康紅普, 馮彥軍, 趙凱凱

(1.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部, 北京 100013; 3.煤炭智能開采與巖層控制全國重點(diǎn)實(shí)驗室, 北京 100013)

1 研究現(xiàn)狀

我國煤礦分布地域較廣, 巖層賦存特征呈多樣化, 開采深度跨度范圍較大, 不同煤礦的采掘工藝及施工技術(shù)也差異顯著。隨著煤礦開采深度、強(qiáng)度和廣度的增加, 與巖層控制相關(guān)的難題也越來越多。我國堅硬頂板賦存煤層約占30%, 覆蓋50%以上的礦區(qū)。我國東部、中部和西部地區(qū)很多煤礦采煤工作面存在堅硬難垮頂板, 其未及時破斷、垮落, 會造成大面積懸頂, 引起應(yīng)力和能量持續(xù)積聚,導(dǎo)致工作面來壓步距增大, 動載系數(shù)增高, 礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈, 出現(xiàn)冒頂、片幫及液壓支架破壞等現(xiàn)象,更甚會發(fā)生人員傷亡事故。為了保證采煤工作面的安全、快速推進(jìn), 迫切需要研發(fā)工作面堅硬頂板弱化技術(shù)。另外, 對于千米深井巷道、強(qiáng)采動巷道及沖擊地壓巷道等高應(yīng)力巷道, 僅采用支護(hù)加固法很難有效控制圍巖變形, 保持圍巖穩(wěn)定, 因此需進(jìn)一步研究與應(yīng)用巷道圍巖卸壓技術(shù)。

巖層壓裂技術(shù)是通過向巖層中注入高壓流體,使其產(chǎn)生裂縫或重啟天然裂縫, 從而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。在煤礦巖層控制中應(yīng)用壓裂技術(shù)主要有兩個目的: 一是在巖層中形成縫網(wǎng), 改造巖層結(jié)構(gòu)、改變巖層力學(xué)性質(zhì)及調(diào)整巖層應(yīng)力, 弱化堅硬巖層;二是在巖層中產(chǎn)生定向裂縫, 切斷頂板, 減小懸頂及采動影響。近年來, 煤礦巖層壓裂技術(shù)發(fā)展較快, 形成了地面壓裂、井下區(qū)域壓裂及局部壓裂立體化技術(shù)[1], 如圖1所示。

圖1 煤礦巖層水力壓裂技術(shù)

地面壓裂技術(shù)是將壓裂設(shè)備放置在地面, 從地面打鉆孔至目標(biāo)巖層進(jìn)行壓裂。地面壓裂技術(shù)可弱化采煤工作面頂板的高位巖層, 壓裂范圍較大, 可對整個采煤工作面以及采區(qū)上方巖層進(jìn)行改造[2], 在大同、彬長、陜北等礦區(qū)有廣泛應(yīng)用。井下區(qū)域壓裂技術(shù)既可用于采煤工作面也可用于巷道上方的巖層弱化; 局部壓裂技術(shù)主要用于采煤工作面初次放頂和高應(yīng)力、強(qiáng)采動巷道卸壓, 這些壓裂技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。在壓裂裝備方面, 地面壓裂主要采用石油行業(yè)的傳統(tǒng)裝備; 井下壓裂裝備從最初排量為90 L/min的手動控制泵站發(fā)展到現(xiàn)在的井下遠(yuǎn)程集控大排量壓裂裝備組, 壓裂能力不斷提高, 盡可能適用于不同的巖層條件。我國煤礦巖層地質(zhì)條件復(fù)雜多變, 開采技術(shù)條件和方式多元化,因此巖層壓裂技術(shù)與裝備均有較大的提升空間。

2 存在問題

煤礦巖層壓裂技術(shù)在實(shí)施過程中, 主要包括壓裂設(shè)計、鉆進(jìn)成孔、壓裂造縫和效果監(jiān)測與評價等4個階段, 每個階段的主要目標(biāo)任務(wù)如圖2所示。

圖2 煤礦巖層壓裂技術(shù)實(shí)施流程

壓裂設(shè)計階段的主要任務(wù)包括: 壓裂模式及工藝選擇、壓裂層位判別與巖層可裂性評價、三維水力壓裂數(shù)值模擬與縫網(wǎng)設(shè)計、壓裂鉆孔布置與壓裂施工參數(shù)確定等; 鉆進(jìn)成孔階段的主要任務(wù)包括: 定向鉆機(jī)及鉆進(jìn)工具選擇、工程及地質(zhì)參數(shù)隨鉆測量、孔壁穩(wěn)定性分析及固孔作業(yè)、孔內(nèi)可壓性評價與壓裂點(diǎn)位精準(zhǔn)判別等; 壓裂造縫階段的主要任務(wù)包括: 壓裂泵組及封隔壓裂工具選擇、縫控壓裂技術(shù)實(shí)施、壓裂液及暫堵劑應(yīng)用、風(fēng)險預(yù)警與遠(yuǎn)程控制等; 效果監(jiān)測與評價階段的主要任務(wù)包括: 裂縫擴(kuò)展方位與幾何尺寸實(shí)時監(jiān)測、煤礦圍巖應(yīng)力監(jiān)測、頂板破斷微震能量監(jiān)測、頂板垮落、圍巖變形監(jiān)測、支架工況與支護(hù)體受力監(jiān)測等[3]。

巖層壓裂技術(shù)雖然在很多煤礦得到應(yīng)用, 也取得較好效果, 但在現(xiàn)場實(shí)踐中還存在諸多不足。原因主要有兩方面: 一是巖層壓裂技術(shù)涉及諸多方面, 包括壓裂機(jī)理、介質(zhì)、參數(shù)、工藝、裝備及裂縫展布監(jiān)測及壓裂效果評價等, 機(jī)理復(fù)雜、不確定性大、直接監(jiān)測較為困難; 二是影響巖層壓裂效果的因素眾多, 不僅包括巖層分布、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等, 還與采掘布置方式、工作面與巷道的參數(shù)等有密切關(guān)系。目前, 煤礦巖層壓裂技術(shù)與裝備存在的主要問題見表1, 主要是壓裂裂縫的擴(kuò)展機(jī)理需要進(jìn)一步深化; 壓裂設(shè)計的科學(xué)性與合理性有待進(jìn)一步提高, 特別是提高壓裂目標(biāo)層位判別的精準(zhǔn)性; 鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)的適應(yīng)性需要提高, 隨鉆測量儀器適應(yīng)性較差; 壓裂介質(zhì)主要是水, 需要開發(fā)適應(yīng)不同巖層的壓裂介質(zhì)體系; 壓裂裝備自動化、智能化水平較低, 壓裂能力有待進(jìn)一步提升; 壓裂工藝及封隔工具單一, 不能有效控制縫網(wǎng)形態(tài); 裂縫展布監(jiān)測精度不高, 壓裂效果評價體系有待完善等。

表1 煤礦巖層壓裂技術(shù)與裝備存在的主要問題

3 發(fā)展方向

針對煤礦巖層壓裂技術(shù)與裝備存在的問題, 提出未來的發(fā)展方向(圖3): 壓裂理念為超前主動、區(qū)域化、一體化(與采掘部署); 壓裂設(shè)計定量化、可視化、動態(tài)化; 壓裂工藝精準(zhǔn)化; 壓裂裝備自動化、智能化; 壓裂監(jiān)測多源化、精確化、實(shí)時化。

圖3 煤礦巖層壓裂技術(shù)與裝備發(fā)展方向

(1)壓裂理念。在時間上, “超前主動、區(qū)域先行”, 壓裂與采掘部署一體化設(shè)計。在礦井開拓、準(zhǔn)備、開采等不同階段超前主動壓裂改造頂板巖層, 實(shí)現(xiàn)“先裂后掘”、“先裂后采”。在空間上, 區(qū)域化、立體化。根據(jù)實(shí)際條件因地制宜, 選擇不同壓裂模式, 包括井下壓裂、地面壓裂、井–地聯(lián)合壓裂等。區(qū)域化要求有效改造巖層范圍大、效率高, 可改善區(qū)域性應(yīng)力環(huán)境, 鉆進(jìn)與壓裂泵組能力大幅提升; 立體化要求根據(jù)圍巖條件可實(shí)施低位、中位及高位巖層壓裂, 改造近場與遠(yuǎn)場的巖層。

(2)壓裂設(shè)計。目標(biāo)層位的確定是壓裂工程的關(guān)鍵。需要開發(fā)基于地質(zhì)力學(xué)原位測試、測井技術(shù)的壓裂目標(biāo)層位判別技術(shù)與巖層可裂性評價方法, 保證壓裂層位的精確判定。壓裂設(shè)計參數(shù)包括鉆孔布置與參數(shù)、壓裂泵流量與壓力、封孔與壓裂點(diǎn)位置參數(shù)等, 需要采用壓裂理論分析、實(shí)驗室試驗、大型數(shù)值仿真及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的手段, 將壓裂設(shè)計逐步由定性轉(zhuǎn)為定量, 通過可視化方法預(yù)測裂縫網(wǎng)絡(luò)的展布, 并根據(jù)巖層條件變化, 動態(tài)調(diào)整壓裂參數(shù)。

(3)壓裂工藝。開發(fā)多參量隨鉆測量技術(shù), 提高鉆進(jìn)軌跡控制精度。研發(fā)固孔工藝與技術(shù), 精準(zhǔn)確定封孔與壓裂點(diǎn)位置。開發(fā)多元化縫控壓裂技術(shù),及高效射孔、切縫等技術(shù), 研發(fā)高效壓裂介質(zhì)、暫堵劑等, 實(shí)現(xiàn)壓裂縫網(wǎng)展布的精準(zhǔn)控制。

(4)壓裂設(shè)備。壓裂裝備主要包括鉆機(jī)、壓裂泵組及壓裂參數(shù)監(jiān)測儀器等。鉆機(jī)應(yīng)發(fā)展全自動上下鉆桿、無線遙控操作、全自動鉆進(jìn)及智能防卡鉆等關(guān)鍵技術(shù); 井下壓裂泵組向遠(yuǎn)程操控、自動無極精準(zhǔn)調(diào)控方向發(fā)展; 壓裂施工作業(yè)要實(shí)現(xiàn)泵注流量和壓力實(shí)時跟蹤、壓力流量匹配及時分析、風(fēng)險故障預(yù)警和遠(yuǎn)程自動調(diào)控等功能。實(shí)現(xiàn)鉆孔、壓裂設(shè)備的自動化、智能化升級, 達(dá)到減人提效的目的。

(5)壓裂效果監(jiān)測與評價。通過多傳感器融合,如通過傳統(tǒng)三分量檢波器微震和分布式聲波傳感(DAS)的聯(lián)合監(jiān)測, 提高壓裂裂縫的監(jiān)測精度。融合壓裂全周期多源數(shù)據(jù), 構(gòu)建壓裂大數(shù)據(jù)平臺, 實(shí)時分析并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型; 基于人工智能技術(shù), 提高壓裂效果評價的準(zhǔn)確性, 并能實(shí)時進(jìn)行信息反饋, 不斷優(yōu)化壓裂設(shè)計。

總之, 煤礦巖層壓裂應(yīng)遵循“超前主動、區(qū)域先行、先裂后掘、裂后再采”的治理理念。瞄準(zhǔn)“區(qū)域化、立體化、數(shù)字化、可視化、精準(zhǔn)化、自動化、智能化”的目標(biāo), 加快開發(fā)定量化的壓裂設(shè)計方法, 高效精準(zhǔn)的壓裂工藝與技術(shù), 自動化、智能化的壓裂裝備, 多源化、實(shí)時化、智能化的壓裂效果監(jiān)測與評價技術(shù), 不斷提高煤礦巖層壓裂技術(shù)與裝備的成套性與適用性, 并制訂巖層壓裂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范, 使巖層壓裂技術(shù)成為煤礦巖層災(zāi)害防控的有效手段, 為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)保障。