摘 要：鑒于我國(guó)煤層瓦斯含量高煤層透氣性差且具有突出危險(xiǎn)性的現(xiàn)狀，現(xiàn)狀礦井多采用穿層鉆孔來對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。為了提高低透氣性煤層的抽采效果，采用了水力壓裂技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行改造增加其透氣性。闡述了穿層鉆孔水力壓裂的基本原理，并對(duì)水力壓裂的實(shí)施過程進(jìn)行了分析，可以為煤礦瓦斯抽采提供一定的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采;穿層鉆孔;水力壓裂;分析

1 引言

隨著我國(guó)進(jìn)入深部礦井開采時(shí)代，礦井瓦斯涌出量越來越大，而且煤層的突出危險(xiǎn)性增強(qiáng)。在這種背景下，對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采是治理瓦斯的根本途徑。然而由于我國(guó)的煤層透氣性普遍較低，直接采用鉆孔進(jìn)行抽采效果差，很容易造成采掘接替緊張的問題[1]。與此同時(shí)，對(duì)于有突出危險(xiǎn)性的煤層，不能采用本煤層鉆孔進(jìn)行抽采，只能利用穿層鉆孔進(jìn)行抽采。由于穿層鉆孔的有效長(zhǎng)度（煤層段長(zhǎng)度）較短，這極大的影響了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的速度。在這種情況下，必須得采取有效措施對(duì)煤層進(jìn)行增透。水力壓裂技術(shù)是一種用于油氣開發(fā)的增產(chǎn)技術(shù)，從石油行業(yè)引入到煤層氣開發(fā)上來已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。通過水力壓裂對(duì)低滲透煤體進(jìn)行壓裂后，煤體的滲透性會(huì)顯著增強(qiáng)。但是這項(xiàng)技術(shù)并不是百分百有效，也有不少礦區(qū)在進(jìn)行水力壓裂時(shí)并未提升抽采的效果。周世寧院士指出，水力壓裂只有當(dāng)壓裂的填充劑的滲透性高于煤體的滲透性時(shí)，壓裂才是有效的?？偟膩碚f，水力壓裂這項(xiàng)技術(shù)雖然能在一定的范圍內(nèi)可以應(yīng)用，但是也存在諸多問題。本文對(duì)穿層鉆孔水力壓裂的工藝進(jìn)行說明，分析其存在的問題，以期為有關(guān)技術(shù)人員提供指導(dǎo)。

2 穿層鉆孔水力壓裂的基本原理

穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂是在煤層的地板施工穿層鉆孔，借助于定向鉆孔技術(shù)使鉆孔沿煤層走向，這樣可以顯著的提高穿層鉆孔的有效長(zhǎng)度，然后通過在鉆孔中注入高壓壓裂液對(duì)長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行壓裂。在壓裂后鉆孔周圍的煤體會(huì)充分破碎，這為瓦斯的滲流提供了大量通道。壓裂的主要原理是當(dāng)壓裂液的注入速度大于煤層滲流的速度時(shí)，在鉆孔孔壁會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的壓力，當(dāng)這個(gè)壓力達(dá)到煤體的破碎強(qiáng)度時(shí)，煤體會(huì)發(fā)生破裂[2-3]。在破裂會(huì)鉆孔周圍會(huì)形成一條主裂縫，隨著壓裂液的持續(xù)注入，裂縫會(huì)持續(xù)擴(kuò)展。裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展可以分為5個(gè)階段：能量聚集階段、微裂縫產(chǎn)生階段、局部破壞階段、裂紋迅速擴(kuò)展階段以及裂縫繼續(xù)擴(kuò)展階段，伴隨著能量的釋放和聚集過程。

在高壓水流動(dòng)過程中，會(huì)將不同粒徑的煤粒帶人到煤層的弱面中（例如煤層的層理、割理）。這些顆粒會(huì)在弱面中逐漸累積從而形成堵塞帶，這會(huì)導(dǎo)致弱面的界面處的應(yīng)力不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致弱面發(fā)生破壞產(chǎn)生裂縫。與此同時(shí)，弱面的空間范圍增加，弱面上的應(yīng)力會(huì)下降，應(yīng)力向弱面周圍轉(zhuǎn)移。煤粒繼續(xù)向遠(yuǎn)處的弱面運(yùn)動(dòng)，從而形成對(duì)弱面遠(yuǎn)處的弱面封堵，當(dāng)達(dá)到一定的壓力后，遠(yuǎn)處的弱面會(huì)繼續(xù)破裂。如此循環(huán)進(jìn)行下去，直到應(yīng)力不足以破壞煤體的弱面時(shí)，這就在鉆孔周圍形成豐富的裂隙或裂紋，這為瓦斯運(yùn)移提供了大量的通道。

3 穿層長(zhǎng)鉆孔施工及水力壓裂實(shí)施

3.1 穿層長(zhǎng)鉆孔的施工

穿層長(zhǎng)鉆孔在煤層的底板進(jìn)行開孔，開孔的位置一般距煤層的底板幾十米以上，以保證壓裂的有效性。在施工時(shí)經(jīng)歷了初次開孔，其主要是傾斜孔，其長(zhǎng)度剛好觸到煤層;二次開孔，主要是水平孔，這個(gè)過程要經(jīng)歷鉆孔施工角度的轉(zhuǎn)變，由傾斜孔變成水平孔。一般來說，第一次開孔后，需要對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔下套管。鉆孔的定向一般采用滑動(dòng)定向鉆機(jī)技術(shù)，在施工過程中通過隨鉆測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量鉆孔的實(shí)時(shí)軌跡，以免鉆孔偏離過大進(jìn)入到巖層中達(dá)不到預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果。在鉆孔進(jìn)入到煤層段后，要利用高粘性防塌劑等無固相水泥漿來作為鉆孔的沖洗劑，以免鉆孔出現(xiàn)塌孔問題。在鉆進(jìn)時(shí)要遵循“低壓慢速、邊進(jìn)邊退”，合理的控制鉆進(jìn)速度，充分釋放煤層中的瓦斯，以免瓦斯的急劇釋放會(huì)發(fā)生噴孔造成鉆孔成型失敗。

3.2 水力壓裂工藝

通常情況下，水力壓裂系統(tǒng)主要可以分為孔內(nèi)部分和孔外部分，孔內(nèi)部分主要是由封孔器、輸油管路和隔離器等組成，孔外部分主要是一些水泵和膠管等設(shè)備。為了保證壓裂施工的安全，采用了壓裂安全控制裝置，如圖1所示。

煤礦井下水力壓裂可以分為三個(gè)階段，每個(gè)階段又有很多工序，如圖2所示。在水力壓裂完成后，需要對(duì)鉆孔進(jìn)行排水，排水后需要對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔連接到抽采管道。

在壓裂的準(zhǔn)備階段，連接好水力壓裂設(shè)備后，需要對(duì)壓裂鉆孔進(jìn)行反復(fù)清洗，直至孔內(nèi)的巖石渣都清洗干凈，然后才能進(jìn)行壓裂試車。試車完成后需要對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔，并在鉆孔內(nèi)下入單流閥、引鞋、擴(kuò)張式封隔器等組合工具，完成后連接到油管。封孔的效果可以注水打壓進(jìn)行檢測(cè)，若封孔效果良好，則10min內(nèi)封孔內(nèi)的最大壓力可達(dá)70MPa，滿足了水力壓裂對(duì)于鉆孔封孔的要求。封孔良好后還需進(jìn)行試壓，在試壓時(shí)打開空口的安全控制閥和三通排水閥進(jìn)行壓裂，通過抵擋緩慢的進(jìn)行注水。注水完成后，關(guān)閉三通排水閥，觀察壓力表的變化，在壓力達(dá)到最高設(shè)計(jì)壓力時(shí)，關(guān)閉閥門，查看停止壓裂后水壓是否下降。若無下降，則可完成試壓。

在高壓注水階段，應(yīng)該采用整體壓裂方式，為了避免對(duì)煤層以及地下水造成污染，采用清水作為壓裂液。打開注壓泵后，采用高液力檔位提高注入壓力，在此期間要詳細(xì)記錄壓力、流量以及壓裂時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當(dāng)注入水量達(dá)到設(shè)計(jì)的要求時(shí)即停止繼續(xù)壓裂。在壓裂過程中，要注意巷道的一些變化，巷道的瓦斯?jié)舛仁欠癜l(fā)生變化及巷道壓裂的一幫是否出現(xiàn)大面積滲水等問題。在水力壓裂的初期，由于壓力較大壓裂液充滿鉆孔以及鉆孔周圍的煤體裂隙中，此時(shí)鉆孔的注水壓力和注水量會(huì)急劇增加。當(dāng)煤體發(fā)生破裂時(shí)，壓力會(huì)急劇下降，隨著注入時(shí)間的不斷增加，注水壓力出現(xiàn)了鋸齒狀波動(dòng)現(xiàn)象，但是注水壓力總體上呈下降的趨勢(shì)。注水壓力會(huì)出現(xiàn)一定的周期性，每一次壓力下降都意味著鉆孔周圍的煤體被壓裂，能一定程度上反映了壓裂作業(yè)對(duì)煤體的裂縫的改造。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)變形的過程。

在壓裂作業(yè)完成后，需要進(jìn)行保壓操作。鉆孔在高壓水的作用下，處于穩(wěn)定狀態(tài)。若此時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行排水，鉆孔會(huì)由于孔內(nèi)壓力的急劇降低而發(fā)生失穩(wěn)塌孔問題，更為嚴(yán)重的是會(huì)堵塞鉆孔，這極大的影響了后期的瓦斯抽采。與此同時(shí)，直接排水還會(huì)導(dǎo)致鉆孔內(nèi)的瓦斯會(huì)急劇涌入到巷道造成瓦斯超限。因此，在停泵后應(yīng)該關(guān)閉注水閥門，讓孔內(nèi)的壓力處于一個(gè)緩慢降低的狀態(tài)。在孔內(nèi)的壓力保持穩(wěn)定后，再打開閥門進(jìn)行排水，排水完成后再連接到抽采管進(jìn)行抽采。

4 小結(jié)

鑒于我國(guó)煤層瓦斯含量高煤層透氣性差且具有突出危險(xiǎn)性的現(xiàn)狀，現(xiàn)狀礦井多采用穿層鉆孔來對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。為了提高低透氣性煤層的抽采效果，采用了水力壓裂技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行改造增加其透氣性。煤礦井下水力壓裂可以分為三個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、高壓注水階段以及保壓階段。裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展可以分為5個(gè)階段：能量聚集階段、微裂縫產(chǎn)生階段、局部破壞階段、裂紋迅速擴(kuò)展階段以及裂縫繼續(xù)擴(kuò)展階段，伴隨著能量的釋放和聚集過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]牟全斌.井下穿層長(zhǎng)鉆孔水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（08）：164-169.

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[3]馮京波.新景礦底抽巷穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透技術(shù)試驗(yàn)[J].煤炭與化工，2017，40（04）：45-48.

作者簡(jiǎn)介：

李廷（1982- ），男，本科，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，通風(fēng)助理工程師，研究方向：通風(fēng)。