楊明建

(山西潞安礦業(yè)(集團)余吾煤業(yè)有限公司,山西 長治 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,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]通過數(shù)值模擬,研究水力壓裂全過程中穿煤層鉆孔的應力狀態(tài),得出穿煤層鉆孔在采用水力壓裂中定向裂縫擴張規(guī)律。張國華[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理,編制了鉆孔起裂、弱面擴展延伸和次級弱面起裂的數(shù)值計算程序,并提出了本煤層瓦斯抽放集中水力壓裂綜合設計的設想。但是傳統(tǒng)的水力壓裂需要很大的液體壓力和流量,才能達到破裂煤體的目的,因此對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題。

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

張帆[7]利用RFPA2D-Flow軟件模擬了多種參數(shù)對突出煤層頂板分段壓裂裂縫網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的影響,揭示了突出煤層頂板分段壓裂增透機理。李偲[8]進行了煤體瓦斯多尺度流動數(shù)學模型進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)工藝進行了系統(tǒng)性闡述。汪子凡[9]通過有限元模擬軟件對不同注液速率、水平應力差和裂縫間距等因素對分段水力裂縫擴展延伸的影響進行了分析,并進行了模糊評價,探討了單個因素作用的重要程度。實踐證明,定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)對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 定向長鉆孔分段水力壓裂技術(shù)模式

煤層定向長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技術(shù)施工巖層定向長鉆孔,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),利用后退拖動式逐段實施水力壓裂作業(yè),實現(xiàn)對低透氣性煤層的增透改造效果。

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

1.1 堅硬煤層定向長鉆孔分段水力壓裂

在硬煤層中施工定向長鉆孔,成孔后,下入水力壓裂工具組合實施定點、快速封隔,采用高壓注水泵實施順層定向長鉆孔分段水力壓裂,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)施工定向長鉆孔和分段水力壓裂,因此要求地質(zhì)構(gòu)造復雜程度屬簡單-中等類型,煤層具有一定的厚度且相對穩(wěn)定,煤體結(jié)構(gòu)較為完整,達到一定的硬度要求(f>1.5)才能夠有效保證定向長鉆孔的質(zhì)量以及膠囊封隔器的封隔效果。

1.2 軟碎煤層定向長鉆孔分段水力壓裂

采用定向鉆進技術(shù)在距碎軟煤層1.0～5.0 m的頂板或者低板穩(wěn)定巖層中施工長距離主孔,并開分支孔進入目標煤層。成孔后,下入水力壓裂工具組合進行快速坐封,采用高壓力、大排量水力壓裂泵組,對鉆孔進行分段壓裂。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)生相互交錯的裂縫體系,形成以分支孔為一級裂縫、破裂巖體為二級裂隙的多級滲流網(wǎng)絡通道,為瓦斯擴散-運移提供了良好通道,實現(xiàn)了碎軟煤層遠距離區(qū)域的瓦斯高效抽采。

開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)造復雜程度屬簡單-中等類型的煤層。

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)設計位置后,通過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入膨脹膠筒內(nèi)囊腔,當囊腔內(nèi)水壓高于設定壓力即撐開膨脹膠筒使膠筒外表面緊貼孔壁,從而實現(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)成的簡易單向閥。當膠囊封隔器膨脹并完全坐封后,高壓水推動出水短節(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始對孔壁壓裂。停止注水時,彈簧回彈帶動鋼球堵住出水孔,防止孔壁內(nèi)高壓水回流。

2.2 施工工藝

兩個膠囊封孔器通過高壓鉆桿串聯(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,從而在兩個膠囊封孔器之間形成密閉空間,當高壓水從出水短節(jié)的出水孔泵出,水從兩節(jié)膠囊封孔器之間流出,實現(xiàn)對該密閉空間的進行壓裂,該密閉空間稱為壓裂段,其長度稱為分段段距。通過增減高壓鉆桿的數(shù)量可以實現(xiàn)分段段距的長度變化。

根據(jù)定向長鉆孔實鉆軌跡與施工參數(shù),設計封隔器座封位置、分段段距、泵注壓力等,通過堵頭、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,分段水力壓裂的實現(xiàn)方式為后退拖動式,即送入連接好的壓裂工具串到壓裂孔內(nèi)最深的第1段,在壓裂工具串抵達至每段的設計位置后,開啟高壓泵注水,此時兩個膠囊封隔器同時膨脹座封形成密封空間,出水短節(jié)開啟出水孔向密閉空間注入高壓水,實現(xiàn)第1段壓裂。壓裂完成后,再依次向孔外退鉆一定數(shù)量抵達第2段所在位置并壓裂,重復以上步驟實現(xiàn)定向長狀況的n段分段壓裂。

圖2 軟碎煤層定向長鉆孔開分支孔分段水力壓裂模式

3 工程實踐

3.1 玉華煤礦堅硬煤層順層定向長鉆孔水力壓裂

陜西銅川礦務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,回采期間絕對瓦斯涌出量15～20 m3/min.煤質(zhì)較為堅硬(f=1.5),平均厚度8～12 m,為較穩(wěn)定煤層,埋深一般300～500 m,適宜定向長狀況的施工。

在玉華煤礦某工作面鉆場施工2個定向長鉆孔,分別為17號和18號,長度均達到了350 m,其施工軌跡如圖3、圖4所示。2個定向長鉆孔設計每45 m壓裂一段,先后共進行12次水力壓裂,17號鉆孔有效壓裂段為351～76 m,長275 m,18號鉆孔有效壓裂段為323～66 m,長257 m.兩個鉆孔累計壓裂注水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錄可知,壓裂注水壓力升高到15 MPa時,壓裂注水量和壓裂注水時間較為穩(wěn)定。壓裂后,實測水力壓裂影響半徑最大達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 玉華煤礦定向長鉆孔施工軌跡剖面圖

圖4 玉華煤礦定向長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

山西潞安礦務局余吾煤礦3號煤層厚度約6.43 m,3號煤層黑色,厚度6.11 m,煤層頂板往上依次為泥巖、細粒砂巖、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°.試驗測定表明其力學性能較差,煤質(zhì)較為松軟,不利于定向長鉆孔在煤層內(nèi)的延伸。同時,煤層透氣性低,原始瓦斯含量高(達到了11 m3/t),需要分段水力壓裂技術(shù)進行增透改造。試驗工作面暫未開始回采工作,需要進行煤層增透以對煤層進行瓦斯采前預抽。通過相鄰工作面已掘巷道施工定向長鉆孔抵達試驗工作面以進行分段壓裂。

鉆孔主孔布置在煤層頂板粉砂巖巖層內(nèi),采用前進式開分支施工工藝成孔,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個分支孔分別為1-1號～1-7號,每個分支孔間距為40 m.7個分支孔先后共進行7次水力壓裂,累計注水35.4 m3,最大注水壓裂壓力為15 MPa.相同壓裂注水時間內(nèi),壓裂注水量并無明顯增大。推測余吾煤業(yè)煤層水力壓裂煤體壓力為14～15 MPa.

壓裂后,實測水力壓裂影響半徑最大達23 m.鉆孔抽采3個月內(nèi),鉆場抽采純量為0.45～0.9 m3/min,萬米抽采純量為6.5～13.1 m3/min.分支鉆孔覆蓋巷道長度約為402 m,覆蓋巷道兩幫各15 m,鉆孔預抽區(qū)域總煤量為11.95萬噸,累計抽采瓦斯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 余吾煤礦定向長鉆孔施工軌跡剖面圖

圖6 余吾煤礦定向長鉆孔施工軌跡平面圖

4 結(jié) 語

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

2) 針對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,開發(fā)了對應的技術(shù)體系,并開展了不同技術(shù)模式的現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

3) 玉華煤礦堅硬煤層順層定向長鉆孔分段水力壓裂共進行了2個定向長鉆孔的分段壓裂,累計

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行了7個分支孔的7次分段壓裂,累計注水35.4 m3.鉆孔抽采3個月內(nèi),平均月瓦斯含量下降量為0.23 m3/t.