李寶軍

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵二號(hào)煤礦屬高瓦斯礦井，同時(shí)又伴有全行業(yè)極為罕見(jiàn)的油型氣災(zāi)害[1-4]。油型氣與煤層瓦斯不同，其儲(chǔ)集層是煤層頂?shù)装宓纳皫r層，賦存狀態(tài)以游離態(tài)為主，揭露后快速逸散。工作面回采效率高、接續(xù)時(shí)間緊，瓦斯預(yù)抽時(shí)間短，鉆孔工程量大，鉆孔利用率低，施工周期長(zhǎng)，導(dǎo)致二盤(pán)區(qū)瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重且治理難度大。為了確保211綜采工作面安全順利回采，本著瓦斯精準(zhǔn)抽采原則，實(shí)現(xiàn)區(qū)域瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，解決工作面回采期間瓦斯治理難題，需要開(kāi)展瓦斯超前高效預(yù)抽技術(shù)研究，提高瓦斯預(yù)抽率、保障工作面安全高效回采。實(shí)踐證明，水力壓裂具有煤層增透、改變煤體強(qiáng)度等功效[5-8]。定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂綜合了定向鉆進(jìn)高效抽采技術(shù)和水力壓裂增透強(qiáng)化抽采的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高加快瓦斯治理效率、擴(kuò)大瓦斯治理規(guī)模[9-12]。為解決上述問(wèn)題，擬采用ZDY6000LD煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)在211回風(fēng)巷施工長(zhǎng)距離煤層定向鉆孔進(jìn)行水力壓裂工程研究及應(yīng)用。

1 工程概況

211工作面位于二盤(pán)區(qū)的西南，東北部為未采區(qū)，西南緊鄰209工作面，東南至北一一號(hào)輔運(yùn)大巷，工作面走向方位為339°，可采長(zhǎng)度3 900 m，煤層平均厚度3.0 m，工作面地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，為一單斜構(gòu)造，煤巖傾向東南，傾角為0°～4°，一般為2°。工作面采用U型通風(fēng)方式，隨著工作面的推進(jìn)，需要對(duì)各聯(lián)絡(luò)巷及進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷里段(輔運(yùn)巷)進(jìn)行封閉。

211回風(fēng)巷地面勘探鉆孔分布情況如圖1所示，依據(jù)區(qū)域鉆孔N47、N46、N44，繪制2號(hào)煤層和3號(hào)煤層之間地層剖面圖，如圖2所示。根據(jù)N47號(hào)鉆孔顯示，2號(hào)煤厚度3.75 m，f值約為1.16，埋深632.30 m，與3號(hào)煤層平均間距為13.5 m。層間巖性為粉砂巖和細(xì)砂巖互層，見(jiàn)表1。區(qū)域內(nèi)2號(hào)煤層與3號(hào)煤層間地層相對(duì)穩(wěn)定，主要為細(xì)粒砂巖和粉砂巖，由209輔運(yùn)巷向211工作面(長(zhǎng)度300 m)方向3號(hào)煤層頂板標(biāo)高變化不大，以上地質(zhì)條件為2號(hào)煤層鉆孔施工及壓裂提供了基礎(chǔ)條件。

表1 N47鉆孔巖性情況Table 1 Lithology of N47 borehole

圖1 施工區(qū)域地面勘探鉆孔分布情況Fig.1 Distribution of ground exploration boreholes in the construction area

圖2 2號(hào)煤層和3號(hào)煤層之間地層剖面Fig.2 Stratigraphic section between No.2 coal seam and No.3 coal seam

2 煤層鉆孔水力壓裂

2.1 壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到2號(hào)煤層鉆孔壓裂段距離較短，結(jié)合目前壓裂設(shè)備的性能，2號(hào)煤層鉆孔采用整體壓裂方式。壓裂鉆孔采用封隔器裸眼快速封孔工藝、封孔深度80 m，具體封孔深度根據(jù)實(shí)際鉆探情況選擇適宜坐封位置。水力壓裂液選擇為清水。依據(jù)煤層厚度、孔隙率、壓裂影響范圍等參數(shù)計(jì)算壓裂液用量，設(shè)計(jì)煤層孔壓裂液用量240 m3。

煤層破裂壓力通常采用地面鉆孔注入/壓降試井測(cè)試方法進(jìn)行直接測(cè)定，試驗(yàn)區(qū)煤層平均破裂壓力梯度范圍1.190×10-2～3.849×10-2MPa/m，壓裂施工區(qū)2號(hào)煤層平均埋深為630 m，計(jì)算得2號(hào)煤層破裂壓力為7.5～24.3 MPa。

2.2 壓裂工藝流程

壓裂前準(zhǔn)備包括壓裂場(chǎng)地布置、壓裂用電器設(shè)備配備、井下供水、供電、通風(fēng)、壓裂設(shè)備進(jìn)場(chǎng)組裝、壓裂設(shè)備試車(chē)等。水力壓裂工程施工主要包括送壓裂工具串(含封隔器、滑套工具)，孔口設(shè)備安裝，壓裂鉆孔封孔，壓裂設(shè)備操作流程，壓力、流量監(jiān)測(cè)，巷道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，壓裂結(jié)束判識(shí)等。施工流程如圖3所示。

圖3 水力壓裂施工流程Fig.3 Hydraulic fracturing construction process

2.3 鉆孔施工點(diǎn)選取

209輔運(yùn)巷8#聯(lián)巷以里進(jìn)行先期試驗(yàn)性施工階段，基于工作面回采期間的安全問(wèn)題，煤層鉆孔無(wú)法下入套管，對(duì)成孔質(zhì)量提出了較高要求，而施工區(qū)域受鄰近209工作面回采擾動(dòng)影響，F(xiàn)1號(hào)實(shí)驗(yàn)鉆孔成孔狀態(tài)不佳，施工期間出現(xiàn)塌孔、卡鉆、軌跡無(wú)法精確控制等問(wèn)題；F2號(hào)試驗(yàn)鉆孔壓裂施工中，出現(xiàn)工具串被埋、封隔器破損等情況。深入分析現(xiàn)場(chǎng)情況后，決定在209輔運(yùn)巷8#聯(lián)巷(暫未受采動(dòng)影響)及10#聯(lián)巷(鄰近工作面回采時(shí)間已久，地層相對(duì)穩(wěn)定)區(qū)域進(jìn)行壓裂鉆孔布置，如圖4所示。

圖4 施工點(diǎn)選取Fig.4 Selection of construction points

2.4 鉆孔施工及壓裂情況

在垂直于209輔運(yùn)巷向211工作面(長(zhǎng)度300 m)方向布置5個(gè)本煤層鉆孔，鉆孔編號(hào)分別為M1、M2、M3、M5、M6，根據(jù)施工區(qū)域現(xiàn)有鉆場(chǎng)布置以及已施工鉆孔情況，設(shè)計(jì)鉆孔間距54～80 m，鉆孔長(zhǎng)度240～280 m。鉆孔施工時(shí)先施工M6號(hào)壓裂孔，施工期間跟蹤觀(guān)測(cè)0～96 m范圍，其中39～40.5 m、41.5～42 m、47.5～48 m、50.5～54 m、56.5～57 m、74.5～75 m、86.5～87 m(煤屑呈片狀)范圍內(nèi)均存在夾矸現(xiàn)象；42～48 m范圍發(fā)生塌孔現(xiàn)象。后續(xù)鉆孔為了便于封隔器坐封，在不下入套管的前提下，提出了“先入頂板后進(jìn)煤層”的鉆探施工方式，即鉆孔先進(jìn)入2號(hào)煤層頂板，再改變角度進(jìn)入2號(hào)煤層進(jìn)行施工，并使用鉆孔沖洗液增強(qiáng)洗孔過(guò)程中排渣能力。以M5號(hào)孔為例，在后期壓裂過(guò)程中將封隔器坐封于頂板巖層中，保證了良好的封孔效果,如圖5所示。

圖5 M5號(hào)壓裂孔實(shí)鉆軌跡Fig.5 Actual drilling track of M5 fracturing borehole

鉆孔封孔采用裸眼快速封孔工藝，在升壓10～30 min時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓裂工具串的快速坐封，坐封壓力在14～15 MPa。施工的5個(gè)煤層鉆孔中單孔注水最大壓力為19 MPa，注水時(shí)長(zhǎng)為26 h，注水壓裂液用量為403.5 m3；5個(gè)鉆孔累計(jì)注水時(shí)長(zhǎng)為109.5 h，累計(jì)注水壓裂液用量1 557.5 m3，鉆孔施工及壓裂情況見(jiàn)表2。

表2 煤層定向長(zhǎng)鉆孔施工及壓裂情況Table 2 Construction and fracturing of directional long drilling in coal seam

3 壓裂效果

3.1 壓裂影響半徑

將壓裂孔鄰近的鉆孔作為水力壓裂影響范圍考察孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，在進(jìn)行M5號(hào)壓裂孔壓裂施工時(shí)，距其75 m處的M6號(hào)壓裂孔及D1底板孔均出水。分析現(xiàn)象后，除了壓裂致使煤層裂隙溝通外，不排除原生裂隙造成的影響，因此結(jié)合M1～M3壓裂出水情況，綜合得出可靠的水力壓裂影響半徑最小為36 m、最大達(dá)54 m。

3.2 抽采數(shù)據(jù)

本煤層孔壓裂后抽采濃度提升2～22倍，抽采純量提升3～10倍；壓裂鉆孔瓦斯初始涌出強(qiáng)度是未壓裂鉆孔的2倍、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)是未壓裂鉆孔的60%，煤層的可抽性顯著增加。壓裂區(qū)域本煤層預(yù)抽孔平均百米抽采純量為0.118 m3/min，是未壓裂鉆孔的2倍，壓裂孔平均百米抽采純量為0.297 m3/min，是未壓裂鉆孔的4倍。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證

通過(guò)在高瓦斯區(qū)域2號(hào)煤層實(shí)施水力壓裂，提高煤層預(yù)抽效果，有效降低了2號(hào)煤層瓦斯殘存量。在回采過(guò)程中，與209相鄰工作面同區(qū)段相比，煤層殘余瓦斯含量降低至1～2 m3/t之間，工作面回風(fēng)超前以及回風(fēng)流甲烷濃度嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行，工作面采煤進(jìn)尺由每班6刀提高到8刀，日產(chǎn)煤量較鄰近工作面同區(qū)域增加了2 400 t，工作面瓦斯超前強(qiáng)化抽采有效促進(jìn)了礦井煤炭高效開(kāi)采。

4 結(jié)論

(1)采用“先入頂板后進(jìn)煤層”的施工方式，形成了“本煤層鉆孔裸眼快速封孔”工藝，在不下入套管的前提下，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地層條件下壓裂鉆孔的裸眼快速封孔，滿(mǎn)足了井下高壓力、大排量水力壓裂施工對(duì)封孔質(zhì)量的要求，使封孔更為簡(jiǎn)潔便利，壓裂結(jié)束后該套設(shè)備可以回收并重復(fù)使用，降低了壓裂工程成本。

(2)形成了一套適合于二號(hào)煤礦煤層水力壓裂成套工藝，主要包括壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)、壓裂設(shè)備選型、快速封孔技術(shù)、泵注流程、保壓及洗孔作業(yè)、安全技術(shù)措施、壓裂效果考察等方面。

(3)定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂能夠有效提高黃陵礦區(qū)煤層瓦斯與油型氣治理效率、擴(kuò)大瓦斯治理規(guī)模，能夠?qū)崿F(xiàn)大區(qū)域煤巖層增透強(qiáng)化抽采的目標(biāo)，礦井瓦斯抽采率大幅提高、煤層瓦斯(油型氣)可抽性有效改善、回采面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)周期明顯縮短，緩解了礦井“抽、掘、采”矛盾，保障了礦井安全生產(chǎn)，有效促進(jìn)了煤炭綠色高效開(kāi)采。