黃 勇 雷洪波 楊先明 高茂學(xué)

0 前言

在水力壓裂實(shí)施過(guò)程中，為了模擬裂縫開(kāi)裂延伸過(guò)程的復(fù)雜情況，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了多種裂縫的幾何模型，從簡(jiǎn)單的二維模型到三維模型，各類模型越來(lái)越符合裂縫的實(shí)際延伸過(guò)程[1]。但在實(shí)際壓裂中，由于受各種地質(zhì)因素的影響，在地層復(fù)雜煤層中裂縫會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向或向頂?shù)装逖由旎虺瘑我环较蜓由?，造成裂隙無(wú)序擴(kuò)展，不能對(duì)目標(biāo)區(qū)域煤層實(shí)施有效壓裂，對(duì)此，提出水力造穴控制壓裂的方法，即采用水力造穴技術(shù)定向預(yù)置縫槽導(dǎo)向裂縫起裂及擴(kuò)展，在地應(yīng)力作用下縫隙尖端形成剪切破壞區(qū)，在高壓水的作用下裂縫在縫槽尖端起裂，裂縫在尖端起裂后沿水平方向延伸。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了水力造穴控制壓裂技術(shù)工藝，并在打通一煤礦W1601E瓦斯巷針對(duì)M6-3煤層進(jìn)行了壓裂試驗(yàn)。

1 水力造穴控制壓裂的基本原理

1.1 水力造穴控制壓裂裂縫延展的機(jī)理

采用高壓水力對(duì)煤體割縫在煤體中形成類圓盤(pán)狀縫隙，根據(jù)裂縫擴(kuò)展原則，即當(dāng)垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力時(shí)，煤層實(shí)施壓裂時(shí)裂縫均為垂直裂縫[2]。在研究水力割縫煤體起裂及延伸機(jī)理時(shí)，只需研究裂縫在水平方向的起裂及延伸。水力割縫后形成圓盤(pán)狀縫隙，在地應(yīng)力的作用下使縫隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)所受應(yīng)力超過(guò)煤體抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生剪切破壞區(qū)，在其邊緣依次形成圓環(huán)狀破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)[3]。

在實(shí)施水力壓裂時(shí)，在高壓水力的作用下縫隙尖端首先破壞，即裂縫在縫隙尖端起裂。裂縫在縫隙尖端處起裂后，裂縫的延伸方向受最大主應(yīng)力方向控制，即裂縫延伸方向平行于最大主應(yīng)力方向，垂直于最小主應(yīng)力方向，從國(guó)內(nèi)外大量裂縫延展的模型可知，在水平應(yīng)力相等的條件下，裂縫在起裂后會(huì)沿裂縫尖端延伸方向擴(kuò)展。

1.2 水力造穴控制壓裂技術(shù)工藝

水力造穴也稱“水力割縫”，就是利用高壓泵將水加壓到18～25 MPa，通過(guò)鉆桿送入切割噴嘴，高壓水通過(guò)切割噴嘴噴出形成高壓水射流對(duì)煤體進(jìn)行切割，高壓水混合煤泥通過(guò)鉆桿與孔壁間隙流出，最終在煤體中形成直徑0.5～2 m深度的圓盤(pán)狀縫隙。

按設(shè)計(jì)完成水力造穴后，按照設(shè)計(jì)對(duì)鉆孔進(jìn)行下套封孔（封孔至目標(biāo)煤層底板），然后進(jìn)行壓裂，通過(guò)高壓泵將水逐步加壓到30 MPa以上，當(dāng)高壓泵向煤層注水的速度超過(guò)煤巖層的吸收能力時(shí)，則在煤巖層形成高壓，當(dāng)壓力超過(guò)煤巖層破裂壓力時(shí)，煤巖層被壓開(kāi)并產(chǎn)生裂縫，若繼續(xù)向煤巖層注水，裂縫就會(huì)擴(kuò)張，從而形成大量縫隙，提高煤巖層透氣性，降低煤層瓦斯抽采難度。[4]

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況

本次水力沖孔控制壓裂試驗(yàn)選擇在打通一煤礦西一區(qū)W1601E瓦斯巷進(jìn)行，巷道底板標(biāo)高為-39.3～+245 m，地面標(biāo)高+690～+805 m，壓裂目標(biāo)煤層為M6-3煤層。壓裂孔施工時(shí)，鉆孔需從下向上依次穿過(guò)M12～M6-3煤層。

根據(jù)相鄰工作面地質(zhì)資料，該區(qū)域M6-3煤層平均煤厚0.7 m，M7-3煤層平均煤厚1.18 m，M8煤層平均煤厚2.6 m，M8煤層至M7-3煤層層間距為7.6 m，M7-3煤層至M6-3煤層層間距為5.4m，空間分布為由上到下依次為M6-3、M7-3、M8煤層。煤巖層平均傾角2°，W1601中瓦斯巷頂板距M6-3煤層頂板平均70.8 m；W1601E瓦斯巷頂板距M6-3煤層頂板平均66.1 m；西一區(qū)-40邊界總回風(fēng)巷頂板距M6-3煤層頂板平均73.9 m。根據(jù)礦井瓦斯基本參數(shù)考察臺(tái)賬，該區(qū)域M6-3煤層原始瓦斯含量19.2 m3/t，M7-3煤層原始瓦斯含量21.98 m3/t，M8煤層原始瓦斯含量25.71 m3/t。

2.2 鉆孔布置

W1601E瓦斯巷共設(shè)計(jì)23個(gè)壓裂鉆場(chǎng)（共35個(gè)水力壓裂孔），相鄰鉆場(chǎng)間距50m，奇數(shù)鉆場(chǎng)每個(gè)鉆場(chǎng)2個(gè)壓裂孔，每個(gè)鉆孔終孔于M6-3煤層頂板0.5m；偶數(shù)鉆場(chǎng)每個(gè)鉆場(chǎng)1個(gè)壓裂孔，每個(gè)鉆孔終孔于M7-3煤層頂板0.5m。本次試驗(yàn)在7號(hào)、9號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)施，7-1、7-2為水力造穴壓裂孔，9-1、9-2為常規(guī)水力壓裂孔。壓裂孔采用水泥石膏機(jī)械封孔（水∶水泥∶石膏=10∶7∶3），利用三次封孔技術(shù)封孔至目標(biāo)煤層底板。

2.3 水力壓裂影響范圍考察

為準(zhǔn)確掌握水力造穴控制壓裂的影響范圍，本次試驗(yàn)采用鉆探的方法來(lái)考察壓裂的影響范圍。本次壓裂效果檢驗(yàn)鉆孔在壓裂孔周圍沿走向、傾向的兩側(cè)四個(gè)方向施工，檢驗(yàn)孔與壓裂鉆孔的距離分別為20～60 m，共施工鉆孔29個(gè)，并在孔口安裝能承受50 MPa壓力的壓力表，水力壓裂后觀察壓力表的壓力變化情況，當(dāng)壓力表上的壓力發(fā)生變化時(shí)，則說(shuō)明水力壓裂已經(jīng)影響到了檢測(cè)鉆孔位置，否則說(shuō)明壓裂范圍未到檢測(cè)孔位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2018年10月下旬完成了試驗(yàn)鉆孔和檢驗(yàn)鉆孔的施工，并組織對(duì)7-1#、7-2#試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行了割縫和壓裂，2019年在壓裂影響區(qū)域施工了掘進(jìn)條帶抽采鉆孔。

3.1 割縫情況

從割縫效果來(lái)看，水力造穴控制壓裂鉆孔7-1、7-2分別割出煤量296 kg、385 kg，計(jì)算割縫深度分別為0.76 m、0.86 m，基本符合預(yù)期要求。

3.2 壓裂情況

從壓裂情況來(lái)看，各試驗(yàn)鉆孔壓裂正常，無(wú)明顯壓穿裂隙現(xiàn)象，平均注水壓力為33MPa，每個(gè)孔注入水量400 t。從壓裂時(shí)間來(lái)看，水力造穴的壓裂鉆孔平均每孔注水耗時(shí)981 min，常規(guī)壓裂孔為1 050 min，水力造穴的壓裂孔注水速度較常規(guī)壓裂快約7%。

3.3 壓裂效果分析

檢驗(yàn)孔壓力變化情況：7-2#壓裂孔壓裂后，壓裂孔以南40 m、以東50 m、以西40 m、以北40 m范圍的測(cè)壓孔壓力顯示有明顯的變化；9-2#壓裂孔壓裂后，壓裂孔以南30 m、以東60 m、以西40 m、以北30 m范圍的測(cè)壓孔壓力顯示有明顯的變化。通過(guò)計(jì)算常規(guī)壓裂影響面積為4 564.55 m2，水力造穴控制壓裂影響面積為5 524.95 m2，影響面積比常規(guī)壓裂大21%。在壓裂4周后各檢驗(yàn)孔的壓力變化得較均勻，基本維持在5 MPa以下。

3.4 瓦斯抽采效果分析

該區(qū)域掘進(jìn)條帶抽采鉆孔鉆場(chǎng)間距8 m，鉆孔間距7 m，每個(gè)鉆場(chǎng)9個(gè)鉆孔。從考察鉆孔抽采163天的情況來(lái)看，常規(guī)壓裂后平均單孔抽采量為0.0 122 m3/min，水力造穴控制壓裂后平均單孔抽采量為0.0 135 m3/min，瓦斯抽采量提高了11%。

4 結(jié)論

（1）初步形成了一套水力造穴控制壓裂的施工工藝，“鉆孔施工——水力造穴——下套封孔——壓裂”整個(gè)過(guò)程采取視頻監(jiān)控，確保了工程質(zhì)量，整個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)一體化，確保了施工的安全，降低了施工成本，提高了效率，水力壓裂鉆孔下套、封孔、壓裂成功率100%。

（2）經(jīng)試驗(yàn)考察，鉆孔傾角越大越有利于鉆孔割縫排渣，水力造穴效果越好，越有利于提高注水速度和裂縫的延展，水力造穴控制壓裂對(duì)裂縫的延展方向能起到控制導(dǎo)向的作用，壓裂影響半徑為40～50 m，壓裂影響區(qū)域受壓均勻，壓裂影響面積比常規(guī)壓裂增大21%，注水時(shí)間縮短7%，瓦斯抽采量提高11%。

（3）建議實(shí)施水力壓裂后保壓期設(shè)置為1個(gè)月，壓裂區(qū)域的壓力平衡后再放水，然后進(jìn)行抽采鉆孔的施工，促使在平衡壓力時(shí)煤層進(jìn)一步被充分改造，有利于瓦斯的解析釋放，以便于提高瓦斯抽采效果。