陳冬冬

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤炭工業(yè)已進(jìn)入新一輪的快速發(fā)展階段，高強(qiáng)度、集約化的煤炭開采已成為主流，同時，煤炭開采深度以每年10～25 m的速度增加[1，2]。隨著煤炭開采規(guī)模和開采深度的不斷增加，礦井瓦斯涌出量亦逐年増大，部分煤礦由低瓦斯礦井升級為高瓦斯礦井，如陜西省黃隴煤田的黃陵、彬長、焦坪、旬耀等礦區(qū)高瓦斯礦井?dāng)?shù)量不斷增多。在此背景下，采用常規(guī)密集鉆孔瓦斯預(yù)抽方式面臨鉆孔工程量大、抽采效果不理想、抽采達(dá)標(biāo)周期長等問題，瓦斯治理效率與工作面回采進(jìn)度不匹配，瓦斯問題制約煤炭生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，直接導(dǎo)致礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)煤量不足、采掘接續(xù)緊張，亟待需求更加高效的瓦斯治理手段。

定向長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)化抽采技術(shù)優(yōu)勢，能夠有效提高瓦斯抽采效率、擴(kuò)大鉆孔瓦斯治理范圍；在我國的陽泉、韓城、焦作、黃陵、新疆等多個礦區(qū)開展了技術(shù)應(yīng)用，取得了較好效果[3-10]。該項技術(shù)由中煤科工西安研究院提出并自主研發(fā)了煤礦井下定向長鉆孔裸眼分段水力壓裂成套裝備，已形成了碎軟煤層頂(底)板梳狀孔分段水力壓裂、中硬煤層定向長鉆孔整體水力壓裂以及硬煤層順層長鉆孔分段水力壓裂等瓦斯高效抽采技術(shù)體系[11，12]。但是，鑒于裸眼分段水力壓裂核心部件的封隔器材質(zhì)、膨脹與解封原理的限制，目前井下分段水力壓裂工藝還主要集中在碎軟煤層頂板或底板穩(wěn)定砂巖層和硬煤層順層鉆孔中(文獻(xiàn)[4]中煤的堅固性系數(shù)(f值)在2.0左右)，由于無法解決中硬煤層(f≈1～1.5)裸眼鉆孔內(nèi)封隔器的有效封隔以及封隔器易遇阻導(dǎo)致孔內(nèi)事故頻發(fā)等問題而實際應(yīng)用較少，現(xiàn)有應(yīng)用僅以文獻(xiàn)[9]所采用的“先入頂板后進(jìn)煤層”布孔方式將封隔器坐封于頂板砂巖層中實施鉆孔整體壓裂，且壓裂鉆孔長度僅為240～285 m，隨著鉆孔深度的進(jìn)一步增加，整體水力壓裂將不再適用，因此，中硬煤層分段水力壓裂技術(shù)亟待突破。本文以彬長礦區(qū)中硬煤層為研究對象，在常規(guī)分段水力壓裂工藝的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化壓裂參數(shù)和改進(jìn)節(jié)流器，成功實施了中硬煤層順層分段水力壓裂，施工功效與瓦斯抽采效果較常規(guī)措施大幅提升，為中硬煤層順層定向長鉆孔區(qū)域瓦斯高效抽采提供了一種新的途徑。

1 研究區(qū)概況

彬長礦區(qū)是我國14個億噸級國家重點大型煤炭基地之一的黃隴煤田的重要組成部分，總面積913 km2，煤炭地質(zhì)儲量78.91億t[13]。礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北撓褶帶北緣、太峪背斜北翼，地層區(qū)劃屬陜甘寧地層區(qū)鄂爾多斯地層分區(qū)，地層由南東向北西傾斜，傾角平緩，一般1°～3°，斷層不發(fā)育，未見巖漿活動，地質(zhì)構(gòu)造類型屬簡單型。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，4號煤層為礦區(qū)主采煤層，全區(qū)分布，煤層平均厚度19.39 m，屬低變質(zhì)的長焰煤、局部為氣煤[14]。4號煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主，實測煤的堅固性系數(shù)(f值)為1.01～1.25，屬中硬煤層，煤層瓦斯含量在3.5～5.9 m3/t。礦區(qū)內(nèi)普遍采用綜采放頂煤開采工藝，煤炭開采規(guī)模大，礦井瓦斯涌出量逐漸增大，以大佛寺煤礦為例，2019年，礦井絕對瓦斯涌出量已達(dá)160.69 m3/min。

為了研究4號煤層水力壓裂的適用性，選取大佛寺煤礦4號煤層開展室內(nèi)水力壓裂試驗，設(shè)定水壓15 MPa、保壓48 h，并利用掃描電鏡對壓裂前和壓裂后的煤樣進(jìn)行不同放大倍數(shù)下的觀測，對比分析水力壓裂作用下煤體孔隙結(jié)構(gòu)變化特征，結(jié)果如圖1所示。由圖1看出：壓裂后煤樣孔隙、裂隙數(shù)量較壓裂前明顯增多，孔徑尺寸更大，孔隙與裂隙之間的連通性也明顯提升，說明水力壓裂對4號煤層的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征改造效果顯著。

圖1 煤樣壓裂前和壓裂后掃描電鏡結(jié)果

2 常規(guī)分段水力壓裂技術(shù)應(yīng)用

2.1 長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)

長鉆孔分段水力壓裂以傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)原理為基礎(chǔ)，以定向鉆孔為載體，解決定向長鉆孔水力壓裂面臨的泵注能力不足及整體壓裂不均衡問題，即將定向深孔分為多段獨立實施封隔壓裂，以達(dá)到降低非必要的地層濾失的目的。長鉆孔水力壓裂裝備主要由高壓力、大排量的壓裂泵組和能實現(xiàn)孔內(nèi)定點、快速封隔的壓裂工具串組成。具體操作步驟為：完成定向鉆孔施工后，將壓裂工具串送入孔內(nèi)指定位置，通過雙封隔器單卡壓裂目標(biāo)層段。當(dāng)管柱內(nèi)流體達(dá)到一定壓力后封隔器實現(xiàn)完全坐封，繼續(xù)增大壓力達(dá)到節(jié)流器開啟壓力后，節(jié)流器打開，流體注入地層，實現(xiàn)目標(biāo)層段的壓裂施工[15]。當(dāng)泵注壓力大于煤層破裂壓力后，煤層產(chǎn)生新的裂縫系統(tǒng)并溝通原有天然裂隙。當(dāng)完成第一段壓裂后，關(guān)停壓裂設(shè)備，孔口排水卸壓；隨后，利用定向鉆機(jī)拖動孔口高壓管柱，將封隔器拖動至第二段設(shè)計位置并進(jìn)行壓裂施工，依次完成鉆孔所有壓裂段的實施。相鄰壓裂段形成三維連續(xù)裂縫，煤體孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)得到改善，透氣性提高，從而實現(xiàn)煤層區(qū)域均衡增透和瓦斯高效抽采。長鉆孔分段水力壓裂煤層增透工藝如圖2所示。

圖2 長鉆孔分段水力壓裂工藝

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

在大佛寺煤礦40103工作面開展了1#鉆孔的分段水力壓裂試驗，鉆孔長度606 m，采用二開孔身結(jié)構(gòu)，其中，一開鉆孔孔深80 m，直徑為193 mm，成孔后下入?133 mm套管；二開鉆孔直徑為94 mm，設(shè)計壓裂7段，鉆孔平面軌跡及壓裂段位置如圖3所示。壓裂段工具組合由內(nèi)向外依次為導(dǎo)向器、封隔器1、節(jié)流器和封隔器2，且所用節(jié)流器為常規(guī)的彈簧式定壓節(jié)流器，每段坐封位置均為煤層。1#鉆孔壓裂施工歷時12 d，泵注壓力7.30～17.80 MPa，壓裂液總用量824 m3，具體實施情況見表1。由表1統(tǒng)計的整個施工過程來看，僅第5段和第6段相對正常，第2段、第4段和第7段均出現(xiàn)了嚴(yán)重的封隔器卡死、工具串無法拖動現(xiàn)象，最終無法解卡致使壓裂段工具脫落；第1段和第3段出現(xiàn)封隔器爆裂，孔口大量返水?？梢钥闯?，雖然完成了1孔次的分段水力壓裂實施，但在中硬煤層中采用常規(guī)分段水力壓裂工藝存在壓裂施工工期長、孔內(nèi)事故率高、風(fēng)險大等特點，1#鉆孔5段故障壓裂段共損失8個封隔器、40余米的管柱及部件，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，顯然不利于技術(shù)工藝在該類煤層中的推廣應(yīng)用。

表1 1#鉆孔分段水力壓裂實施情況

圖3 1#鉆孔軌跡與壓裂段位置

3 工藝優(yōu)化與改進(jìn)

通過對1#鉆孔分段水力壓裂實施情況(見表1)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)封隔器爆裂甚至卡死的5段壓裂，均發(fā)生在泵注壓力較高和排量較大的段次，其中，泵注壓力大于11 MPa的有4次(第1段至第4段)，且泵注排量均大于35 m3/h，而第5段和第6段由于泵注壓力較低、排量較小，雖然也發(fā)生了封隔器的輕微遇阻，但遇阻程度相對較輕。為此，基于以上初步分析，結(jié)合常規(guī)分段水力壓裂工具組合與工藝特點，對中硬煤層順層分段水力壓裂施工關(guān)鍵參數(shù)和節(jié)流器裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 封隔器坐封壓力優(yōu)化

擴(kuò)張式封隔器的功能主要依靠膠筒與井壁之間的摩擦力來實現(xiàn)，即摩擦力越大，密封性能就越好。但不是摩擦力(摩擦因數(shù))越大越好[16]，過大的摩擦力會增加坐封過程中膠筒與井壁之間的軸向摩擦，增大膠筒的軸向變形，影響封隔器性能。為此，以4#煤層物理力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法，分析封隔器在6.0 MPa和10.0 MPa坐封壓力下的受力及變形情況。模擬采用ABAQUS有限元軟件，設(shè)置膠筒長度1200 mm，煤層孔直徑100 mm(水平孔，彈性模量1.3×109Pa，泊松比0.2)，膠筒內(nèi)心為鋼帶，寬度25 mm，厚度5 mm，屈服強(qiáng)度240 MPa。膠筒本構(gòu)模型采用ABQUS-Mooney-Rivlin雙參數(shù)模型，抗拉(張)強(qiáng)度28 MPa。膠筒與上下接頭為綁定接觸，上下接頭兩端、裸眼井壁設(shè)置為固定約束。應(yīng)用大變形算法，膠筒與套管的接觸為復(fù)雜非線性接觸，膠筒網(wǎng)格劃分采用高階縮減積分 CPS8R單元，其他實體采用四面體單元 C3D10單元。

封隔器內(nèi)壓6 MPa和10 MPa時鋼帶和膠筒最大應(yīng)力分布模擬結(jié)果分別如圖4和圖5所示，由圖可知：注液開始壓裂后，封隔器膠筒擴(kuò)張與鉆孔壁面接觸，兩端受約束產(chǎn)生變形，最大應(yīng)力和變形均位于肩部[17]。封隔器內(nèi)壓為6 MPa時，鋼帶局部最大應(yīng)力已達(dá)752.98 MPa、超過屈服強(qiáng)度240 MPa，將產(chǎn)生嚴(yán)重變形或折斷，但此時，膠筒應(yīng)力為13.531 MPa、小于抗拉強(qiáng)度28 MPa，膠筒仍完好。當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa時，鋼帶局部最大應(yīng)力達(dá)586.91 MPa，膠筒應(yīng)力已達(dá)28.021 MPa，繼續(xù)增加內(nèi)壓，膠筒將出現(xiàn)較大的“肩突”，造成極大的應(yīng)力集中導(dǎo)致爆裂[18]。進(jìn)一步表明，緩慢增加內(nèi)壓有助于減小鋼帶應(yīng)力集中和變形。因此，在地層起裂壓力范圍內(nèi)，可通過緩注壓裂液(即減小泵注排量)和控制最大泵壓方式減少封隔器鋼帶過度變形和膠筒破裂的可能性。經(jīng)計算，研究區(qū)4#煤層破裂壓力為5.14～8.60 MPa，在保障滿足破裂煤層的泵注壓力下，結(jié)合模擬結(jié)果，分析確定泵注壓力不超過10 MPa，且應(yīng)采取降低泵注排量的措施。

圖4 封隔器內(nèi)壓6 MPa時鋼帶和膠筒應(yīng)力分布

圖5 封隔器內(nèi)壓10 MPa時鋼帶和膠筒應(yīng)力分布

3.2 節(jié)流器改進(jìn)

常規(guī)“雙封單卡”分段水力壓裂工藝壓裂段出水裝置為彈簧式定壓節(jié)流器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。彈簧式定壓節(jié)流器作用機(jī)制為：泵注流體經(jīng)管柱上的水槽作用在凡爾上，當(dāng)流體壓力達(dá)到凡爾設(shè)計開啟壓力(一般為3～5 MPa)時，凡爾壓縮彈簧離開凡爾座接頭，凡爾開啟，流體經(jīng)凡爾座接頭和凡爾開啟后所形成的環(huán)形空間(水流出口)注入地層；當(dāng)管柱內(nèi)流體壓力低于設(shè)計壓力時，凡爾關(guān)閉，節(jié)流器恢復(fù)密封狀態(tài)?；趶椈墒蕉▔汗?jié)流器原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，流體在出水口受到凡爾的擠壓，水流以噴射狀散出。

圖6 彈簧式定壓節(jié)流器結(jié)構(gòu)

對于裸眼壓裂而言，由于地層孔隙和裂隙的客觀存在，封隔器在水力壓裂實施過程中，受到外端自由面和里端高壓水壓差的影響，經(jīng)常出現(xiàn)孔口淋水和流水等封隔效果不佳的現(xiàn)象，致使高壓水?dāng)y帶的煤巖屑在封隔器里端沉積，如圖7所示[19]，煤巖力學(xué)性質(zhì)越低、結(jié)構(gòu)越破碎，該現(xiàn)象就越突出?；趶椈墒蕉▔汗?jié)流器的特點，節(jié)流器關(guān)閉后，地層中液體壓力大于節(jié)流器關(guān)閉壓力和管柱壓力。封隔器依賴管柱壓力進(jìn)行解封，一旦管柱內(nèi)壓力卸除，封隔器即解封收縮，沉積在封隔器里端的煤巖屑將迅速流向封隔器與孔壁之間的空隙，導(dǎo)致封隔器遇阻被卡，如圖8所示。加之，由于煤體力學(xué)強(qiáng)度較低，彈簧式定壓節(jié)流器所產(chǎn)生的水射流作用會促使其影響區(qū)的煤體垮塌、掉塊，大幅增加封隔器里端沉積的煤巖屑量，加劇封隔器遇阻被卡程度。

圖7 壓裂過程煤巖屑在封隔器里端沉積

圖8 卸壓解封時封隔器遇阻被卡

為此，對節(jié)流器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖9所示。新型節(jié)流器采用內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒上圍繞管柱四周均勻分布4個圓孔(內(nèi)圓孔)，外筒上圍繞其四周均勻分布4個長孔(外長孔)，安裝內(nèi)、外筒時，使內(nèi)圓孔與外長孔交叉45°組裝。新結(jié)構(gòu)使得壓裂過程中高壓水先經(jīng)節(jié)流器內(nèi)圓孔噴出射向外筒，通過內(nèi)圓孔噴射出的水流受外筒實體阻擋改變水流形態(tài)和方向，然后從外長孔處呈扇形流出，由于外長孔過流面積遠(yuǎn)大于內(nèi)圓孔，能有效降低高壓水對煤孔壁的射流沖擊力。同時，由于節(jié)流器始終處于開啟狀態(tài)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)壓力卸除中流體攜帶沉積的煤巖屑由節(jié)流器外長孔和內(nèi)圓孔通過壓裂管柱流出，改變了封隔器卸壓解封過程中的流體流動方向，使得卸壓過程中地層返排水能夠攜帶沉積在封隔器里端的煤巖屑從節(jié)流器返出，通過卸壓返排進(jìn)一步減少壓裂段沉渣量。同時，通過多孔多角度設(shè)計和控制卸壓返排速率，能夠有效防止大塊煤巖進(jìn)入壓裂管路內(nèi)部導(dǎo)致壓裂管路堵塞等問題。節(jié)流器的節(jié)流壓力要保證封隔器的有效坐封，通過實驗，當(dāng)泵注排量達(dá)到20 m3/h左右時，節(jié)流壓力可達(dá)到2.0～2.8 MPa，滿足封隔器膨脹坐封的需要。

圖9 新型節(jié)流器結(jié)構(gòu)

4 改進(jìn)后實施效果

4.1 壓裂施工情況

采用改進(jìn)后的水力壓裂參數(shù)和節(jié)流器，完成了3個鉆孔(2#、3#、4#鉆孔)的分段水力壓裂實施，如圖10所示，孔深分別為540 m、540 m、504 m，泵注壓力為7.56 MPa、9.25 MPa、9.70 MPa，排量控制在18.63～22.11 m3/h，單孔壓裂液用量為910～1647 m3，整個壓裂過程較為順利、未出現(xiàn)工具遇阻和遺落等孔內(nèi)事故，具體壓裂壓裂參數(shù)見表2。

表2 改進(jìn)后鉆孔分段水力壓裂實施情況

圖10 改進(jìn)后分段水力壓裂鉆孔分布與壓裂位置

4.2 效果對比分析

4.2.1 壓裂施工效率

由1#—4#孔壓裂施工參數(shù)進(jìn)一步看出，在單孔總壓裂液用量增加而壓裂排量降低的前提下，改進(jìn)后，單孔壓裂時間由以前的12 d減少到7～8 d，且改進(jìn)后的工藝杜絕了孔內(nèi)事故發(fā)生，不存在孔內(nèi)事故處理時間，壓裂施工效率得到明顯提升。

4.2.2 瓦斯抽采效果

采取水力壓裂措施后，1#鉆孔平均瓦斯抽采濃度為81.60%、瓦斯抽采量為0.95 m3/min，2#鉆孔平均瓦斯抽采濃度67.48%、瓦斯抽采量為1.73 m3/min，3#鉆孔平均抽采濃度為58.83%、瓦斯抽采量為1.54 m3/min，4#鉆孔受已有抽采鉆孔影響抽采量略小，其平均抽采濃度42.60%、鉆孔瓦斯抽采量為0.72 m3/min；整體來講，改進(jìn)工藝后壓裂鉆孔瓦斯抽采效果優(yōu)于常規(guī)壓裂方式、為1.4倍。另一方面，相比未采取水力壓裂措施的普通預(yù)抽鉆孔，采取水力壓裂后，鉆孔瓦斯抽采量均得到顯著提高，是未壓裂鉆孔的4.93～11.03倍，驗證了水力壓裂對4號煤層瓦斯強(qiáng)化抽采的適用性。

為進(jìn)一步考察改進(jìn)工藝后壓裂鉆孔的瓦斯抽采效果，對鉆孔初始瓦斯抽采量(qc0)和瓦斯抽采量衰減系數(shù)(β)參數(shù)進(jìn)行了擬合[20]，擬合結(jié)果見表3。由表3可以看出，1#鉆孔初始瓦斯抽采量為0.2541 m3/(min·hm)、瓦斯抽采量衰減系數(shù)為0.034 d-1。2#、3#鉆孔初始瓦斯抽采量分別為0.3284，0.4653 m3/(min·hm)，是1#鉆孔的1.29和1.38倍；2#、3#鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)分別為0.0031，0.0023 d-1，是1#鉆孔的9.1%和6.8%。對比結(jié)果充分說明了，孔內(nèi)遺落的壓裂工具對鉆孔瓦斯抽采效果有較大影響，改進(jìn)后工藝參數(shù)消除了孔內(nèi)故障和工具損失，大幅提升了壓裂鉆孔瓦斯抽采效果。

表3 鉆孔瓦斯自然涌出特征參數(shù)

5 結(jié) 論

1)彬長礦區(qū)大佛寺礦4號煤層(f值為1.01～1.25)水力壓裂試驗煤樣孔隙、裂隙數(shù)量較壓裂前明顯增多，孔徑尺寸更大，孔隙與裂隙之間的連通性提升，水力壓裂對4號煤層的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征改造效果顯著。

2)采用常規(guī)分段水力壓裂技術(shù)對4號煤層實施了1孔次的分段水力壓裂試驗，鉆孔長度606 m，壓裂7段，壓裂過程孔內(nèi)事故頻發(fā)，其中3段次出現(xiàn)嚴(yán)重的封隔器卡死、2段次出現(xiàn)封隔器爆裂，常規(guī)分段水力壓裂工藝在中硬煤層中存在壓裂工期長、孔內(nèi)事故率高、風(fēng)險大、經(jīng)濟(jì)性差等問題，適用性不強(qiáng)。

3)采用數(shù)值模擬分析得出緩注壓裂液和控制最大泵壓方式可減少封隔器鋼帶過度變形和膠筒破裂，結(jié)合4號煤層力學(xué)性質(zhì)，確定4號煤層合理泵注壓力應(yīng)不超過10 MPa。同時，將彈簧式定壓節(jié)流器改進(jìn)為內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)型，實現(xiàn)了減弱射流沖擊、系統(tǒng)同步卸壓、節(jié)流器返排等功效，有助于消除封隔器遇阻情況的發(fā)生。

4)采用新工藝完成了3個長度500 m以上鉆孔的分段水力壓裂施工，累計壓裂段數(shù)23段，泵注壓力為7.56～9.70 MPa，排量控制在18.63～22.11 m3/h，均未出現(xiàn)工具遇阻和遺落等孔內(nèi)事故。壓裂工期天數(shù)由12 d減少至7～8 d，改進(jìn)后壓裂鉆孔瓦斯抽采量整體好于常規(guī)方式，為常規(guī)方式的1.4倍，且鉆孔初始瓦斯抽采量是常規(guī)方式的1.29和1.38倍，瓦斯抽采量衰減系數(shù)是常規(guī)方式的9.1%和6.8%。壓裂工藝改進(jìn)后，瓦斯抽采效果得到明顯提升。