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(tuán)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(kāi)采規(guī)模的逐漸加大和機(jī)械化、智能化程度的不斷提高，瓦斯治理對(duì)礦井采掘接續(xù)的影響日益凸顯，區(qū)域瓦斯超前治理勢(shì)在必行[1-2]。我國(guó)大部分礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)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(hù)層開(kāi)采、底板穿層鉆孔、本煤層鉆孔瓦斯抽采，技術(shù)適用性較差、施工成本高、鉆孔工程量大、瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng)、抽采效果較差[5-6]。定向長(zhǎng)鉆孔以其鉆孔軌跡精確可控、施工能力強(qiáng)、效率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在礦井瓦斯防治，地質(zhì)構(gòu)造探查，礦井水害防治等方面已廣泛應(yīng)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(zhǎng)鉆孔施工條件，因此，頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯成為新的選擇。但是頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔煤層暴露面積有限，若不采取強(qiáng)化增透措施，擴(kuò)大煤層暴露面積，單純依靠頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采，效果有限。水力壓裂技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的針對(duì)低滲儲(chǔ)層增產(chǎn)改造的技術(shù)措施，將頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔和水力壓裂技術(shù)相結(jié)合，可以增加煤層的暴露面積，縮短瓦斯向鉆孔空間運(yùn)移的距離，有效提高頂板梳狀長(zhǎng)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(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。筆者曾在韓城礦區(qū)王峰煤礦進(jìn)行了頂板梳狀孔整體壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(shuō)明了在煤層頂板施工鉆孔并進(jìn)行水力壓裂增透的可行性。受限于設(shè)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(shù)主要應(yīng)用于底板穿層鉆孔[12-13]、本煤層順層長(zhǎng)鉆孔[14-15]，底板穿層長(zhǎng)鉆孔[16-17]等工程試驗(yàn)中。付江偉等[18]對(duì)煤礦井下頂板鉆孔水力壓裂增透機(jī)理進(jìn)行了探討，但并未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。張群等[10]、許耀波等[19]主要針對(duì)地面煤層氣頂板水平井分段壓裂技術(shù)進(jìn)行了研究，有關(guān)煤礦井下頂板長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂增透瓦斯強(qiáng)化抽采相關(guān)應(yīng)用情況鮮見(jiàn)報(bào)道。

為此，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步探索瓦斯高效預(yù)抽技術(shù)的適用性，在韓城礦區(qū)桑樹(shù)坪二號(hào)井開(kāi)展煤礦井下頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂瓦斯強(qiáng)化抽采試驗(yàn)，為區(qū)域瓦斯高效抽采提供借鑒。

1 技術(shù)原理

瓦斯主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于煤儲(chǔ)層孔裂隙中，且二者處于動(dòng)態(tài)平衡。因此，如何打破瓦斯賦存的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)瓦斯持續(xù)解吸并快速向鉆孔空間流動(dòng)是瓦斯抽采的關(guān)鍵。頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)主要通過(guò)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(nèi)座封將鉆孔分成若干段，然后通過(guò)大排量、高壓水動(dòng)力使2個(gè)封隔器之間的煤層頂板巖層發(fā)生起裂，促使裂縫擴(kuò)展、延伸等行為。由于頂板巖層和煤層之間的抗拉強(qiáng)度、彈性模量差異較大，隨著水力壓裂的持續(xù)進(jìn)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(jié)合部的弱面有效貫通，形成以分支孔為一級(jí)通道，裂縫系統(tǒng)為二級(jí)通道的多級(jí)滲流網(wǎng)絡(luò)通道，縮短瓦斯運(yùn)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(nèi)的運(yùn)移距離，煤層瓦斯以最短距離運(yùn)移至頂板縫隙所形成的“滲流通道”上，在負(fù)壓和濃度差的雙重作用下，經(jīng)鉆孔被快速抽出。隨著擴(kuò)散的持續(xù)進(jìn)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(kāi)始解吸，向上部運(yùn)移，隨著煤基質(zhì)表面瓦斯不斷解吸，煤基質(zhì)收縮，煤層中裂縫系統(tǒng)進(jìn)一步延伸，瓦斯運(yùn)移難度進(jìn)一步降低[18-22]。煤層頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù)原理如圖1所示。

2 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)方案

2.1 礦井概況

桑樹(shù)坪二號(hào)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(kāi)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(hào)煤層，煤層平均厚度為5.97 m，3號(hào)煤層與下部的11號(hào)煤層平均間距為53.59 m。

圖1 頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔水力壓裂瓦斯強(qiáng)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(shù)坪煤礦主要可采煤層Table 1 Main mineable coal seams in Sangshuping mine，Hancheng coal mine

試驗(yàn)地點(diǎn)位于礦井北部北膠帶大巷3309工作面1號(hào)回風(fēng)巷道開(kāi)口處(圖2)，試驗(yàn)區(qū)為一單斜構(gòu)造，地層傾角3°～9°，平均6°，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。3號(hào)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(jiān)硬?；卷敒橹?、細(xì)粒砂巖，厚度為3.0～8.0 m，較致密堅(jiān)硬。試驗(yàn)區(qū)域3號(hào)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(shí)測(cè)煤層最大瓦斯壓力0.94 MPa，最大瓦斯放散初速度Δp為11，堅(jiān)固性系數(shù)f值最小為0.20，煤的破壞類型為Ⅳ類。3號(hào)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(jìn)行瓦斯抽采，存在鉆孔施工深度淺，瓦斯抽采效果差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域超前預(yù)抽等問(wèn)題。

2.2 試驗(yàn)方案

為了保證鉆孔孔壁完整，避免出現(xiàn)塌孔、縮頸等孔內(nèi)事故，頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔主孔應(yīng)布置在砂巖層中，同時(shí)主孔與煤層距離不宜太大。通過(guò)分析試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件及3號(hào)煤層頂板巖性，本次試驗(yàn)鉆孔主孔布置在距3號(hào)煤層約2.8 m的砂巖層中，由主孔向下施工分支孔進(jìn)入煤層。由于試驗(yàn)區(qū)巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，故鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)位于3號(hào)煤層，開(kāi)孔點(diǎn)距煤層頂板1 m，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，同時(shí)為了施工安全便捷，設(shè)計(jì)開(kāi)孔角度12°，方位角0°。鉆孔采用二開(kāi)結(jié)構(gòu)，一開(kāi)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，孔徑?146 mm，鉆進(jìn)至目標(biāo)巖層后停鉆，下入外徑?127 mm無(wú)縫鋼套管護(hù)孔，水泥漿帶壓封孔。二開(kāi)定向鉆進(jìn)，采用前進(jìn)式分支孔工藝。

圖2 壓裂鉆孔實(shí)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(shí)避免壓裂后直接卸壓導(dǎo)致的塌孔、煤粉返出等影響水力壓裂施工效果，本次試驗(yàn)采用不動(dòng)管柱分段水力壓裂工藝，分4段進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，壓裂順序?yàn)橛煽椎椎娇卓?，第一段壓裂完成后進(jìn)行第二段壓裂，同時(shí)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(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害，本次選擇清水壓裂液。試驗(yàn)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(jì)算的地層破裂壓力7.41 MPa。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)煤層厚度，鉆孔覆蓋范圍及預(yù)估水力壓裂影響范圍初步設(shè)計(jì)鉆孔累計(jì)注水量約1 780 m3。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鉆探及水力壓裂施工

施工鉆孔一開(kāi)孔深63 m，下入無(wú)縫鋼套管60 m。鉆孔主孔長(zhǎng)度588 m，包含8個(gè)分支孔，總進(jìn)尺1 188 m，其中煤層段進(jìn)尺227 m，巖層段進(jìn)尺961 m，累計(jì)鉆進(jìn)時(shí)間37 d。鉆孔主孔鉆遇巖層為中、細(xì)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(zhì)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(jiàn)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(yùn)用BYW65/400型煤礦井下壓裂泵組對(duì)鉆孔進(jìn)行注水壓裂，累計(jì)壓裂液用量2 012 m3、最大泵注壓力8.74 MPa，累計(jì)壓裂用時(shí)55 h 33 min。水力壓裂施工結(jié)束后，進(jìn)行鉆孔保壓，鉆孔保壓5 d后，孔口壓力恢復(fù)至2.1 MPa，之后壓力恢復(fù)緩慢，進(jìn)行人工排水卸壓，累計(jì)排水約6 h，排出水量約22.5 m3。

3.2 試驗(yàn)效果分析

3.2.1 水力壓裂影響半徑

為了驗(yàn)證頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂施工效果，確定水力壓裂影響半徑，運(yùn)用全水分分析和孔內(nèi)瞬變電磁剖面探測(cè)2種方式進(jìn)行了水力壓裂影響半徑探測(cè)。

①煤樣全水分分析 水力壓裂施工后壓裂影響范圍內(nèi)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(cè)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(shè)計(jì)8個(gè)取樣鉆孔，累計(jì)取樣13組。其中Y12號(hào)和Y13號(hào)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(kāi)孔方位角均為0°，傾角均為3°。取樣點(diǎn)布置及全水分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壓裂影響半徑考察取樣點(diǎn)分布及測(cè)試結(jié)果Table 3 Distribution of sampling points and test results for investigation of fracturing influence radius

測(cè)試結(jié)果顯示，原始煤樣(Y12號(hào)和Y13號(hào))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(shuō)明取樣點(diǎn)在壓裂影響范圍內(nèi)，反之則取樣點(diǎn)不在壓裂影響范圍內(nèi)。由于定向鉆孔開(kāi)分支孔需向左右兩側(cè)偏移，因此，實(shí)際取樣點(diǎn)距壓裂鉆孔距離與設(shè)計(jì)值存在偏差，通過(guò)在平面圖上測(cè)量取樣點(diǎn)與壓裂鉆孔的平面距離，確定該點(diǎn)與鉆孔的實(shí)際距離。結(jié)合全水分測(cè)試結(jié)果和取樣點(diǎn)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(cè)39.63 m(8號(hào)樣)，鉆孔左側(cè)20.27 m(9號(hào)樣)，綜合確定本次水力壓裂影響范圍最大為39.63 m。

②孔內(nèi)瞬變電磁剖面探測(cè) 瞬變電磁對(duì)低電阻率介質(zhì)反應(yīng)敏感，通常情況下當(dāng)?shù)貙觾?nèi)無(wú)富水區(qū)、導(dǎo)水裂縫或構(gòu)造時(shí)，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(dāng)存在富水區(qū)、導(dǎo)水裂縫或者構(gòu)造時(shí)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?nèi)瞬變電磁剖面探測(cè)技術(shù)的原理即是通過(guò)探測(cè)水力壓裂前后鉆孔徑向范圍內(nèi)地層視電阻率的變化來(lái)分析地層富水性或者導(dǎo)水性的變化，進(jìn)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(jìn)行了孔內(nèi)瞬變電磁剖面探測(cè)，受限于探測(cè)設(shè)備，本次探測(cè)最大深度為距孔口120 m，由于孔口段有60 m無(wú)縫鋼套管，故本次有效探測(cè)范圍為壓裂鉆孔距孔口60～120 m。探測(cè)結(jié)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(shuō)明在水力壓裂作用下地層富水性增加或者存在導(dǎo)水通道，探測(cè)區(qū)域在水力壓裂影響范圍內(nèi)。

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

此外，桑樹(shù)坪二號(hào)井3號(hào)煤層頂板巖層抗拉強(qiáng)度4.0～6.6 MPa，彈性模量13.7～19 GPa，3號(hào)煤層抗拉強(qiáng)度0.3 MPa，彈性模量4.9 GPa[26]，文獻(xiàn)[22]表明，在煤巖層抗拉強(qiáng)度和彈性模量相差較大的情況下，水力壓裂裂縫更容易實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展。進(jìn)一步驗(yàn)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(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂施工結(jié)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(nèi)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(gè)階段，排水階段、抽采量增長(zhǎng)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(nèi)出水量較大，鉆孔瓦斯抽采量較小，屬于排水階段，持續(xù)時(shí)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?jǐn)?shù)為19.6%～54.0%，平均31.7%。隨著抽采時(shí)間的增加及鉆孔出水量的減少，鉆孔瓦斯抽采量開(kāi)始增長(zhǎng)，進(jìn)入瓦斯抽采量增長(zhǎng)階段，該階段持續(xù)時(shí)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?jǐn)?shù)為31.0%～56.0%，平均47.7%。累計(jì)抽采約73 d后，鉆孔瓦斯抽采量趨于穩(wěn)定，進(jìn)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?jǐn)?shù)40.0%～52.0%，平均43.5%。

②不同技術(shù)抽采效果對(duì)比 壓裂鉆孔累計(jì)進(jìn)尺1 188 m，其中煤層段進(jìn)尺227 m，巖層段進(jìn)尺961 m，孔口下入60 m套管，因此，鉆孔有效抽采進(jìn)尺為1 128 m。根據(jù)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)，計(jì)算的抽采93 d內(nèi)百米鉆孔瓦斯抽采純量0.096 m3/min?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中收集了試驗(yàn)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(hào)回風(fēng)巷道本煤層順層鉆孔200個(gè)，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?jǐn)?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(jìn)行了5個(gè)鉆孔的超高壓水力割縫，單孔深度80 m，5個(gè)鉆孔累計(jì)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(jiàn)，頂板梳狀長(zhǎng)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(shù)抽采效果對(duì)比Fig.4 Comparison of extraction effect of different technology

4 結(jié)論

a.將煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)和分段水力壓裂技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出適用于碎軟低滲煤層的頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔不動(dòng)管柱分段水力壓裂技術(shù)。在韓城桑樹(shù)坪礦井實(shí)現(xiàn)了梳狀長(zhǎng)鉆孔主孔588 m，包含8個(gè)分支孔，鉆孔累計(jì)進(jìn)尺1 188 m，分4段進(jìn)行水力壓裂，累計(jì)注水2 012 m3，最大泵注壓力8.74 MPa的技術(shù)突破，為碎軟低滲煤層區(qū)域瓦斯高效預(yù)抽提供了技術(shù)支撐。

b.在韓城桑樹(shù)坪礦井試驗(yàn)表明，頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)可以顯著增加鉆孔影響范圍。煤樣全水分分析和孔內(nèi)瞬變電磁剖面探測(cè)結(jié)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(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)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(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以有效縮短瓦斯運(yùn)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?jǐn)?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(jìn)行對(duì)比，頂板梳狀長(zhǎng)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(chǎng)作業(yè)條件，本次只進(jìn)行了一個(gè)鉆孔的試驗(yàn)，試驗(yàn)樣本數(shù)量較少。試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)手段、壓裂影響半徑、施工效果考察等手段和裝備相對(duì)缺乏，導(dǎo)致試驗(yàn)效果考察不夠深入全面。本次試驗(yàn)雖初步說(shuō)明了頂板梳狀長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碎軟低滲煤層區(qū)域瓦斯高效預(yù)抽，但是相關(guān)機(jī)理及參數(shù)仍需進(jìn)一步的深入研究。