牟全斌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

低透氣性煤層瓦斯高效抽采一直是瓦斯治理面臨的關(guān)鍵性技術(shù)難題[1]，煤層增透的目的是使煤體產(chǎn)生盡可能多的裂隙，并實(shí)現(xiàn)裂隙的高連通率,是提高煤層瓦斯抽采率的根本途徑。采取人工增透手段構(gòu)建煤層瓦斯導(dǎo)流通道，是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。水力壓裂技術(shù)作為常規(guī)低滲油氣增產(chǎn)措施，在非常規(guī)油氣開(kāi)采、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)、煤層氣開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行井下小規(guī)模水力壓裂試驗(yàn)。近年來(lái)，隨著井下大功率水力壓裂設(shè)備的研制成功，井下水力壓裂研究進(jìn)入快速發(fā)展階段，林柏泉等[2]研究了含瓦斯煤體水力壓裂動(dòng)態(tài)變化特征，建立了煤體埋深、瓦斯壓力和水力破裂壓力三者耦合模型；黃炳香等[3]進(jìn)行了真三軸煤巖水力壓裂試驗(yàn)并研究了不同應(yīng)力下裂縫起裂特征；李國(guó)旗等[4]研究了煤層水力壓裂的合理參數(shù)計(jì)算方法；蘇現(xiàn)波[5]、郭紅玉[6]引入地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)，建立了不同煤體結(jié)構(gòu)條件下水力壓裂參數(shù)優(yōu)化模型；劉世通[7]利用RFPA軟件對(duì)井下水力壓裂卸壓增透影響半徑進(jìn)行了模擬；郭啟文等[8]研究了將表面活性劑注入前置液進(jìn)行井下水力壓裂增透的技術(shù)；賈同千等[9]探索了復(fù)雜地質(zhì)條件低滲煤層“水力壓裂-割縫”綜合增透技術(shù)；馬耕等[10]針對(duì)單一厚煤層提出了強(qiáng)化煤層頂板的虛擬儲(chǔ)層水力壓裂工藝；劉曉[11]研究并試驗(yàn)了長(zhǎng)鉆孔重復(fù)壓裂技術(shù)；王耀鋒等[12]通過(guò)實(shí)施先割縫后壓裂的方法，提出了基于導(dǎo)向槽的定向水力壓裂增透技術(shù)；翟成等[13]研究并試驗(yàn)了煤層脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)；王魁軍等[14]探索了井下多段水力壓裂增透技術(shù)?？傮w來(lái)看，井下水力壓裂技術(shù)具有卸壓范圍廣、增透效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，是一種適合于低透煤層的層內(nèi)區(qū)域卸壓增透技術(shù)。但現(xiàn)有技術(shù)仍存在以下不足：水力壓裂與鉆探工程結(jié)合不夠緊密，鉆孔布置多采用普通穿層鉆孔方式，鉆孔實(shí)際壓裂有效長(zhǎng)度短、壓裂影響范圍有限；封孔質(zhì)量差，缺乏有效的專用封孔裝置，存在漏水甚至壓穿孔口的風(fēng)險(xiǎn)；壓裂配套工藝不夠完善，特別是在長(zhǎng)鉆孔整體水力壓裂關(guān)鍵技術(shù)上還處于薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出一套井下穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)，以期為低透氣性煤層瓦斯治理工作提供技術(shù)借鑒。

1 井下穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂強(qiáng)化增透原理

井下穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂是在煤層底板開(kāi)孔，借助定向鉆探工藝沿煤層走向施工數(shù)百米長(zhǎng)的長(zhǎng)鉆孔。以高壓水為載體，通過(guò)鉆孔向煤層內(nèi)壓入大量壓裂液，當(dāng)壓裂液壓入的速率大于煤層濾失的速率時(shí)，孔內(nèi)流體壓力逐漸升高，當(dāng)達(dá)到煤體破裂臨界壓力后煤體發(fā)生失穩(wěn)，在鉆孔周?chē)纬梢欢ㄒ?guī)模的裂縫并沿煤巖層理和垂直于最小主應(yīng)力方向延伸。壓裂過(guò)程中煤層裂縫的擴(kuò)展演化是遞進(jìn)循環(huán)式的，其裂縫“產(chǎn)生-擴(kuò)展”過(guò)程可分為5個(gè)階段：能量與應(yīng)力累積階段、微裂隙萌生階段、局部損傷破壞階段、煤體抵抗失效與裂隙迅速擴(kuò)展階段、能量再蓄積再擴(kuò)張循環(huán)階段。煤層裂隙演化過(guò)程描述如下[8，15]：高壓水流攜帶粒徑不同的煤粒進(jìn)入煤層一級(jí)弱面(張開(kāi)度較大的層理、構(gòu)造裂隙)；煤粒在弱面邊緣逐漸堆積形成封堵帶；弱面內(nèi)壓力不斷升高，發(fā)生起裂現(xiàn)象；弱面空間高度增加，封堵作用減弱，煤粒再次向四周運(yùn)移、堆積形成二次封堵；封堵作用不斷循環(huán)，形成一級(jí)弱面的連續(xù)擴(kuò)展延伸。并依此向二級(jí)弱面和原生微裂隙推進(jìn)。每一次封堵均在裂隙弱面內(nèi)對(duì)充水空間壁面產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，當(dāng)該切向拉應(yīng)力達(dá)到能使與其相連的二級(jí)弱面起裂條件時(shí)，二級(jí)弱面起裂，繼續(xù)壓裂作業(yè)從而使內(nèi)部裂隙弱面發(fā)生擴(kuò)展、延伸、以及相互之間貫通。最終形成以壓裂鉆孔為中心相互交織的貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)，為煤層瓦斯流動(dòng)提供通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層強(qiáng)化增透的目的。

2 試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件

試驗(yàn)點(diǎn)位于新景公司保安區(qū)南六底抽巷南段，壓裂目標(biāo)煤層為3號(hào)煤，煤層平均厚度2.25 m，層理紊亂，裂隙發(fā)育程度差。受水平構(gòu)造應(yīng)力影響，煤層底部存在厚0.5 m的軟煤分層。直接頂板以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度1.11 m。基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度6.17 m?；卷斏喜繛榛液谏百|(zhì)泥巖，平均厚度1.80 m。直接底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.48 m。基本底為穩(wěn)定的深灰色細(xì)粒砂巖，平均厚度2.40 m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定3號(hào)煤層瓦斯含量為15.95 m3/t，瓦斯壓力為2.10 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.001 16 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.597(d-1)，煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.77，屬于典型的低透碎軟煤層。普通穿層鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)僅為0.20%～1.80%，抽采流量為0.003～0.006 m3/min，必須借助新的增透技術(shù)增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果。

3 穿層長(zhǎng)鉆孔布置及施工

采用ZDY6000LD(F)型坑道鉆機(jī)在煤層底板開(kāi)孔，開(kāi)孔位置距煤層底板47 m，開(kāi)孔傾角12°，方位角4°，鉆孔一開(kāi)鉆進(jìn)至孔深35 m結(jié)束，經(jīng)“φ98～153-193 mm”2次擴(kuò)孔后下入φ146 mm鋼套管，使用水泥注漿固孔、侯凝。二開(kāi)定向鉆進(jìn)采用“φ98 mm PDC鉆頭+φ73 mm孔底馬達(dá)+φ73 mm下無(wú)磁鉆桿+隨鉆測(cè)量?jī)x器+φ73 mm上無(wú)磁鉆桿+φ73 mm通纜鉆桿”的鉆具組合方式，鉆進(jìn)至495 m處終孔，然后利用φ120 mm擴(kuò)孔鉆頭對(duì)全部二開(kāi)孔段進(jìn)行擴(kuò)孔。

鉆孔施工采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中的探管將鉆孔參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇卓谟?jì)算機(jī)內(nèi)處理形成實(shí)鉆軌跡，根據(jù)軌跡偏斜情況調(diào)整孔底造斜工具面向角，保證鉆進(jìn)過(guò)程對(duì)鉆孔軌跡的精確控制。煤層段鉆進(jìn)利用高粘羧甲基纖維素、鉆井液用高粘防塌劑及廣譜護(hù)壁劑等無(wú)固相泥漿材料作為沖洗液，遵循“低壓慢速、邊進(jìn)邊退”的原則，合理控制鉆壓和鉆速，充分釋放瓦斯，避免了由于鉆孔急劇失穩(wěn)破壞形成的堵孔、埋鉆等現(xiàn)象。最終成孔孔徑120 mm、終孔孔深495 m，其中煤層段孔深307 m，鉆孔軌跡見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)鉆孔軌跡剖面Fig.1 The long drill trajectory chart

4 水力壓裂工藝

4.1 壓裂系統(tǒng)布置

選用BYW65/400型井下壓裂泵組，額定功率400 kW，泵壓0～65 MPa，排量100～1 450 L/min。壓裂系統(tǒng)由孔內(nèi)部分和孔外部分組成，孔內(nèi)部分主要由封孔工具組合、高壓油管、封隔器等組成，孔外部分主要由壓裂泵組、高壓膠管等組成。為了施工安全，在孔口安裝由高壓閥門(mén)、壓力表、泄壓閥、三通等組成的孔口安全控制裝置(圖2)。

圖2 孔口安全控制裝置實(shí)物Fig.2 The physical map of safety control device

4.2 壓裂關(guān)鍵技術(shù)

井下水力壓裂作業(yè)可劃分為準(zhǔn)備階段、高壓注水階段和保壓階段，準(zhǔn)備階段主要包括設(shè)備連接、通孔、洗孔、封孔、試壓等工序，高壓注水階段包括注水壓裂、監(jiān)測(cè)監(jiān)控工序；保壓階段包括關(guān)泵、保壓、排水等工序(圖3)。壓裂完成后將壓裂孔作為瓦斯抽采孔，實(shí)現(xiàn)一孔多用。

圖3 壓裂施工工藝流Fig.3 Construction technology process chart of fracturing

4.2.1 準(zhǔn)備階段

1)通孔、洗孔

安裝連接好壓裂設(shè)備后，利用鉆機(jī)對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行通孔作業(yè)，并用清水反復(fù)洗孔，清除孔內(nèi)沉渣。然后對(duì)壓裂設(shè)備進(jìn)行試車(chē)。

2)快速封孔

采取以封隔器原理為基礎(chǔ)的快速封孔技術(shù)，首先根據(jù)鉆探過(guò)程地層巖性判識(shí)，在孔深145～147 m的砂質(zhì)泥巖層段下入由引鞋、單流閥、壓差滑套、擴(kuò)張式封隔器等組成的封孔工具組合(圖4)，連接油管，并在孔深25～27 m的孔口套管內(nèi)下入外層封隔器。試驗(yàn)所用封隔器外徑100 mm，膨脹系數(shù)達(dá)1.30～1.50，封孔過(guò)程主要原理是：從油管內(nèi)打壓，高壓水從中心管進(jìn)入膠筒內(nèi)囊腔，靠水壓迅速撐開(kāi)和膨脹膠筒，當(dāng)內(nèi)外壓差達(dá)到0.50～0.70 MPa時(shí)，密封油套環(huán)形空間，使得封孔工具組合和套管封隔器迅速坐封。通過(guò)向孔內(nèi)注水打壓檢測(cè)封孔效果，經(jīng)測(cè)試，可在10 min內(nèi)完成鉆孔封孔，最大坐封壓力70 MPa，孔口無(wú)滲漏情況，達(dá)到了水力壓裂施工對(duì)封孔質(zhì)量的要求。壓裂結(jié)束后，上提油管剪斷封隔器銷釘即實(shí)現(xiàn)解封。

圖4 封孔工具組合實(shí)物Fig.4 The physical map of sealing tool composition

3)試壓

打開(kāi)孔口安全控制裝置高壓閥門(mén)和三通排水閥門(mén)，開(kāi)啟壓裂泵，用最低檔位注水。慢慢關(guān)閉三通排水閥門(mén)，再觀察高壓表壓力的變化，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)關(guān)閉高壓閥門(mén)進(jìn)行憋壓，停泵20 min后壓力無(wú)下降，試壓結(jié)束。

4.2.2 高壓注水階段

1)注水壓裂

根據(jù)鉆孔特征及試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件，采用整體壓裂方式，選用清水作為壓裂液，避免對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)生污染。開(kāi)泵后逐漸升高液力變速器檔位，提高注水壓力和泵注流量。詳細(xì)記錄時(shí)間、壓力、排量等壓裂數(shù)據(jù)，當(dāng)注水量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)停止壓裂作業(yè)。注水壓裂作業(yè)共計(jì)進(jìn)行6 d，累計(jì)注入水量1 510 m3，瞬時(shí)最大泵注流量在0.66～0.94 m3/min之間，最大注水壓力在17.17～26.09 MPa之間(表1)，壓裂過(guò)程中巷道瓦斯?jié)舛仍?.10%～0.45%之間，作業(yè)區(qū)巷幫無(wú)明顯變形及滲水現(xiàn)象。

表1 水力壓裂過(guò)程主要參數(shù)

2)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及分析

通過(guò)對(duì)壓裂過(guò)程中注水壓力和泵注流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖5)，壓裂初期壓裂液迅速充滿鉆孔和周邊煤體原始裂隙，注水壓力和泵注流量快速上升，當(dāng)壓力增大至24.06 MPa時(shí)，煤體發(fā)生初始破裂，隨后壓力瞬間降低。隨著注入時(shí)間的不斷延續(xù)，注水壓力出現(xiàn)“緩慢上升-快速上升-小幅鋸齒狀波動(dòng)”的現(xiàn)象，第470 min時(shí)，由于供水不足被迫停泵。第2 d，壓力曲線整體較平穩(wěn)，波動(dòng)不大，第440 min由于供水量減小而降低檔位，后壓力明顯降低。第3 d～5 d，當(dāng)注水壓力分別增大至17.80，26.09，20.68 MPa時(shí)，均發(fā)生了明顯的煤體破裂現(xiàn)象。在煤層破裂發(fā)生后，壓力通常出現(xiàn)瞬間最低值，持續(xù)注水后又緩慢上升，直至壓裂影響范圍逐步擴(kuò)大出現(xiàn)下一次破裂循環(huán)為止。第6 d，壓裂壓力曲線總體較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)小幅的“鋸齒狀”周期波動(dòng)現(xiàn)象，無(wú)明顯破裂現(xiàn)象發(fā)生。

整個(gè)壓裂過(guò)程共發(fā)生4次較為明顯的煤體破裂循環(huán)現(xiàn)象，注水壓力具有一定的周期性變化規(guī)律，每一次壓力起伏變化都使得鉆孔內(nèi)煤體載荷發(fā)生改變，促使以鉆孔為中心的周?chē)鷧^(qū)域煤體裂隙場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，在一定程度上間接反映了水力壓裂作業(yè)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)改造的力學(xué)作用特征，說(shuō)明煤體破裂的發(fā)生是一個(gè)能量逐漸積聚進(jìn)而誘發(fā)煤體失穩(wěn)變形的過(guò)程。

圖5 水力壓裂注水壓力變化曲線Fig.5 The change curve of injection pressure in hydraulic fracturing

4.2.3 保壓階段

壓裂作業(yè)結(jié)束后，直接排水會(huì)因孔內(nèi)壓力急劇降低而誘發(fā)塌孔現(xiàn)象，影響后期瓦斯抽采效果，同時(shí)瓦斯瞬間噴出導(dǎo)致巷道瓦斯超限，因此停泵后迅速關(guān)閉閥門(mén)，緩慢降低孔內(nèi)壓力。經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)壓力呈現(xiàn)“快速下降-緩慢下降-趨于穩(wěn)定”的變化規(guī)律。停泵后因地層濾失，前3 d壓力迅速?gòu)?3.5 MPa降至3.10 MPa，第5 d至第10 d由于孔內(nèi)外壓力逐漸恢復(fù)平衡處于緩慢下降階段，第11 d后壓力降低至地層正常流體靜壓力后出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。保壓結(jié)束后打開(kāi)閥門(mén)排水，累計(jì)排水65.80 m3。

5 試驗(yàn)效果分析

5.1 壓裂效果

在壓裂鉆孔周?chē)苍O(shè)計(jì)了12個(gè)效果考察鉆孔(圖6)，其中1#、2#鉆孔布置在遠(yuǎn)離壓裂鉆孔的區(qū)域，且在壓裂作業(yè)前施工。其余鉆孔為壓裂后的效果對(duì)比孔，通過(guò)測(cè)試壓裂前后煤儲(chǔ)層參數(shù)，綜合分析壓裂效果(表2)。

表2 效果考察孔施工參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

1)煤層透氣性系數(shù)：1#、5#孔測(cè)定的煤層透氣性系數(shù)為0.009 7 m2/(MPa2·d)和0.025 9 m2/(MPa2·d)，壓裂后煤層透氣性系數(shù)是壓裂前的2.67倍。

2)煤體全水分：壓裂前煤體全水分在2.54%～3.10%之間，平均2.82%，受水力壓裂影響區(qū)域煤體全水分在3.07%～13.01%之間，平均6.72%。

3)煤層瓦斯含量：壓裂前煤層瓦斯含量在12.87～15.95 m3/t之間，平均14.41 m3/t。壓裂影響區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯含量在8.40～11.82 m3/t之間，平均9.47 m3/t，壓裂后瓦斯含量平均值降低34.28%。整體上水分較高的區(qū)域瓦斯含量較小，存在明顯的水驅(qū)氣效應(yīng)。

4)影響半徑：以煤體全水分參數(shù)作為考察指標(biāo)，水力壓裂最大影響半徑達(dá)到58 m。

圖6 效果考察鉆孔布置示意Fig.6 The schematic diagram of effect investigation holes

5.2 瓦斯抽采效果

采用瓦斯抽采參數(shù)傳感器對(duì)水力壓裂鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，抽采初期瓦斯抽采流量快速升高，后期呈整體緩慢下降趨勢(shì)(圖7)。

圖7 瓦斯抽采流量變化曲線Fig.7 The change curve of gas drainage quantity

工況條件下抽采流量在0.46～1.88 m3/min之間，平均1.51 m3/min，連續(xù)抽采235 d累計(jì)瓦斯抽采量達(dá)50.80×104m3，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在18.20%～84.63%之間，平均64.30%。臨近區(qū)域同煤層普通穿層壓裂鉆孔平均瓦斯抽采流量為0.062 m3/min，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為2.22%～11.17%，平均6.26%，最大壓裂影響半徑為25 m。與普通穿層壓裂鉆孔對(duì)比，本次長(zhǎng)鉆孔水力壓裂鉆孔平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了10.27倍，平均瓦斯抽采流量提高了24.40倍，最大壓裂影響半徑提高了2.32倍。

6 結(jié)論

1)井下穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂作業(yè)過(guò)程分為準(zhǔn)備階段、高壓注水階段和保壓階段，包含通孔、洗孔、封孔、試壓、注水壓裂、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、保壓、排水等技術(shù)。提出了一套基于井下裸眼封孔工具組合的快速封孔技術(shù)，滿足了低透煤層穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂封孔質(zhì)量要求。

2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明壓裂試驗(yàn)過(guò)程中煤層共發(fā)生4次破裂循環(huán)現(xiàn)象，煤體破裂壓力在17.80～26.09 MPa之間，注水壓力具有一定的周期性變化規(guī)律，保壓階段孔內(nèi)壓力具有“快速下降-緩慢下降-趨于穩(wěn)定”的特征，壓裂過(guò)程中存在水驅(qū)氣效應(yīng)。壓裂后煤層透氣性系數(shù)是壓裂前的2.67倍，最大壓裂影響半徑58 m。與普通穿層壓裂鉆孔相比，壓裂鉆孔抽采流量和瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分別提高了24.40倍和10.27倍，最大影響半徑提高了2.32倍。

3)井下穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)充分融合了定向鉆進(jìn)技術(shù)和水力壓裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，克服了常規(guī)井下水力壓裂存在的封孔質(zhì)量差、影響半徑小的技術(shù)缺陷，達(dá)到了煤層區(qū)域卸壓增透的目的，為低透突出煤層瓦斯治理提供了一條可行的技術(shù)途徑。

4)受現(xiàn)場(chǎng)供水條件限制，井下水力壓裂試驗(yàn)未做到全程不間斷壓裂，對(duì)壓裂效果產(chǎn)生的影響需進(jìn)行更深入的研究。

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