定向水力壓裂增透技術在單一厚煤層的應用

王永周，王浩昌，李國棟

（焦作煤業（集團）新鄉能源有限公司，河南新鄉 453633）

0 引言

我國多數礦區的煤層氣抽采難度普遍較大，全國95%以上的高瓦斯和突出礦井開采的煤層屬于低透氣性煤層，滲透率多在10-3～10-4mD 數量級，煤層透氣性低，導致煤層氣抽采困難，嚴重影響礦井安全。水力壓裂技術在石油領域應用廣泛，是油氣開發工程的主要增透技術之一[1]。隨著水射流技術的不斷發展[2-3]，各種水力化措施被廣泛運用到煤礦瓦斯治理中，主要包括水力造穴、水力沖孔以及水力割縫技術。井下進行穿層鉆孔水力壓裂時，存在鉆孔壓裂影響區域小、效率低等問題。近年，隨著井下定向鉆進技術的快速發展[4-6]，有效解決了鉆孔軌跡控制，通過穿層或順層施工超長鉆孔，有效解決了穿層抽采鉆孔有效段短、施工成本高的問題。利用定向鉆孔進行深孔水力壓裂，擴大了鉆孔影響區域，治理效率明顯提高。

本文通過現場工程試驗，研究了定向長鉆孔深孔水力壓裂強化增透技術在單一堅硬厚煤層的應用，探索破解趙固二礦煤層氣強化抽采技術難題。

1 工程概況

趙固二礦位于焦作煤田東部，井田面積約43.77 km2，設計生產能力180 萬噸/年，服務年限55.5 年，主采山西組二1 煤層。礦井屬煤與瓦斯突出礦井。14030 工作面為礦井綜采自動化工作面，位于一盤區西部，工作面可采走向長度2200 m，傾向200 m，該采面標高-660～-752 m，煤層埋深735.3～828.8 m。工作面煤層結構單一，厚度6.03～6.77 m，平均6.4 m，煤層傾角4～6°。該工作面原始瓦斯壓力0.1 MPa，原始瓦斯含量3.56～9.23 m3/t，煤體破壞類型Ⅰ～Ⅱ類，堅固性系數0.9～2.05，煤層透氣性系數0.398～0.796 m2/（MPa2·d），鉆孔流量衰減系數0.103 6～0.154 6 d-1，煤層吸附常數a=52.945 m3/t，b=1.063 MPa-1，孔隙率4.55%。

2 試驗方案

2.1 定向鉆孔設計與施工

（1）參數設計。為提前對11060 工作面下順槽1230～1530 m區域進行瓦斯治理，在11060 工作面上順槽795 m 鉆場施工1個定向鉆孔。鉆孔設計孔深610 m，根據煤層頂板等高線繪制預想剖面圖，確定鉆孔的開孔方位角197°、傾角-3°。根據煤層變化設計出鉆孔軌跡，考慮壓裂抽采的均衡性，將鉆孔軌跡控制距煤層底板2.5～3 m 位置進行定向鉆進。具體設計參數：設計開孔方位角197°；設計開孔傾角-3°；設計終孔方位角143°；設計終孔傾角2°；設計孔深610 m。

（2）現場施工。采用ZDY6000LD 履帶式全液壓鉆機及配套機具進行鉆孔施工。施工過程中，嚴格控制開孔參數，定距測量誤差，以確保鉆孔軌跡，最終施工鉆孔深611.5 m，實鉆軌跡（圖1）基本按照設計軌跡進行，鉆孔達到設計要求。鉆孔施工至設計位置后，采用Φ113 mm 的鉆頭進行擴孔，擴孔后鉆孔孔徑達到Φ115 mm。

圖1 鉆孔實鉆軌跡

2.2 水力壓裂工藝設計及施工

2.2.1 參數設計

向長鉆孔設計采取順煤層長鉆孔整體水力壓裂增透技術，封孔方式為套管+封隔器封孔，封隔壓裂段為385～611.5 m，壓裂鉆孔長度約226 m，設計水力壓裂注水量為1089 m3。具體壓裂參數見表1。

表1 定向長鉆孔水力壓裂參數設計

2.2.2 現場施工

壓裂泵工作過程中通過視頻監控嚴格控制工況參數，最高注水壓不得大于56 MPa，最大流量保持在24 m3/h 以下。采用裸眼封割器封孔，封孔水壓達到15.4 MPa 時，封割器完成座封。采用BZW200/56 型壓裂泵，連續向孔內壓入清水。累計注水時間70 h24 min，共注入水量1613 m3，注水瞬時流量最大400 L/min，最大泵注壓力24.3 MPa。

保壓時間持續14 d，孔內壓力由18.2 MPa 降至4.4 MPa，之后壓力下降緩慢，進行人工干預卸壓。卸壓閥打開排水后3 h，孔內壓力下降至0 MPa。保壓觀測結束后，進行卸壓排水，排水時間5 d，累計排水274 m3。

3 效果考察

水力壓裂結束后，接抽采系統進行了連抽，抽采數據測定結果表明，壓裂后該區域瓦斯抽采濃度與同區域未壓裂鉆孔相比，百米鉆孔流量由0.000 968 m3（/min·hm）提高至0.0017 m3（/min·hm），提高了1.75 倍。

4 結論

（1）針對趙固二礦地質條件，開展了定向鉆孔、水力壓裂工藝工程的設計與施工，對施工關鍵環節提出工況參數的控制建議。

（2）通過實施定向水力壓裂技術，趙固二礦煤層透氣性能得到改善，煤層百米鉆孔流量提高了1.75 倍，提高了工作面瓦斯抽采效果。

（3）通過定向鉆機的應用，實現了鉆孔軌跡的精確控制。配合水力壓裂技術為井下長鉆孔進行了定向水力壓裂，能夠顯著提高趙固二礦煤層透氣性能，可以為類似礦井強化煤層瓦斯抽采提供借鑒。