瓦斯穿層鉆孔水力壓裂增透技術分析

摘 要：鑒于我國煤層瓦斯含量高煤層透氣性差且具有突出危險性的現狀，現狀礦井多采用穿層鉆孔來對煤層中的瓦斯進行預抽。為了提高低透氣性煤層的抽采效果，采用了水力壓裂技術對煤層進行改造增加其透氣性。闡述了穿層鉆孔水力壓裂的基本原理，并對水力壓裂的實施過程進行了分析，可以為煤礦瓦斯抽采提供一定的認識。

關鍵詞：瓦斯抽采;穿層鉆孔;水力壓裂;分析

1 引言

隨著我國進入深部礦井開采時代，礦井瓦斯涌出量越來越大，而且煤層的突出危險性增強。在這種背景下，對煤層中的瓦斯進行抽采是治理瓦斯的根本途徑。然而由于我國的煤層透氣性普遍較低，直接采用鉆孔進行抽采效果差，很容易造成采掘接替緊張的問題[1]。與此同時，對于有突出危險性的煤層，不能采用本煤層鉆孔進行抽采，只能利用穿層鉆孔進行抽采。由于穿層鉆孔的有效長度（煤層段長度）較短，這極大的影響了瓦斯抽采達標的速度。在這種情況下，必須得采取有效措施對煤層進行增透。水力壓裂技術是一種用于油氣開發的增產技術，從石油行業引入到煤層氣開發上來已經取得了不錯的效果。通過水力壓裂對低滲透煤體進行壓裂后，煤體的滲透性會顯著增強。但是這項技術并不是百分百有效，也有不少礦區在進行水力壓裂時并未提升抽采的效果。周世寧院士指出，水力壓裂只有當壓裂的填充劑的滲透性高于煤體的滲透性時，壓裂才是有效的。總的來說，水力壓裂這項技術雖然能在一定的范圍內可以應用，但是也存在諸多問題。本文對穿層鉆孔水力壓裂的工藝進行說明，分析其存在的問題，以期為有關技術人員提供指導。

2 穿層鉆孔水力壓裂的基本原理

穿層長鉆孔水力壓裂是在煤層的地板施工穿層鉆孔，借助于定向鉆孔技術使鉆孔沿煤層走向，這樣可以顯著的提高穿層鉆孔的有效長度，然后通過在鉆孔中注入高壓壓裂液對長鉆孔進行壓裂。在壓裂后鉆孔周圍的煤體會充分破碎，這為瓦斯的滲流提供了大量通道。壓裂的主要原理是當壓裂液的注入速度大于煤層滲流的速度時，在鉆孔孔壁會產生一個很大的壓力，當這個壓力達到煤體的破碎強度時，煤體會發生破裂[2-3]。在破裂會鉆孔周圍會形成一條主裂縫，隨著壓裂液的持續注入，裂縫會持續擴展。裂縫的產生和擴展可以分為5個階段：能量聚集階段、微裂縫產生階段、局部破壞階段、裂紋迅速擴展階段以及裂縫繼續擴展階段，伴隨著能量的釋放和聚集過程。

在高壓水流動過程中，會將不同粒徑的煤粒帶人到煤層的弱面中（例如煤層的層理、割理）。這些顆粒會在弱面中逐漸累積從而形成堵塞帶，這會導致弱面的界面處的應力不斷升高，進而導致弱面發生破壞產生裂縫。與此同時，弱面的空間范圍增加，弱面上的應力會下降，應力向弱面周圍轉移。煤粒繼續向遠處的弱面運動，從而形成對弱面遠處的弱面封堵，當達到一定的壓力后，遠處的弱面會繼續破裂。如此循環進行下去，直到應力不足以破壞煤體的弱面時，這就在鉆孔周圍形成豐富的裂隙或裂紋，這為瓦斯運移提供了大量的通道。

3 穿層長鉆孔施工及水力壓裂實施

3.1 穿層長鉆孔的施工

穿層長鉆孔在煤層的底板進行開孔，開孔的位置一般距煤層的底板幾十米以上，以保證壓裂的有效性。在施工時經歷了初次開孔，其主要是傾斜孔，其長度剛好觸到煤層;二次開孔，主要是水平孔，這個過程要經歷鉆孔施工角度的轉變，由傾斜孔變成水平孔。一般來說，第一次開孔后，需要對鉆孔進行封孔下套管。鉆孔的定向一般采用滑動定向鉆機技術，在施工過程中通過隨鉆測量系統來測量鉆孔的實時軌跡，以免鉆孔偏離過大進入到巖層中達不到預期的設計結果。在鉆孔進入到煤層段后，要利用高粘性防塌劑等無固相水泥漿來作為鉆孔的沖洗劑，以免鉆孔出現塌孔問題。在鉆進時要遵循“低壓慢速、邊進邊退”，合理的控制鉆進速度，充分釋放煤層中的瓦斯，以免瓦斯的急劇釋放會發生噴孔造成鉆孔成型失敗。

3.2 水力壓裂工藝

通常情況下，水力壓裂系統主要可以分為孔內部分和孔外部分，孔內部分主要是由封孔器、輸油管路和隔離器等組成，孔外部分主要是一些水泵和膠管等設備。為了保證壓裂施工的安全，采用了壓裂安全控制裝置，如圖1所示。

煤礦井下水力壓裂可以分為三個階段，每個階段又有很多工序，如圖2所示。在水力壓裂完成后，需要對鉆孔進行排水，排水后需要對鉆孔進行封孔連接到抽采管道。

在壓裂的準備階段，連接好水力壓裂設備后，需要對壓裂鉆孔進行反復清洗，直至孔內的巖石渣都清洗干凈，然后才能進行壓裂試車。試車完成后需要對鉆孔進行封孔，并在鉆孔內下入單流閥、引鞋、擴張式封隔器等組合工具，完成后連接到油管。封孔的效果可以注水打壓進行檢測，若封孔效果良好，則10min內封孔內的最大壓力可達70MPa，滿足了水力壓裂對于鉆孔封孔的要求。封孔良好后還需進行試壓，在試壓時打開空口的安全控制閥和三通排水閥進行壓裂，通過抵擋緩慢的進行注水。注水完成后，關閉三通排水閥，觀察壓力表的變化，在壓力達到最高設計壓力時，關閉閥門，查看停止壓裂后水壓是否下降。若無下降，則可完成試壓。

在高壓注水階段，應該采用整體壓裂方式，為了避免對煤層以及地下水造成污染，采用清水作為壓裂液。打開注壓泵后，采用高液力檔位提高注入壓力，在此期間要詳細記錄壓力、流量以及壓裂時間等關鍵數據，當注入水量達到設計的要求時即停止繼續壓裂。在壓裂過程中，要注意巷道的一些變化，巷道的瓦斯濃度是否發生變化及巷道壓裂的一幫是否出現大面積滲水等問題。在水力壓裂的初期，由于壓力較大壓裂液充滿鉆孔以及鉆孔周圍的煤體裂隙中，此時鉆孔的注水壓力和注水量會急劇增加。當煤體發生破裂時，壓力會急劇下降，隨著注入時間的不斷增加，注水壓力出現了鋸齒狀波動現象，但是注水壓力總體上呈下降的趨勢。注水壓力會出現一定的周期性，每一次壓力下降都意味著鉆孔周圍的煤體被壓裂，能一定程度上反映了壓裂作業對煤體的裂縫的改造。煤體破裂的發生是一個能量逐漸積聚進而誘發煤體失穩變形的過程。

在壓裂作業完成后，需要進行保壓操作。鉆孔在高壓水的作用下，處于穩定狀態。若此時對鉆孔進行排水，鉆孔會由于孔內壓力的急劇降低而發生失穩塌孔問題，更為嚴重的是會堵塞鉆孔，這極大的影響了后期的瓦斯抽采。與此同時，直接排水還會導致鉆孔內的瓦斯會急劇涌入到巷道造成瓦斯超限。因此，在停泵后應該關閉注水閥門，讓孔內的壓力處于一個緩慢降低的狀態。在孔內的壓力保持穩定后，再打開閥門進行排水，排水完成后再連接到抽采管進行抽采。

4 小結

鑒于我國煤層瓦斯含量高煤層透氣性差且具有突出危險性的現狀，現狀礦井多采用穿層鉆孔來對煤層中的瓦斯進行預抽。為了提高低透氣性煤層的抽采效果，采用了水力壓裂技術對煤層進行改造增加其透氣性。煤礦井下水力壓裂可以分為三個階段：準備階段、高壓注水階段以及保壓階段。裂縫的產生和擴展可以分為5個階段：能量聚集階段、微裂縫產生階段、局部破壞階段、裂紋迅速擴展階段以及裂縫繼續擴展階段，伴隨著能量的釋放和聚集過程。

參考文獻：

[1]牟全斌.井下穿層長鉆孔水力壓裂強化增透技術[J].中國安全生產科學技術，2017，13（08）：164-169.

[2]羅勇，鄧東生.穿層鉆孔水力壓裂增透技術試驗研究[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2017，37（04）：71-76.

[3]馮京波.新景礦底抽巷穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透技術試驗[J].煤炭與化工，2017，40（04）：45-48.

作者簡介：

李廷（1982- ），男，本科，畢業于中國礦業大學采礦工程專業，通風助理工程師，研究方向：通風。