劉徐三

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

瓦斯抽采是我國(guó)區(qū)域性瓦斯治理和實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采的關(guān)鍵技術(shù)，由于我國(guó)煤層透氣性普遍較低(透氣性系數(shù)0.004 ～0.04m2/MPa2·d)[1，2]，抽采鉆孔影響范圍有限，卸壓程度不高，瓦斯抽采效果不夠理想，消突周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著礦井的采掘接替。

煤礦井下鉆孔水力壓裂增透技術(shù)[3]是以煤層鉆孔為通道，利用專用壓裂設(shè)備壓裂鉆孔，施加高壓注水，高壓水流到達(dá)煤體內(nèi)部后由于通道減少而阻力增加，注入煤層的水壓逐漸升高，當(dāng)孔內(nèi)壓力達(dá)到煤層破裂所需的壓力時(shí)，煤層就會(huì)形成不等規(guī)則的裂縫[4]，可有效提高其透氣性。水力射流沖孔造穴技術(shù)[5-10]利用高壓水鉆頭切割和高壓水力射流沖刷煤體，形成較大空間的洞室，可有效防止塌孔造成的瓦斯通道堵塞，提高瓦斯抽采效果，廣泛應(yīng)用于松軟煤層瓦斯治理。目前，國(guó)內(nèi)外多采用非定向順層鉆孔或非定向穿層鉆孔進(jìn)行水力射流沖孔和水力壓裂，鉆孔軌跡難以精確控制，存在盲區(qū)，且非定向順層鉆孔成孔率低；非定向穿層鉆孔在煤層段有效孔段短(煤層段鉆孔長(zhǎng)度一般不超過(guò)10m)。

近年來(lái)，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)[11，12]廣泛應(yīng)用于全國(guó)煤礦井下瓦斯治理、探放水、地質(zhì)異常體探測(cè)等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸形成了頂板高位定向鉆孔、頂板梳狀定向鉆孔、本煤層順層定向鉆孔、底板梳狀定向鉆孔、底板定向鉆孔等多種瓦斯抽采鉆進(jìn)技術(shù)及工藝方法，該技術(shù)具有鉆孔軌跡精準(zhǔn)可控、成孔率高、有效距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在借鑒國(guó)內(nèi)外煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)和水力射流沖孔造穴技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，形成一套適合碎軟煤層水力壓裂大直徑定向鉆孔的施工工藝技術(shù)，有效解決水力壓裂鉆孔成孔率低、成孔后易塌孔造成鉆孔堵塞、有效距離短、壓裂后影響范圍小、瓦斯抽采效果不明顯等問(wèn)題。

1 大直徑水力壓裂定向鉆進(jìn)工藝原理

1.1 工藝原理

1)將煤礦井下底板穿層梳狀向鉆進(jìn)技術(shù)與水力射流沖孔技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到大直徑水力壓裂定向鉆孔施工中。為滿足分段水利壓裂要求，各分支點(diǎn)間距應(yīng)大于80m；梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂工藝原理如圖1所示，根據(jù)水力壓裂工藝原理，為滿足壓裂工具串的順利下入，采用“前進(jìn)式”開分支孔技術(shù)。因此，首先采用煤礦井下底板穿層梳狀定向鉆進(jìn)技術(shù)，在碎軟、低透氣性煤層底板穩(wěn)定層開孔，以“回轉(zhuǎn)+滑動(dòng)定向”的復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝完成護(hù)孔套管下入孔段施工，下入護(hù)孔套管封孔、注漿、侯凝；然后按設(shè)計(jì)要求定向鉆進(jìn)至封隔器座封平直孔段，采用 “回轉(zhuǎn)+滑動(dòng)定向”的復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)完成平直孔段施工，再將大傾角定向鉆進(jìn)至煤層，見煤后順煤層定向鉆進(jìn)60m，提鉆至預(yù)留分支點(diǎn)處，開分支繼續(xù)定向鉆進(jìn)施工，以此循環(huán)，直至完孔。

圖1 梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂工藝原理

2)定向鉆進(jìn)完孔后提鉆更換水力射流沖孔鉆具，對(duì)煤層孔段采用“后退式”水力射流沖孔技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)孔，達(dá)到水力壓裂增透技術(shù)要求目標(biāo)孔徑(500mm)。此過(guò)程中，由高壓水泵站產(chǎn)生的射流經(jīng)過(guò)耐高壓膠管和鉆桿后到達(dá)鉆孔前端，在鉆桿前端安裝射流鉆頭或鉆桿，沿與鉆桿徑向方向進(jìn)行環(huán)向沖孔破煤。

3)在定向鉆進(jìn)鉆遇煤層和水敏性泥巖地層時(shí)，使用MZ-1型防塌乳液[13]，利用防塌乳液的抑制性能、護(hù)壁性能來(lái)避免泥巖水化膨脹造成的縮徑、掉塊等孔內(nèi)卡埋鉆事故的發(fā)生；同時(shí)采用快速成孔技術(shù)，減少鉆孔的施工時(shí)間，即減少了泥巖與水的作用時(shí)間，避免泥巖水化膨脹造成的孔內(nèi)事故的發(fā)生，快速成孔還能減少對(duì)孔壁的擾動(dòng)和沖刷，有利于維持鉆孔孔壁的穩(wěn)定，提高了該工藝的適應(yīng)性[14-16]。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

與非定向水力壓裂順層鉆孔或非定向穿層水力壓裂鉆孔相比，大直徑水力壓裂定向鉆孔具有以下特點(diǎn)：

1)大直徑水力壓裂定向鉆孔軌跡精確可控，有效孔段長(zhǎng)，壓裂影響范圍大，鉆孔施工效率高，能滿足瓦斯的集中抽采。

2)水力射流沖孔技術(shù)能有效解決大直徑鉆孔在碎軟煤層孔段機(jī)械擴(kuò)孔成孔難的問(wèn)題；在水力射流沖孔孔段，煤體應(yīng)力降低，煤體內(nèi)裂隙導(dǎo)通、孔隙張開，煤層透氣性得到大幅度提高，對(duì)水力壓裂增透技術(shù)起到一定的輔助作用；此外，鉆孔直徑大，大幅度改善了塌孔造成的鉆孔堵塞問(wèn)題。

3)水力壓裂強(qiáng)化抽采技術(shù)能有效改造煤巖體結(jié)構(gòu)、增加煤層透氣性、提高煤層鉆孔瓦斯抽采效果，相比其它水力化措施而言，具有影響范圍更大、增透效果更明顯等顯著優(yōu)勢(shì)，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的井下低透氣性煤層增透技術(shù)。

2 大直徑水力壓裂定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)

以陽(yáng)煤集團(tuán)新景煤礦為例，大直徑水力壓裂定向鉆孔開孔位置位于煤層底板下部穩(wěn)定巖層中，開孔點(diǎn)與煤層間存在砂巖、深灰色泥巖及其互層，煤層底板深灰色泥巖具有極強(qiáng)水敏性，遇水極易發(fā)生縮徑、坍塌掉塊等孔內(nèi)事故，煤層為松軟破碎煤層，極易發(fā)生塌孔卡鉆等孔內(nèi)事故。

2.1 鉆進(jìn)工藝

針對(duì)以上問(wèn)題，從開孔、定向鉆進(jìn)和水力射流沖孔三個(gè)階段分析研究，形成了大直徑水力壓裂定向鉆孔成孔工藝技術(shù)，如圖2所示。

圖2 大直徑水力壓裂定向鉆孔施工工藝流程

2.2 開孔

2.3 定向鉆進(jìn)

2.4 水力射流沖孔

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為更好地檢驗(yàn)碎軟煤層條件下大直徑水力壓裂定向鉆進(jìn)技術(shù)的可行性，在新景煤礦南五底抽巷6#鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工大直徑水力壓裂梳狀定向鉆孔，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 地層概況

新景煤礦南五底抽巷6#鉆場(chǎng)，開孔位于煤層底板，為一層較為穩(wěn)定的深灰色細(xì)粒砂巖，其上部為砂質(zhì)泥巖，再上部煤層直接底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，局部地區(qū)還相變?yōu)榛液谏募?xì)粒砂巖，上部含有較多的植物化石碎片，屬根土巖。本層與煤層接觸處常有一層0.03～0.05m的粘土層，質(zhì)較軟，與煤層接觸光滑，具剪切滑動(dòng)面，這層粘土層強(qiáng)度很低，遇水極易膨脹；目標(biāo)3#煤層，主要以亮煤、暗煤和絲炭組成，含有較少的鏡煤，f系數(shù)為0.39左右，部分區(qū)域受到水平構(gòu)造應(yīng)力影響，出現(xiàn)底部煤層碎軟，呈受揉皺狀態(tài)，為油脂、土狀光澤，手可碾為細(xì)末或極小的碎塊，煤層柱狀圖如圖3所示。

圖3 煤層柱狀圖

因此，在大直徑水力壓裂定向鉆進(jìn)時(shí)，底板泥巖遇水膨脹易造成鉆孔縮徑或掉塊導(dǎo)致卡埋鉆事故；3#煤層松軟、破碎以及膠結(jié)性差易導(dǎo)致塌孔事故。

3.2 施工設(shè)備

3.3 鉆孔設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)施工1個(gè)3#煤層底板梳狀長(zhǎng)鉆孔，孔徑120mm，主孔孔長(zhǎng)540m，共開3個(gè)分支孔，第一分支點(diǎn)向北偏移50m，分支孔平面上在主孔兩側(cè)穿插布置，偏移主孔10m，分支孔穿過(guò)巖層進(jìn)入3#煤層，在煤層延伸60m后終孔，分支孔開孔點(diǎn)間距120m，前一分支孔終孔點(diǎn)與后一分支孔見煤點(diǎn)間距30m，1#孔鉆孔設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 1#孔鉆孔設(shè)計(jì)圖

3.4 應(yīng)用效果分析

3.4.1 鉆進(jìn)情況

試驗(yàn)鉆孔以新景煤礦南五底抽巷6#鉆場(chǎng)1#鉆孔為例，采用大直徑水力壓裂定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)于2018年5月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。應(yīng)用期間共計(jì)施工大直徑水力壓裂定向鉆孔1個(gè)，主孔深度531m，分支孔3個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺1046m。具體施工情況見表1，鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖5所示。

表1 1#鉆孔施工情況表

圖5 1#大直徑水力壓裂定向鉆孔軌跡

3.4.2 水力壓裂情況

鉆孔施工完成，調(diào)試壓裂泵，按照壓裂施工方案將壓裂工具串組合安裝并推送至預(yù)定位置，采用不動(dòng)管柱分段壓裂工藝，以清水為壓裂液，用20MPa左右壓力進(jìn)行注水壓裂，壓裂效果見表2。

表2 壓裂效果匯總表

3.4.3 瓦斯抽采情況

排水完成后，連接抽采管路，安裝CJZ4Z 瓦斯抽放綜合參數(shù)測(cè)定儀，每天24h對(duì)鉆孔瓦斯抽采參數(shù)(瓦斯?jié)舛?、瞬時(shí)流量、累計(jì)抽采量、抽采負(fù)壓、溫度)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。共采集抽采數(shù)據(jù)30組，累計(jì)抽采瓦斯純量10044.58m3。瓦斯抽采濃度和日均抽采純量變化曲線如圖6所示。

圖6 瓦斯抽采濃度和日均抽采純量變化曲線

從抽采數(shù)據(jù)來(lái)看，抽采最大濃度為7.48%，最小濃度為4.57%，平均為5.22%；抽采流量最大值5.18m3/min，最小值2.25m3/min，平均值4.60m3/min；日均瓦斯抽采量最大值457.41m3/d，最小值171.08m3/d，平均值334.81m3/d。從圖6還可以看出，抽采純量曲線和抽采濃度曲線基本一致。

為了對(duì)比分析本次長(zhǎng)鉆孔水力壓裂試驗(yàn)后鉆孔瓦斯抽采效果，收集整理了3107底抽巷穿層鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)80組。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，抽采流量0.01～0.23m3/min，平均0.08m3/min；日均抽采量2.302～90.72m3/d，平均為16.91m3/d。通過(guò)與普通穿層鉆孔抽采數(shù)據(jù)對(duì)比分析，壓裂增透后，鉆孔瓦斯抽采流量提高約5.23 倍。

4 結(jié) 論

1)大直徑定向鉆進(jìn)開孔采用“回轉(zhuǎn)+滑動(dòng)定向”的復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，能有效保證開孔段鉆孔軌跡的平直，確保長(zhǎng)距離護(hù)壁套管的順利下入。

2)采用底板梳狀定向鉆孔既能有效保證鉆孔在煤層的覆蓋率，增加了有效孔段長(zhǎng)度，又能解決碎軟煤層成孔難的問(wèn)題。

3)在定向鉆進(jìn)鉆遇強(qiáng)水敏性泥巖地層和碎軟煤層時(shí)，采用快速成孔技術(shù)和沖洗液輔助成孔技術(shù)能有效保證泥巖和碎軟煤層孔段的成孔率。

4)采用水力射流沖孔技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)孔，既能保證水力壓裂對(duì)煤層孔段鉆孔直徑的要求，又解決了機(jī)械擴(kuò)孔成孔難的問(wèn)題。

5)大直徑定向鉆進(jìn)成孔質(zhì)量好，符合水力壓裂技術(shù)對(duì)鉆孔的要求。壓裂增透后，瓦斯抽采效果提升顯著(約5.23倍)。