中硬低滲煤層定向長鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術與應用

郭超奇，趙繼展，李小建，張靜非，仵勝利，陳冬冬，黃興利，李寶軍

中硬低滲煤層定向長鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術與應用

郭超奇1，趙繼展2，李小建1，張靜非2，仵勝利1，陳冬冬2，黃興利1，李寶軍1

(1. 陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對黃隴侏羅紀煤田中硬煤層滲透性差、瓦斯抽采濃度及流量衰減速度快等問題，利用自主研發的水力壓裂成套工藝設備，提出煤層定向長鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術，并在黃隴煤田黃陵二號煤礦進行工程應用試驗。現場共完成5個定向長鉆孔鉆探施工，單孔孔深240~285 m，總進尺1 320 m；采用整體壓裂工藝對5個本煤層鉆孔進行壓裂施工，累計壓裂液用量1 557.5 m3，單孔最大泵注壓力19 MPa；壓裂后單孔瓦斯抽采濃度及百米抽采純量分別提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍；相比于普通鉆孔，壓裂孔瓦斯初始涌出強度提升2.1倍，鉆孔瓦斯流量衰減系數降低39.6%。試驗結果表明：采取水力壓裂增透措施后，瓦斯抽采效果得到顯著提升，煤層瓦斯可抽采性增加，為類似礦區低滲煤層瓦斯高效抽采提供了技術支撐。

黃陵礦區；定向長鉆孔；裸眼坐封；水力壓裂；瓦斯抽采

近年來，隨著礦井開采活動的進行和開采深度的不斷增加，礦井瓦斯涌出量逐年增大，低滲煤層所帶來的瓦斯抽采濃度低、抽采流量衰減速度快等問題，使礦井安全生產面臨極大威脅[1-2]。同時，高產高效礦井工作面回采效率高、接續時間緊，常規瓦斯抽采技術鉆孔工程量大、抽采效果不理想等問題無法得到有效解決[3-4]。

黃隴侏羅紀煤田煤層埋藏較深，煤系含煤性好，但煤層透氣性差，需采取煤層強化增透措施提高瓦斯抽采效果，實踐證明，水力壓裂具有煤層增透、改變煤體強度等功效[5-6]。定向長鉆孔水力壓裂綜合了定向鉆進高效抽采技術和水力壓裂增透強化抽采的技術優勢，能夠有效提高瓦斯治理效率、擴大瓦斯治理規模，促進低滲煤層瓦斯高效治理技術發展[6-8]。目前，有人在不同礦區已開展了試驗研究。

孫四清等[9]針對陽泉礦區碎軟低滲高突煤層開展了井下長鉆孔整體水力壓裂增透技術的工程試驗研究，工程實現了井下一次性整體壓裂(煤孔段長度307 m)；李國棟等[10]研發了適合中等偏硬低透煤層裸眼鉆孔高壓穩定封孔裝備，并且用于本煤層定向長鉆孔整體水力壓裂增透技術，良好效果；王建利等[11]針對韓城礦區碎軟煤層透氣性差、本煤層鉆孔鉆進困難等問題，采用頂板梳狀孔水力壓裂技術有效地解決了碎軟低滲煤層瓦斯抽采難題。

目前井下水力壓裂技術實現途徑主要為頂底板及煤層壓裂，對于不同硬度煤層需采用不同壓裂工藝。碎軟(薄)煤層(＜0.8)由于其硬度低、成孔性差，多采用頂底板(分段)壓裂方式[12-13]，而本次針對陜西黃陵礦區中等偏硬煤層(≈1)為目標，以黃陵二號煤礦(區域煤層實測≈1.16)為試驗點開展本煤層水力壓裂工程應用試驗，研究中硬低滲煤儲層條件下壓裂工藝的適用性，旨在豐富不同地質條件下煤層高效瓦斯抽采技術。

1 試驗工作面概況

黃陵二號井田含煤地層為侏羅系中統延安組，其中，2號煤層是井田內主要可采煤層，3號煤層為局部可采煤層，其他為不可采煤層。施工區域位于209輔運巷八聯巷以里，向211工作面施工順煤層鉆孔。根據地質勘探鉆孔資料(N47鉆孔)及實測數據，2號煤厚度3.75 m，值約為1.16，埋深632.30 m，與3號煤層平均間距為13.5 m，層間巖性為粉砂巖和細砂巖互層(表1)。2號煤層作為主采煤層，滲透性差，普通鉆孔瓦斯抽采濃度及流量衰減速度快，抽采效果差。

表1 黃陵二號井田N47鉆孔揭露含煤地層巖性特征

2 煤層定向長鉆孔鉆探設備及工藝

采用ZDY6000LD型煤礦用全液壓坑道鉆機進行鉆探施工。該鉆機是目前常用的履帶式定向鉆機，適用于孔底馬達定向鉆進、孔口回轉鉆進以及復合鉆進等多種施工工藝[14]。

水力壓裂施工需要較大的液體壓力和流量才能達到破裂煤體的目的，對鉆孔及封孔的工藝技術要求較高，將封孔工具坐封于煤層中容易出現封隔器爆裂、破損等現象。基于上述問題，提出了中硬煤層“先入頂板后進煤層”鉆探工藝，即鉆探施工中控制鉆孔軌跡在2號煤層頂板(層間距不宜過大，控制在2~3 m以內)，隨后調整角度進入煤層鉆進(圖1)，在壓裂過程中將封隔器坐封于頂板巖層中，以保證良好的封孔效果。

圖1 “先入頂板后進煤層”鉆探工藝軌跡

在2號煤層共計實施定向長鉆孔5個(M1–M5)，單孔孔深240~285 m，總進尺1 320 m。其中M1–M4號孔采用“先入頂板后進煤層”鉆探工藝，M5號孔為全煤層段鉆進，具體施工參數見表2，鉆孔平面軌跡如圖2所示。

表2 黃陵二號井田煤層定向長鉆孔施工情況

圖2 黃陵二號井田煤層鉆孔平面位置

3 煤層鉆孔水力壓裂技術

3.1 水力壓裂設備

壓裂設備選用BYW65/400型壓裂泵組。水力壓裂成套設備由壓力泵、水箱、高壓管匯、遠程操作系統，具有壓力高、流量穩定、可遠程操作、遠程視頻監控、設備運行穩且運行時間長等特點，可保證施工過程中工作人員的安全；根據鉆孔孔徑和壓裂工藝選擇封隔器，總長為1 620 mm，最大外徑為86 mm，通徑為50 mm，工作壓力達70 MPa。

3.2 水力壓裂參數設計

根據施工條件，本次壓裂方式采用整體壓裂，封孔方式采用封隔器裸眼坐封，壓裂液為清水；試驗區煤層平均破裂壓力梯度為1.190~3.849 MPa/hm，壓裂施工區2號煤層平均埋深為630 m，計算得2號煤層破裂壓力為7.5~24.2 MPa。依據煤層厚度、孔隙率、壓裂影響范圍等參數計算壓裂液用量，設計煤層孔壓裂液用量240 m3。

3.3 鉆孔水力壓裂施工

基于前期本煤層壓裂孔“先入頂板后進煤層”鉆探工藝，采用本煤層裸眼坐封水力壓裂工藝技術，設計鉆探軌跡并跟蹤采樣，成孔后利用鉆孔窺視分析，選定頂板砂巖層孔壁完整段進行裸眼坐封，水力壓裂工具串組合為：?86 mm引鞋+?86 mm單流閥+?86 mm定壓節流器+?86 mm封隔器+?73 mm油管。

本次共實施5個水力壓裂煤層鉆孔，采用整體壓裂方式，最高泵注壓力19 MPa，壓裂液總用量1 557.5 m3。各鉆孔水力壓裂施工情況見表3。

4 定向長鉆孔水力壓裂應用效果分析

4.1 壓裂曲線分析

通過注水壓裂曲線分析可發現，所有壓裂孔均以較為規則的鋸齒狀波動為主，反映出該區域煤層較為穩定，壓裂以微破裂為主，以M1號孔、M5號孔為例分析壓裂施工曲線。

M1號壓裂孔于20:03開泵進行壓裂工作，至次日11:43左右結束，采用拖動式封隔器進行持續整體壓裂。壓裂時間持續15.67 h，注水總量315 m3，最高注水壓力19 MPa；該段壓裂期間鄰近鉆孔(50 m左右)出水，鄰近區域頂板也出現滲水現象。

由圖3所示，本次整體壓裂曲線仍以鋸齒狀上下波動的壓力曲線為主，反映出清水壓入巖層孔隙或裂縫后的反復的“起裂–擴展延伸”行為；隨著前期壓裂水的不斷注入，壓裂液(清水)能量的不斷積聚，巖層抵抗失效，主裂隙迅速擴展，巖層裂隙中的自由空間增大，孔內產生較大裂隙，壓裂清水在該裂隙系統中延伸、擴展。

表3 本煤層鉆孔施工情況

圖3 M1號壓裂孔壓裂曲線(部分)

圖4 M5號壓裂孔壓裂曲線

M5號本煤層壓裂孔為全煤層段壓裂，采用拖動式封隔器坐封后(坐封位置位于煤層)進行持續整體壓裂。M5號壓裂孔于13:13左右開泵進行壓裂工作，至次日07:37結束。壓裂時間持續18.4 h，注水總量403.5 m3，最高泵注壓力7.8 MPa，最大瞬時注水流量為31.41 m3/h。由圖4可以看出，本次壓力曲線整體呈現鋸齒狀上下波動，該壓力曲線反映清水壓入巖層天然孔隙后產生的微裂隙的“起裂–擴展延伸”行為。壓裂水一開始通過滲流的方式逐漸充實煤層的原生孔隙和裂隙；隨著壓裂水壓力的不斷增加，壓裂孔周圍應力升高產生微裂隙，而在壓裂泵持續注入的作用下，煤體內發生再蓄能、裂縫再擴張的循環往復過程，即壓力數據曲線呈鋸齒狀上下波動的過程[15-16]。

通過對比M1和M5號孔壓裂情況發現，M1號孔在進行壓裂施工期間出現頂板及側幫滲水現象，考慮安全因素并未繼續增大排量和壓力，整體壓裂曲線較為平穩；而M5號孔在壓裂進行了14.4 h后并未出現滲水情況，遂升檔提高排量和壓力，造成該處壓裂曲線出現階梯式增長。

4.2 鉆孔瓦斯抽采數據分析

壓裂前后鉆孔瓦斯抽采數據對比分析結果見表4。M1—M5號鉆孔壓裂前瓦斯抽采純量和瓦斯體積分數別為0.022~0.070 m3/(min·hm)、3.2%~38.2%；采用水力壓裂增透措施后，單孔瓦斯體積分數提升倍數為0.7~20.5倍，抽采純量提升倍數為1.7~9.8倍，其中，最大單孔瓦斯體積分數和抽采純量分別達86.48%、0.441 m3/(min·hm)。進一步分析可知，M5號鉆孔壓裂效果整體優于其他鉆孔，分析原因為M5號鉆孔順煤層(全煤孔)施工、軌跡整體上行，孔內無積水，而M1—M4號“先入頂板后進煤層”鉆孔在見煤點附近存在低洼區，抽采過程中大量壓裂液在此聚集無法順利返排，影響抽采效果。但M5號鉆孔壓裂施工時，封隔器在煤層中破損程度高、損壞數量多且出現了孔口滲水現象導致泵壓較低，“先入頂板后進煤層”鉆孔未出現封隔器破損和孔口滲水現象，因此，對于中硬煤層而言，采用“先入頂板后進煤層”布孔方式除能夠得到較好封孔效果之外，還可降低壓裂工具損耗，減少成本投入，經濟適用性較強。

4.3 鉆孔自然涌出量監測分析

跟蹤了鉆孔自然瓦斯涌出量數據，其中，B1、B2對比孔與壓裂孔處于同一工作面，且鉆孔結構參數與壓裂鉆孔相同。通過水力壓裂施工后，M1、M2、M3號壓裂孔瓦斯初始涌出強度為0.120 6~0.142 9 m3/(min·hm)，平均為0.133 5 m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.012~0.019 d–1，平均為0.016 d–1；未壓裂鉆孔(對比孔)B1、B2孔瓦斯初始涌出強度為0.018 5~0.067 3 m3/(min·hm)，平均為0.042 9 m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.024~0.029 d–1，平均為0.026 5 d–1，見表5。相比于普通鉆孔，壓裂孔瓦斯初始涌出強度提升2.1倍，鉆孔瓦斯流量衰減系數降低39.6%。采取水力壓裂增透措施后，鉆孔瓦斯初始涌出量有所提高、而鉆孔瓦斯流量衰減系數降低，煤層的可抽性增加。

表4 壓裂鉆孔瓦斯抽采效果對比

表5 壓裂鉆孔和對比孔瓦斯自然涌出特征對比

4.4 不同工藝抽采效果對比

為了對比壓裂孔、未壓裂鉆孔(壓裂區域之外)及壓裂區域預抽孔3者的抽采效果情況，選取持續觀測的鉆孔進行效果對比分析，未壓裂鉆孔平均百米抽采量僅為0.069 m3/min，壓裂區域本煤層預抽孔平均百米抽采量為0.118 m3/min，是未壓裂鉆孔的1.7倍；壓裂孔平均百米抽采量為0.297 m3/min，是未壓裂鉆孔的4.3倍；壓裂影響范圍內鉆孔瓦斯百米抽采量整體上是未壓裂區域鉆孔的2倍以上。

4.5 煤層水力壓裂增透機制討論

煤層滲透性作為瓦斯抽采技術的關鍵制約因素，主要受到煤儲層裂隙發育情況以及地應力等條件影響。

低滲煤層由于其滲透率低、裂隙連通性差，往往造成瓦斯抽采濃度及流量衰減速度快等問題。煤層水力壓裂技術是從力學角度入手，采用高于地層應力或煤體破壞抵抗力的壓力水沖擊煤體，使煤體裂隙孔隙產生“壓縮–膨脹–壓縮”反復擾動，造成局部疲勞損傷，促使煤體內部裂隙弱面擴展延伸，擴開煤體原生裂隙，并不斷發育新生裂隙，在煤體儲層內形成相互交織貫通的裂縫網絡，增加流體介質的流動通道，從而提高儲層滲透性[17]。

整體水力壓裂要實現煤層裂隙開啟并維持其擴展、延伸，需要滿足鉆孔注入水量大于煤層濾失水量和鉆孔注入水壓大于煤層滲透水壓。壓裂初始階段高壓水進入煤體，進入煤層中的水則會使煤層的各級弱面面壁產生內水壓力，因此，會有膨脹的產生，促使弱面繼續擴展和延伸，并在煤層中相互連通，形成一個貫通網絡，致使煤層產生壓裂。隨著鉆孔注水壓裂的持續，煤層周而復始地重復上述壓裂過程，使得裂隙不斷向煤層深部開啟、擴展、延伸。這一壓裂過程在鉆孔壓力曲線上(圖3、圖4)表現為壓力周期性的上升、下降。通過水力壓裂增透措施后，可有效擴大煤層瓦斯流通裂隙規模，提高煤層滲透性和瓦斯可抽性。

水力壓裂施工完成后，水和瓦斯的排出降低了地層孔隙壓力，使煤層的有效應力發生變化，煤層中有效應力的增加導致煤層中孔隙、裂隙減少，裂縫會出現閉合，因此裂縫閉合問題也是清水壓裂目前存在的瓶頸之一。

5 結論

a. 利用自主研發的水力壓裂成套工藝設備，開發出適用于黃陵礦區中硬低滲煤層的定向長鉆孔裸眼快速坐封水力壓裂瓦斯高效抽采工藝技術，完成5個鉆孔整體壓裂施工，累計壓裂液用量1 557.5 m3，單孔最大泵注壓力19 MPa。針對煤層坐封存在封隔器易破損、成本高等問題，提出了“先入頂板后進煤層”布孔和壓裂方式，該方式具有封孔效果好、施工投入小、經濟適用性強等特點。

b. 壓裂后單孔瓦斯抽采濃度及百米抽采純量分別提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍；相比于普通鉆孔，壓裂孔瓦斯初始涌出強度提升2.1倍，鉆孔瓦斯流量衰減系數降低39.6%；通過對比不同抽采工藝效果發現，未壓裂區域本煤層預抽孔平均百米抽采量是未壓裂鉆孔的1.7倍；壓裂孔平均百米抽采量是未壓裂鉆孔的4.3倍；壓裂影響范圍內鉆孔瓦斯百米抽采量整體是未壓裂區域鉆孔的2倍以上，區域大面積預抽效果顯著。

c. 通過本次井下水力壓裂工程試驗，證實了定向長鉆孔水力壓裂高效抽采工藝技術在黃陵礦區的適用性。水力壓裂施工增加了煤層瓦斯流通裂隙規模，提高了煤層滲透性和瓦斯可抽性，為黃陵礦區中硬低滲煤層瓦斯高效抽采提供了技術支撐。

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Technology and application of high efficiency gas extraction by directional long borehole hydraulic fracturing in coal seams of medium hardness and low permeability

GUO Chaoqi1, ZHAO Jizhan2, LI Xiaojian1, ZHANG Jingfei2, WU Shengli1, CHEN Dongdong2, HUANG Xingli1, LI Baojun1

(1. Shaanxi Huangling No.2 Coal Mine Co. Ltd., Huangling 727307, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Aiming at the problems such as poor permeability of coal seams and fast attenuation of gas extraction concentration and flow rate in Jurassic coalfield of Huanglong, the complete set of independently developed hydraulic fracturing equipment was used , the high-efficiency gas extraction technology of directional long borehole hydraulic fracturing of coal seams was put forward, the engineering application test was carried out in Huangling No.2 coal mine in Huanglong coalfield . Five directional long boreholes were drilled. The depth of single borehole was 240~285 m and the total footage was of 1 320 m. The integrated fracturing process was used to fracture coal seams in five boreholes. The cumulative amount of fracturing fluid was 1 557.5 m3, and the maximum pumping pressure for the single borehole was 19MPa. After fracturing, the gas extraction concentration and the drainage quantity per 100 m were increased by 0.7-20.5 times and 1.7-9.8 times respectively. Compared with ordinary boreholes, the initial gas-gushing strength of the fractured borehole was increased by 2.1 times, and the attenuation coefficient of gas flow of the boreholes was reduced by 39.6%. The test results show that the gas extraction effect can be significantly improved and the coal seam drainage ability can be increased after adopting the permeability improvement measures of hydraulic fracturing, providing technical support for the high-efficiency gas extraction of low-permeability coal seam in similar mining areas.

Huangling mining area；directional long borehole; open hole setting; hydraulic fracturing; gas drainage

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TD713

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.014

1001-1986(2020)06-0103-06

2020-06-05；

2020-12-18

國家科技重大專項任務(2016ZX05045-002-002)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金資助項目(2018XAYZD10，2018XAYMS08)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD10，2018XAYMS08)

郭超奇，1981年生，男，陜西長安人，高級工程師，從事煤礦工程技術與管理工作. E-mail：17135197@qq.com

張靜非，1993年生，男，甘肅隴南人，碩士，從事礦井瓦斯與硫化氫災害防治研究. E-mail：782356383@qq.com

郭超奇，趙繼展，李小建，等. 中硬低滲煤層定向長鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術與應用[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：103–108.

GUO Chaoqi，ZHAO Jizhan，LI Xiaojian，et al.Technology and application of high efficiency gas extraction by directional long borehole hydraulic fracturing in coal seams of medium hardness and low permeability[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：103–108.

(責任編輯 范章群)