓水的持續注入,在保壓一定時間后,水壓再次出現瞬時壓降,表明巖體再次發生破裂,壓裂過程中共出現2次壓降,說明該段水力壓裂確實對頂板形成了有效的破裂,并且通過2次壓降,形成的裂縫也充分得到延伸,達到了工程施工的預期效果。長孔壓裂曲線如圖5所示。

圖5 長孔壓裂曲線

3.2.2 短孔壓裂曲線分析

選取S12號孔第5段壓裂數據進行分析,在封隔器膨脹階段,注水壓力呈現出階梯狀增長特征,注水壓力最高增長至52 MPa時達到峰值,注水量逐漸穩定,隨即出現大幅壓降,壓降至26 MPa,表明該壓裂段產生明顯裂縫。在明顯壓降之后,注水壓力維持在26 MPa左右,而注水量變化不大,則表明該段裂縫通道已打開,保壓效果較差,壓裂效果良好。短孔壓裂曲線如圖6所示。

圖6 短孔壓裂曲線

3.3 現場效果分析

在壓裂施工過程中,出現了臨近孔或者臨近錨索流水的情況。選取較為明顯的數組典型記錄照片進行分析,如圖7所示。圖中白色標記圈為有明顯變化的區域,可以看出,在壓裂過程中主要出現了鄰孔出水和錨索滴水增大或連續流水現象,而錨索出現的流水現象主要分布在壓裂孔內臨近空口段位,這也表明了錨索流水增大是由于壓裂裂縫貫通的原因。以上孔口出水及錨索流水現象進一步說明了孔內產生裂縫,并且裂縫已經貫通至臨近孔或者臨近錨索,壓裂效果良好。

圖7 相鄰鉆孔及錨索出水情況圖片

3.4 鉆孔窺視分析

通過對壓裂后的鉆孔進行孔內窺視,進一步驗證壓裂效果,選取了部分壓裂孔的典型壓裂裂縫進行分析,鉆孔窺視情況如圖8所示。可以看出,壓裂后的鉆孔孔壁在不同程度上均可以看到明顯裂縫,部分鉆孔由于完整性較差存在塌孔現象,裂縫擴展方向主要可分為平行鉆孔軸向方向單側擴展、平行鉆孔軸向方向雙側擴展、垂直鉆孔軸向方向環形擴展,裂縫在延展方向連續擴展范圍約為0.5～1.5 m。通過孔內窺視結果的初步分析,單孔典型明顯裂縫較多,小裂縫隨機分布在孔壁,判斷可知整體壓裂效果良好。

圖8 鉆孔窺視情況圖片

4 結語

本次巴拉素煤礦2102工作面頂板水力壓裂工程,主要通過壓裂數據曲線分析、鄰孔及鄰近錨索出水情況、孔內窺視結果分析等方面進行綜合分析。壓裂數據表明,壓裂層位基本較穩定,高壓水能夠達到充分保壓及破裂巖石的效果,且定向壓裂每段位壓降基本維持在2～3個,短鉆壓裂基本每段位可看到明顯壓降1次或2次,表明壓裂效果良好;孔內窺視結果可以看到,壓裂孔壁在不同程度上均可以看到明顯裂縫,部分鉆孔由于完整性較差,存在塌孔現象;鄰孔及錨索出水情況進一步說明了孔內產生裂縫,并且裂縫已經貫通至臨近孔或者臨近錨索,壓裂效果良好。通過本次對榆橫北區中深埋煤層水力壓裂技術研究及工程實踐,確定了所選用方法、技術的科學合理性,確保了2102工作面的安全開采,也為礦井后期相關礦壓管理工作提供依據。