楊明建

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))余吾煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046100)

煤層瓦斯抽采作為煤礦瓦斯事故的有效防治措施,其較大程度上受制于煤層的透氣性。目前,我國(guó)煤層的低透氣性是造成瓦斯抽采效率低、難度大的主要原因[1-2]。

近些年來(lái),煤礦井下水力壓裂技術(shù)得到較大發(fā)展,成為解決低透氣性煤層的有效手段[3]。張玉旗等[4]通過(guò)數(shù)值模擬,研究水力壓裂全過(guò)程中穿煤層鉆孔的應(yīng)力狀態(tài),得出穿煤層鉆孔在采用水力壓裂中定向裂縫擴(kuò)張規(guī)律。張國(guó)華[5]分析了煤分層中鉆孔、分層層面鉆孔及穿層鉆孔水力壓裂的起裂機(jī)理,編制了鉆孔起裂、弱面擴(kuò)展延伸和次級(jí)弱面起裂的數(shù)值計(jì)算程序,并提出了本煤層瓦斯抽放集中水力壓裂綜合設(shè)計(jì)的設(shè)想。但是傳統(tǒng)的水力壓裂需要很大的液體壓力和流量,才能達(dá)到破裂煤體的目的,因此對(duì)鉆孔及封孔的工藝技術(shù)要求,目前的技術(shù)缺陷使得煤層封孔效率很低,經(jīng)常出現(xiàn)高壓水沖出鉆孔這一問(wèn)題。

因此,既要保證現(xiàn)有泵注能力達(dá)到破裂煤巖層,又要盡可能避免壓裂不均衡性、實(shí)現(xiàn)均衡壓裂,針對(duì)礦井常用的瓦斯抽采鉆孔孔徑以及巷道有限作業(yè)空間開(kāi)發(fā)了井下定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)[6]?？變?nèi)水力壓裂工具組合配備大排量、高壓力壓裂泵組構(gòu)成了井下定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂成套裝備,實(shí)現(xiàn)了煤礦井下水力壓裂由傳統(tǒng)的常規(guī)點(diǎn)式壓裂向區(qū)域壓裂的轉(zhuǎn)變,解決了井下定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂與泵注能力不匹配及整體壓裂不均衡問(wèn)題。

張帆[7]利用RFPA2D-Flow軟件模擬了多種參數(shù)對(duì)突出煤層頂板分段壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響,揭示了突出煤層頂板分段壓裂增透機(jī)理。李偲[8]進(jìn)行了煤體瓦斯多尺度流動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水力壓裂增透影響范圍數(shù)值模擬,并就井下分段水力壓裂技術(shù)工藝進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述。汪子凡[9]通過(guò)有限元模擬軟件對(duì)不同注液速率、水平應(yīng)力差和裂縫間距等因素對(duì)分段水力裂縫擴(kuò)展延伸的影響進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了模糊評(píng)價(jià),探討了單個(gè)因素作用的重要程度。實(shí)踐證明,定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)對(duì)低滲透率碎軟煤層有著良好的卸壓增透效果,可以有效提高煤層透氣性,增加瓦斯抽采效率[10-12]。

1 定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)模式

煤層定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂增透技術(shù)改造的基本思路是深入分析試驗(yàn)區(qū)域煤、巖層的賦存特征,優(yōu)選壓裂鉆孔施工層位。利用成套鉆探裝備和成熟的鉆進(jìn)技術(shù)施工巖層定向長(zhǎng)鉆孔,并精確控制鉆孔軌跡。依據(jù)鉆孔施工參數(shù)、鉆孔軌跡、鉆孔遇巖性特征,確定壓裂段數(shù)、壓裂位置、水壓等施工參數(shù),利用后退拖動(dòng)式逐段實(shí)施水力壓裂作業(yè),實(shí)現(xiàn)對(duì)低透氣性煤層的增透改造效果。

定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)可適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)合不同煤(巖)層定向長(zhǎng)鉆孔布孔方式,形成適合于不同地質(zhì)條件的煤礦井下定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂工藝技術(shù)模式。

1.1 堅(jiān)硬煤層定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂

在硬煤層中施工定向長(zhǎng)鉆孔,成孔后,下入水力壓裂工具組合實(shí)施定點(diǎn)、快速封隔,采用高壓注水泵實(shí)施順層定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂,壓裂范圍均勻可控,改造煤層原有裂隙系統(tǒng),提高煤層透氣性。

由于在煤層內(nèi)施工定向長(zhǎng)鉆孔和分段水力壓裂,因此要求地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單-中等類(lèi)型,煤層具有一定的厚度且相對(duì)穩(wěn)定,煤體結(jié)構(gòu)較為完整,達(dá)到一定的硬度要求(f>1.5)才能夠有效保證定向長(zhǎng)鉆孔的質(zhì)量以及膠囊封隔器的封隔效果。

1.2 軟碎煤層定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂

采用定向鉆進(jìn)技術(shù)在距碎軟煤層1.0～5.0 m的頂板或者低板穩(wěn)定巖層中施工長(zhǎng)距離主孔,并開(kāi)分支孔進(jìn)入目標(biāo)煤層。成孔后,下入水力壓裂工具組合進(jìn)行快速坐封,采用高壓力、大排量水力壓裂泵組,對(duì)鉆孔進(jìn)行分段壓裂。在高壓水作用下,煤層頂(底)板巖層發(fā)生起裂,在鉆孔與煤層之間產(chǎn)生相互交錯(cuò)的裂縫體系,形成以分支孔為一級(jí)裂縫、破裂巖體為二級(jí)裂隙的多級(jí)滲流網(wǎng)絡(luò)通道,為瓦斯擴(kuò)散-運(yùn)移提供了良好通道,實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層遠(yuǎn)距離區(qū)域的瓦斯高效抽采。

開(kāi)分支孔的分段壓裂模式適用于煤層頂(底)板巖層成孔性好,而煤質(zhì)松軟、破碎、成孔性差,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單-中等類(lèi)型的煤層。

2 壓裂工具組合與施工工藝

2.1 壓裂工具組成

定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂孔內(nèi)工具組合由高壓鉆桿、出水短節(jié)、膠囊封隔器、堵頭、變徑等部件組成。其中,膠囊封隔器和出水短節(jié)為核心部件。

膠囊封隔器作為封孔部件,被推送至孔內(nèi)設(shè)計(jì)位置后,通過(guò)孔外高壓泵從高壓鉆桿內(nèi)注入高壓水,高壓水從膠囊封隔器中心輸水管進(jìn)入膨脹膠筒內(nèi)囊腔,當(dāng)囊腔內(nèi)水壓高于設(shè)定壓力即撐開(kāi)膨脹膠筒使膠筒外表面緊貼孔壁,從而實(shí)現(xiàn)封隔。停止注水后,膠囊封隔器內(nèi)置的單流閥可使封隔器保持坐封狀態(tài)。

出水短節(jié)作為出水部件,其主要功能是通過(guò)出水小孔在指定位置向鉆孔噴射高壓水。出水短節(jié)內(nèi)置鋼球和彈簧構(gòu)成的簡(jiǎn)易單向閥。當(dāng)膠囊封隔器膨脹并完全坐封后,高壓水推動(dòng)出水短節(jié)內(nèi)的鋼球,鋼球位移壓縮彈簧直至露出出水孔,高壓水即從出水孔涌出開(kāi)始對(duì)孔壁壓裂。停止注水時(shí),彈簧回彈帶動(dòng)鋼球堵住出水孔,防止孔壁內(nèi)高壓水回流。

2.2 施工工藝

兩個(gè)膠囊封孔器通過(guò)高壓鉆桿串聯(lián)成跨式膨脹型封孔器,中間接有出水短節(jié)。當(dāng)跨式膨脹型封孔器逐漸膨脹至緊密坐封鉆孔孔壁,從而在兩個(gè)膠囊封孔器之間形成密閉空間,當(dāng)高壓水從出水短節(jié)的出水孔泵出,水從兩節(jié)膠囊封孔器之間流出,實(shí)現(xiàn)對(duì)該密閉空間的進(jìn)行壓裂,該密閉空間稱(chēng)為壓裂段,其長(zhǎng)度稱(chēng)為分段段距。通過(guò)增減高壓鉆桿的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)分段段距的長(zhǎng)度變化。

根據(jù)定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆軌跡與施工參數(shù),設(shè)計(jì)封隔器座封位置、分段段距、泵注壓力等,通過(guò)堵頭、膠囊封隔器、高壓鉆桿、出水短節(jié)、高壓鉆桿、膠囊封隔器、高壓鉆桿的順序組成孔內(nèi)壓裂工具串,利用千米鉆機(jī)夾持壓裂工具串并輸送孔內(nèi)指定位置。如圖1、圖2所示,分段水力壓裂的實(shí)現(xiàn)方式為后退拖動(dòng)式,即送入連接好的壓裂工具串到壓裂孔內(nèi)最深的第1段,在壓裂工具串抵達(dá)至每段的設(shè)計(jì)位置后,開(kāi)啟高壓泵注水,此時(shí)兩個(gè)膠囊封隔器同時(shí)膨脹座封形成密封空間,出水短節(jié)開(kāi)啟出水孔向密閉空間注入高壓水,實(shí)現(xiàn)第1段壓裂。壓裂完成后,再依次向孔外退鉆一定數(shù)量抵達(dá)第2段所在位置并壓裂,重復(fù)以上步驟實(shí)現(xiàn)定向長(zhǎng)狀況的n段分段壓裂。

圖2 軟碎煤層定向長(zhǎng)鉆孔開(kāi)分支孔分段水力壓裂模式

3 工程實(shí)踐

3.1 玉華煤礦堅(jiān)硬煤層順層定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂

陜西銅川礦務(wù)局玉華煤礦隸屬于焦坪礦區(qū),曾被鑒定為高瓦斯礦區(qū)。玉華煤礦4-2號(hào)煤層為全區(qū)主要可采煤層,該煤層某工作面瓦斯含量0.5～1.1 cm3/g,回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量15～20 m3/min.煤質(zhì)較為堅(jiān)硬(f=1.5),平均厚度8～12 m,為較穩(wěn)定煤層,埋深一般300～500 m,適宜定向長(zhǎng)狀況的施工。

在玉華煤礦某工作面鉆場(chǎng)施工2個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔,分別為17號(hào)和18號(hào),長(zhǎng)度均達(dá)到了350 m,其施工軌跡如圖3、圖4所示。2個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)每45 m壓裂一段,先后共進(jìn)行12次水力壓裂,17號(hào)鉆孔有效壓裂段為351～76 m,長(zhǎng)275 m,18號(hào)鉆孔有效壓裂段為323～66 m,長(zhǎng)257 m.兩個(gè)鉆孔累計(jì)壓裂注水15.67 m3,最大注水壓裂壓力為18 MPa.根據(jù)水力壓裂情況的觀察記實(shí)錄可知,壓裂注水壓力升高到15 MPa時(shí),壓裂注水量和壓裂注水時(shí)間較為穩(wěn)定。壓裂后,實(shí)測(cè)水力壓裂影響半徑最大達(dá)26.53 m.瓦斯抽采濃度由1.67%提升至2.24%,提升率34.32%;瓦斯抽采純量由0.019 m3/h提升至0.024 m3/h,提升率26.32%.

圖3 玉華煤礦定向長(zhǎng)鉆孔施工軌跡剖面圖

圖4 玉華煤礦定向長(zhǎng)鉆孔施工軌跡平面圖

3.2 余吾煤礦碎軟煤層頂板羽狀分支孔分段水力壓裂

山西潞安礦務(wù)局余吾煤礦3號(hào)煤層厚度約6.43 m,3號(hào)煤層黑色,厚度6.11 m,煤層頂板往上依次為泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖,厚度分別為1.1 m、1.2 m、8.77 m;煤層傾角為-4～2°,平均傾角為-1°.試驗(yàn)測(cè)定表明其力學(xué)性能較差,煤質(zhì)較為松軟,不利于定向長(zhǎng)鉆孔在煤層內(nèi)的延伸。同時(shí),煤層透氣性低,原始瓦斯含量高(達(dá)到了11 m3/t),需要分段水力壓裂技術(shù)進(jìn)行增透改造。試驗(yàn)工作面暫未開(kāi)始回采工作,需要進(jìn)行煤層增透以對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯采前預(yù)抽。通過(guò)相鄰工作面已掘巷道施工定向長(zhǎng)鉆孔抵達(dá)試驗(yàn)工作面以進(jìn)行分段壓裂。

鉆孔主孔布置在煤層頂板粉砂巖巖層內(nèi),采用前進(jìn)式開(kāi)分支施工工藝成孔,分支孔終孔落于煤層內(nèi),待鉆孔施工完成后退鉆安裝壓裂工具串,由里向外依次進(jìn)行分段壓裂施工。主孔位于煤層頂板砂巖巖層距離煤層15 m,孔深為355 m,7個(gè)分支孔分別為1-1號(hào)～1-7號(hào),每個(gè)分支孔間距為40 m.7個(gè)分支孔先后共進(jìn)行7次水力壓裂,累計(jì)注水35.4 m3,最大注水壓裂壓力為15 MPa.相同壓裂注水時(shí)間內(nèi),壓裂注水量并無(wú)明顯增大。推測(cè)余吾煤業(yè)煤層水力壓裂煤體壓力為14～15 MPa.

壓裂后,實(shí)測(cè)水力壓裂影響半徑最大達(dá)23 m.鉆孔抽采3個(gè)月內(nèi),鉆場(chǎng)抽采純量為0.45～0.9 m3/min,萬(wàn)米抽采純量為6.5～13.1 m3/min.分支鉆孔覆蓋巷道長(zhǎng)度約為402 m,覆蓋巷道兩幫各15 m,鉆孔預(yù)抽區(qū)域總煤量為11.95萬(wàn)噸,累計(jì)抽采瓦斯83 131.2 m3,區(qū)域瓦斯含量下降0.7 m3/t,平均月瓦斯含量下降量為0.23 m3/t.

圖5 余吾煤礦定向長(zhǎng)鉆孔施工軌跡剖面圖

圖6 余吾煤礦定向長(zhǎng)鉆孔施工軌跡平面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 由于定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂配套的設(shè)備設(shè)施的便捷性、可重復(fù)使用性,使得定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)能夠較好地適應(yīng)井下復(fù)雜的環(huán)境并發(fā)展出適用于堅(jiān)硬煤層和碎軟煤層的分段壓裂技術(shù)形式。

2) 針對(duì)陜煤玉華煤礦以及潞安余吾煤礦的煤質(zhì)特征與地質(zhì)條件,開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的技術(shù)體系,并開(kāi)展了不同技術(shù)模式的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

3) 玉華煤礦堅(jiān)硬煤層順層定向長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂共進(jìn)行了2個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔的分段壓裂,累計(jì)

注水15.67 m3,瓦斯抽采濃度和純量分別提升34.32%和26.32%.

4) 余吾煤礦碎軟煤層頂板羽狀分支孔分段水力壓裂共進(jìn)行了7個(gè)分支孔的7次分段壓裂,累計(jì)注水35.4 m3.鉆孔抽采3個(gè)月內(nèi),平均月瓦斯含量下降量為0.23 m3/t.