賈秉義，陳冬冬，吳 杰，孫四清，王建利，趙繼展，張 杰

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400)

隨著礦井開采規(guī)模的逐漸加大和機械化、智能化程度的不斷提高，瓦斯治理對礦井采掘接續(xù)的影響日益凸顯，區(qū)域瓦斯超前治理勢在必行[1-2]。我國大部分礦區(qū)地質條件復雜，煤層碎軟，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，本煤層鉆孔施工困難[3-4]。常規(guī)的保護層開采、底板穿層鉆孔、本煤層鉆孔瓦斯抽采，技術適用性較差、施工成本高、鉆孔工程量大、瓦斯抽采時間長、抽采效果較差[5-6]。定向長鉆孔以其鉆孔軌跡精確可控、施工能力強、效率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，在礦井瓦斯防治，地質構造探查，礦井水害防治等方面已廣泛應用[7-9]。受限于煤層條件，并非所有礦井都具備本煤層定向長鉆孔施工條件，因此，頂板梳狀長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯成為新的選擇。但是頂板梳狀長鉆孔煤層暴露面積有限，若不采取強化增透措施，擴大煤層暴露面積，單純依靠頂板梳狀長鉆孔進行區(qū)域瓦斯抽采，效果有限。水力壓裂技術是目前廣泛應用的針對低滲儲層增產改造的技術措施，將頂板梳狀長鉆孔和水力壓裂技術相結合，可以增加煤層的暴露面積，縮短瓦斯向鉆孔空間運移的距離，有效提高頂板梳狀長鉆孔瓦斯抽采效果。張群等[10]提出了碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂煤層氣高效抽采模式，并在淮北礦區(qū)成功應用，取得了很好的應用效果。筆者曾在韓城礦區(qū)王峰煤礦進行了頂板梳狀孔整體壓裂現(xiàn)場試驗，壓裂后鉆孔日均抽采瓦斯純量17.02 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采純量為5.99 m3/min，抽采效果良好[11]。初步說明了在煤層頂板施工鉆孔并進行水力壓裂增透的可行性。受限于設備能力和煤礦井下作業(yè)環(huán)境和作業(yè)條件，目前煤礦井下水力壓裂技術主要應用于底板穿層鉆孔[12-13]、本煤層順層長鉆孔[14-15]，底板穿層長鉆孔[16-17]等工程試驗中。付江偉等[18]對煤礦井下頂板鉆孔水力壓裂增透機理進行了探討，但并未進行現(xiàn)場應用。張群等[10]、許耀波等[19]主要針對地面煤層氣頂板水平井分段壓裂技術進行了研究，有關煤礦井下頂板長鉆孔分段水力壓裂增透瓦斯強化抽采相關應用情況鮮見報道。

為此，在前人研究成果的基礎上，為了進一步探索瓦斯高效預抽技術的適用性，在韓城礦區(qū)桑樹坪二號井開展煤礦井下頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂瓦斯強化抽采試驗，為區(qū)域瓦斯高效抽采提供借鑒。

1 技術原理

瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于煤儲層孔裂隙中，且二者處于動態(tài)平衡。因此，如何打破瓦斯賦存的平衡狀態(tài)，實現(xiàn)瓦斯持續(xù)解吸并快速向鉆孔空間流動是瓦斯抽采的關鍵。頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術主要通過封隔器、單流閥、投球滑套、低密度球等工具在鉆孔主孔裸眼內座封將鉆孔分成若干段，然后通過大排量、高壓水動力使2個封隔器之間的煤層頂板巖層發(fā)生起裂，促使裂縫擴展、延伸等行為。由于頂板巖層和煤層之間的抗拉強度、彈性模量差異較大，隨著水力壓裂的持續(xù)進行，頂板巖層中形成的人工裂縫向煤層中延伸，并與天然裂縫以及煤巖結合部的弱面有效貫通，形成以分支孔為一級通道，裂縫系統(tǒng)為二級通道的多級滲流網絡通道，縮短瓦斯運移距離，提高瓦斯抽采效果。此外，形成的裂縫系統(tǒng)加大了煤層的暴露面積，縮短了瓦斯在煤層內的運移距離，煤層瓦斯以最短距離運移至頂板縫隙所形成的“滲流通道”上，在負壓和濃度差的雙重作用下，經鉆孔被快速抽出。隨著擴散的持續(xù)進行，下部煤層與上部煤層之間的瓦斯?jié)舛炔钪饾u加大，下部煤層中的瓦斯也開始解吸，向上部運移，隨著煤基質表面瓦斯不斷解吸，煤基質收縮，煤層中裂縫系統(tǒng)進一步延伸，瓦斯運移難度進一步降低[18-22]。煤層頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂瓦斯強化抽采技術原理如圖1所示。

2 試驗區(qū)概況與試驗方案

2.1 礦井概況

桑樹坪二號井位于鄂爾多斯盆地東緣韓城礦區(qū)東北部，礦井采用斜井開拓。井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)-二疊系下統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤3層，其中可采煤層2層(表1)。礦井主采二疊系山西組3號煤層，煤層平均厚度為5.97 m，3號煤層與下部的11號煤層平均間距為53.59 m。

圖1 頂板梳狀長鉆孔水力壓裂瓦斯強化抽采原理Fig.1 Schematic diagram of enhanced gas drainage by hydraulic fracturing with comb-shaped long hole in roof

表1 韓城桑樹坪煤礦主要可采煤層Table 1 Main mineable coal seams in Sangshuping mine，Hancheng coal mine

試驗地點位于礦井北部北膠帶大巷3309工作面1號回風巷道開口處(圖2)，試驗區(qū)為一單斜構造，地層傾角3°～9°，平均6°，地質構造簡單。3號煤層偽頂為泥巖，厚度為0.05～0.20 m。直接頂為灰黑色粉砂巖，厚度為1.5～1.8 m，較致密堅硬?；卷敒橹?、細粒砂巖，厚度為3.0～8.0 m，較致密堅硬。試驗區(qū)域3號煤層為突出煤層，煤層空氣干燥基甲烷含量均值為6.75～7.90 m3/t、平均7.18 m3/t，實測煤層最大瓦斯壓力0.94 MPa，最大瓦斯放散初速度Δp為11，堅固性系數(shù)f值最小為0.20，煤的破壞類型為Ⅳ類。3號煤層含有軟分層，煤層透氣性差，本煤層鉆孔施工困難。礦井主要采用本煤層順層密集鉆孔進行瓦斯抽采，存在鉆孔施工深度淺，瓦斯抽采效果差，無法實現(xiàn)大面積區(qū)域超前預抽等問題。

2.2 試驗方案

為了保證鉆孔孔壁完整，避免出現(xiàn)塌孔、縮頸等孔內事故，頂板梳狀長鉆孔主孔應布置在砂巖層中，同時主孔與煤層距離不宜太大。通過分析試驗區(qū)地質條件及3號煤層頂板巖性，本次試驗鉆孔主孔布置在距3號煤層約2.8 m的砂巖層中，由主孔向下施工分支孔進入煤層。由于試驗區(qū)巷道沿煤層頂板掘進，故鉆孔開孔點位于3號煤層，開孔點距煤層頂板1 m，受現(xiàn)場條件限制，同時為了施工安全便捷，設計開孔角度12°，方位角0°。鉆孔采用二開結構，一開回轉鉆進，孔徑?146 mm，鉆進至目標巖層后停鉆，下入外徑?127 mm無縫鋼套管護孔，水泥漿帶壓封孔。二開定向鉆進，采用前進式分支孔工藝。

圖2 壓裂鉆孔實鉆軌跡Fig.2 Actual drilling trajectory

為了使壓裂區(qū)域裂縫分布更加均勻，同時避免壓裂后直接卸壓導致的塌孔、煤粉返出等影響水力壓裂施工效果，本次試驗采用不動管柱分段水力壓裂工藝，分4段進行壓裂試驗，壓裂順序為由孔底到孔口，第一段壓裂完成后進行第二段壓裂，同時第一段處于保壓狀態(tài)，以此類推，直至完成全部4段的水力壓裂施工。水力壓裂工具串主要包括封隔器、投球滑套、壓差滑套、投球器及低密度球等。為避免壓裂液對煤儲層造成傷害，本次選擇清水壓裂液。試驗區(qū)煤層埋藏深度約332 m，煤層破裂壓力梯度為2.23 MPa/hm，計算的地層破裂壓力7.41 MPa。結合試驗區(qū)煤層厚度，鉆孔覆蓋范圍及預估水力壓裂影響范圍初步設計鉆孔累計注水量約1 780 m3。

3 試驗結果分析

3.1 鉆探及水力壓裂施工

施工鉆孔一開孔深63 m，下入無縫鋼套管60 m。鉆孔主孔長度588 m，包含8個分支孔，總進尺1 188 m，其中煤層段進尺227 m，巖層段進尺961 m，累計鉆進時間37 d。鉆孔主孔鉆遇巖層為中、細粒砂巖，主孔與煤層頂部距離為0～3.28 m，分支孔鉆遇地層巖性主要為粉砂巖、粉砂質泥巖及其互層。鉆孔平面覆蓋范圍約12.5 m。鉆孔施工軌跡如圖2所示，鉆探及水力壓裂施工情況見表2。

表2 鉆探及水力壓裂施工數(shù)據(jù)Table 2 Drilling and hydraulic fracturing data

運用BYW65/400型煤礦井下壓裂泵組對鉆孔進行注水壓裂，累計壓裂液用量2 012 m3、最大泵注壓力8.74 MPa，累計壓裂用時55 h 33 min。水力壓裂施工結束后，進行鉆孔保壓，鉆孔保壓5 d后，孔口壓力恢復至2.1 MPa，之后壓力恢復緩慢，進行人工排水卸壓，累計排水約6 h，排出水量約22.5 m3。

3.2 試驗效果分析

3.2.1 水力壓裂影響半徑

為了驗證頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂施工效果，確定水力壓裂影響半徑，運用全水分分析和孔內瞬變電磁剖面探測2種方式進行了水力壓裂影響半徑探測。

①煤樣全水分分析 水力壓裂施工后壓裂影響范圍內煤層的含水率要高于原始煤層含水率，據(jù)此可確定水力壓裂的影響范圍[23]。本次全水分分析煤樣取樣是在壓裂鉆孔兩側施工本煤層順層鉆孔，鉆孔最大深度130 m，采用平行鉆孔布置方式，鉆孔間距10 m。共設計8個取樣鉆孔，累計取樣13組。其中Y12號和Y13號樣品為原始煤樣，其余樣品為壓裂鉆孔附近煤樣。取樣鉆孔開孔方位角均為0°，傾角均為3°。取樣點布置及全水分測試結果見表3。

表3 壓裂影響半徑考察取樣點分布及測試結果Table 3 Distribution of sampling points and test results for investigation of fracturing influence radius

測試結果顯示，原始煤樣(Y12號和Y13號)樣品全水分分別為1.0%和0.8%，取原始煤樣全水分含量平均值0.9%，高于該值則說明取樣點在壓裂影響范圍內，反之則取樣點不在壓裂影響范圍內。由于定向鉆孔開分支孔需向左右兩側偏移，因此，實際取樣點距壓裂鉆孔距離與設計值存在偏差，通過在平面圖上測量取樣點與壓裂鉆孔的平面距離，確定該點與鉆孔的實際距離。結合全水分測試結果和取樣點與壓裂鉆孔的平面距離，確定水力壓裂影響半徑為鉆孔右側39.63 m(8號樣)，鉆孔左側20.27 m(9號樣)，綜合確定本次水力壓裂影響范圍最大為39.63 m。

②孔內瞬變電磁剖面探測 瞬變電磁對低電阻率介質反應敏感，通常情況下當?shù)貙觾葻o富水區(qū)、導水裂縫或構造時，地層視電阻率有序變化，斷面圖上視電阻率等值線變化穩(wěn)定。當存在富水區(qū)、導水裂縫或者構造時視電阻率值降低，斷面圖上視電阻率等值線分布表現(xiàn)為扭曲、變形或呈密集條帶等形狀?？變人沧冸姶牌拭嫣綔y技術的原理即是通過探測水力壓裂前后鉆孔徑向范圍內地層視電阻率的變化來分析地層富水性或者導水性的變化，進而確定水力壓裂的影響半徑[24-25]。

本次在水力壓裂施工前后均進行了孔內瞬變電磁剖面探測，受限于探測設備，本次探測最大深度為距孔口120 m，由于孔口段有60 m無縫鋼套管，故本次有效探測范圍為壓裂鉆孔距孔口60～120 m。探測結果顯示，水力壓裂施工前地層視電阻率平均108.72 Ω·m，施工后地層視電阻率平均103.56 Ω·m，壓裂后地層視電阻率較壓裂前明顯降低，說明在水力壓裂作用下地層富水性增加或者存在導水通道，探測區(qū)域在水力壓裂影響范圍內。

通過水平分量分解，分析裂隙與鉆孔的方位關系，結果顯示，本次水力壓裂形成的主裂縫最大延伸范圍達30 m，延伸方向均為鉆孔下方。

此外，桑樹坪二號井3號煤層頂板巖層抗拉強度4.0～6.6 MPa，彈性模量13.7～19 GPa，3號煤層抗拉強度0.3 MPa，彈性模量4.9 GPa[26]，文獻[22]表明，在煤巖層抗拉強度和彈性模量相差較大的情況下，水力壓裂裂縫更容易實現(xiàn)穿層擴展。進一步驗證了本次水力壓裂形成的裂縫主要位于鉆孔下方并向煤層延伸。

3.2.2 抽采效果分析

①壓裂鉆孔瓦斯抽采 頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂施工結束后，將壓裂鉆孔連接至瓦斯抽采系統(tǒng)中，收集壓裂鉆孔抽采93 d內的瓦斯數(shù)據(jù)，瓦斯抽采純量和瓦斯含量變化曲線如圖3所示。由圖中可知，壓裂鉆孔瓦斯抽采量曲線變化情況總體可分為3個階段，排水階段、抽采量增長階段和抽采量穩(wěn)定階段。

圖3 壓裂鉆孔瓦斯抽采曲線Fig.3 Gas extraction curve of fracturing borehole

抽采初期由于鉆孔內出水量較大，鉆孔瓦斯抽采量較小，屬于排水階段，持續(xù)時間約43 d，該階段鉆孔瓦斯抽采純量0.33～1.02 m3/min，平均0.60 m3/min，抽采瓦斯體積分數(shù)為19.6%～54.0%，平均31.7%。隨著抽采時間的增加及鉆孔出水量的減少，鉆孔瓦斯抽采量開始增長，進入瓦斯抽采量增長階段，該階段持續(xù)時間約30 d，該階段鉆孔瓦斯抽采純量0.84～1.93 m3/min，平均1.41 m3/min，瓦斯體積分數(shù)為31.0%～56.0%，平均47.7%。累計抽采約73 d后，鉆孔瓦斯抽采量趨于穩(wěn)定，進入抽采量穩(wěn)定階段。該階段抽采純量0.80～1.60 m3/min，平均1.18 m3/min，瓦斯體積分數(shù)40.0%～52.0%，平均43.5%。

②不同技術抽采效果對比 壓裂鉆孔累計進尺1 188 m，其中煤層段進尺227 m，巖層段進尺961 m，孔口下入60 m套管，因此，鉆孔有效抽采進尺為1 128 m。根據(jù)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)，計算的抽采93 d內百米鉆孔瓦斯抽采純量0.096 m3/min?，F(xiàn)場試驗過程中收集了試驗區(qū)附近本煤層順層鉆孔及超高壓水力割縫鉆孔瓦斯抽采情況。收集了鄰近的3307工作面二號回風巷道本煤層順層鉆孔200個，單孔深度180 m，日均抽采瓦斯混合流量37.26 m3/min，抽采瓦斯體積分數(shù)23.28%，換算成百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.024 m3/min。鄰近的3306工作面共進行了5個鉆孔的超高壓水力割縫，單孔深度80 m，5個鉆孔累計平均抽采瓦斯純量0.32 m3/min，換算成百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.08 m3/min。由此可見，頂板梳狀長鉆孔水力壓裂后鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是水力割縫鉆孔的1.2倍，是本煤層順層鉆孔的4.0倍(圖4)。

圖4 不同工藝技術抽采效果對比Fig.4 Comparison of extraction effect of different technology

4 結論

a.將煤礦井下定向鉆進技術和分段水力壓裂技術相結合，開發(fā)出適用于碎軟低滲煤層的頂板梳狀長鉆孔不動管柱分段水力壓裂技術。在韓城桑樹坪礦井實現(xiàn)了梳狀長鉆孔主孔588 m，包含8個分支孔，鉆孔累計進尺1 188 m，分4段進行水力壓裂，累計注水2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa的技術突破，為碎軟低滲煤層區(qū)域瓦斯高效預抽提供了技術支撐。

b.在韓城桑樹坪礦井試驗表明，頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術可以顯著增加鉆孔影響范圍。煤樣全水分分析和孔內瞬變電磁剖面探測結果顯示，本次水力壓裂影響半徑大于30 m。理論分析和現(xiàn)場實測結果均顯示水力壓裂形成的裂縫主要位于鉆孔下方，且向煤層延伸。

c.由分支孔和壓裂形成的裂縫組成的二級網絡系統(tǒng)可以有效縮短瓦斯運移距離，提高瓦斯抽采效果。壓裂鉆孔穩(wěn)定抽采階段抽采純量平均1.18 m3/min，抽采瓦斯體積分數(shù)平均43.5%。將水力壓裂鉆孔抽采量和本煤層順層鉆孔、超高壓水力割縫鉆孔瓦斯抽采量分別進行對比，頂板梳狀長鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是前者的4.0倍，是后者的1.2倍。

d.受限于現(xiàn)場作業(yè)條件，本次只進行了一個鉆孔的試驗，試驗樣本數(shù)量較少。試驗過程中監(jiān)測手段、壓裂影響半徑、施工效果考察等手段和裝備相對缺乏，導致試驗效果考察不夠深入全面。本次試驗雖初步說明了頂板梳狀長鉆孔分段水力壓裂技術能夠實現(xiàn)碎軟低滲煤層區(qū)域瓦斯高效預抽，但是相關機理及參數(shù)仍需進一步的深入研究。