特厚煤層頂板超長鉆孔水力壓裂技術應用分析

門 鴻，趙華全，竇桂東，賈增林，張 營

(1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 彬州 713500；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

高壓水力壓裂主要是將巖石在水壓與應力的耦合作用下，使其內部斷續節理裂隙端部產生應力集中，促使巖石產生新生裂紋起裂與擴張，新生裂隙與原生裂隙導通，形成裂隙網絡結構，從而致使煤巖體滲透特性與力學特性發生改變，達到弱化頂板巖石的目的。近年來，國內學者對巖體結構在高壓水作用下的機理變化進行了深入的分析和研究。其中，朱葛等[1]為解決傳統壓裂施工過程中儲層破裂壓力高、水力裂縫形態單一，以及改造效果不理想等問題，提出了利用非穩定激勵產生的動力效應提高壓裂效果。張玉等[2]基于有限容積法對滲流方程和應力方程予以離散，提出水力耦合作用下射孔圍巖水力壓裂破裂數值模擬方法。高富強[3]采用ELFEN數值模擬方法研究了工作面堅硬頂板水力壓裂處理對采動應力的影響，探討卸壓機理，結果表明，對工作面頂板進行持續壓裂，可以降低初次垮落步距及平均來壓步距。陳冬冬等[4]結合不同煤(巖)層定向長鉆孔布孔方式，提出并形成了碎軟煤層頂(底)板梳狀孔整體/分段、中硬煤層穿層定向孔順煤層整體及硬煤層順層定向長鉆孔整體/分段水力壓裂煤層增透技術體系。張兆一[5]認為當壓裂水量為固定值時，有效半徑隨著壓裂時間的增加而穩定增大，二者呈非線性正比例關系；當壓裂時間為固定值時，有效半徑隨著壓裂水量的增加呈非線性增大，二者呈正相關。高成路等[6]基于近場動力學非局部作用思想提出了物質點雙重覆蓋理論模型。趙向東等[7]基于統計損傷力學原理修正了水力壓裂后煤體有效應力值，建立了能夠描述煤層在水力壓裂過程中情況的流固耦合模型，有效提高了煤層瓦斯抽采半徑。任永強等[8]采用了現場實測及理論分析方法，依據水力壓裂卸壓機理及礦壓巖層控制理論，對該工作面回風巷上覆巖層實施水力壓裂卸壓，有效減小相鄰采空區側對工作面回采巷道的影響。覃木廣[9]通過多手段水力壓裂基礎理論研究，開發多元化及適合各類煤層的水力壓裂技術，實現了水力壓裂裝備一體化和智能化。鄧廣哲等[10-11]通過對低滲煤層孔隙裂隙結構重構，分析了節理巖石在應力-應變不同階段的滲透系數變化規律，探討了節理的幾何尺寸、孔隙結構特征及所受應力狀態對節理巖石滲流的影響，提出了綜合滲透系數試驗測試方法。周小平等[12-13]分析了巖石抗壓與抗剪作用下共線節理和平行節理之間的相互作用，建立了裂隙巖體的起裂力學模型。嚴成增等[14]分析研究了壓裂裂隙的破壞機理，對材料的非均質性裂隙的起裂位置、破裂形態及起裂壓力進行了分析。程亮等[15]基于最大拉應力理論，建立了壓裂鉆孔煤巖體起裂判別式，分析了鉆孔裂縫的起裂壓力及起裂方向，并在現場進行了驗證。莊茁等[16]基于斷裂力學理論研究了壓裂裂縫尖端應力場特性，建立了流體壓力驅動裂縫穩定起裂的能量準則。鮑先凱等[17]研究了煤體高壓電脈沖水力壓裂裂縫演化規律，得出電壓越高，巖石裂縫的拉應力將越大。

國內大多數研究從巖石機理進行理論分析，但水力壓裂技術在防治沖擊地壓現場實踐以及施工后如何有效結合各種沖擊地壓監測手段進行效果檢驗還有待進一步研究，筆者主要以工程實踐為切入點，結合各種監測數據的應用分析進行了論述。

1 理論原理

工作面上方巖層處于三向圍巖應力狀態，其中，巖體內部節理裂隙大都處于壓剪應力狀態，水利壓裂將鉆孔中待加壓段采用分隔器進行封堵，然后在隔離段注入高壓水，通過高壓水的作用力，在巖體內部產生新的裂隙，或者將原有的裂隙擴張，破壞原有的巖體內部力學結構，使得巖體被水軟化，降低巖體強度。

工作面推采始終處于一個動態的過程，在這個過程中，前方上覆巖層因采動影響，上覆巖體逐步呈現出塊狀結構，通過在工作面上方巖體內布置鉆孔，用高壓水泵向單孔或者成組孔注入高壓水，從而達到巖體內部產生新的裂隙的目的，將大塊巖體切割成一定形狀的小塊結構，形成較大的弱面結構，破壞巖體的完整性，降低巖體內部能量積聚，隨著工作面的推采，裂隙逐漸發育，達到提前垮落的目的。

強度理論中，煤巖體內某一點應力狀態只要滿足某種強度準則，就會發生相應模式的破壞。水力壓裂破巖準則見式(1)。

Pa=min(Pa1,Pa2,Pa3)

(1)

式中：Pa1為拉伸破壞下水力壓裂壓力，MPa；Pa2為剪切破壞下水力壓裂壓力，MPa；Pa3為先剪切后拉伸破壞下的水力壓裂壓力，MPa。

拉伸破壞下水力壓裂壓力Pa1計算見式(2)。

Pa1=3σmin-σmax+ξ

(2)

式中：σmin為最小水平地應力，MPa；σmax為最大水平地應力；ξ為巖體單軸抗拉強度，MPa。

剪切破壞下水力壓裂壓力Pa2計算見式(3)。

(3)

式中：B為內聚力，MPa；φ為內摩擦角，(°)。

先剪切后拉伸破壞下的水力壓裂壓力Pa3計算見式(4)。

(4)

式中，σw為垂直應力，MPa。

不同煤巖體內裂隙各向異性，在煤巖體內部新裂隙產生并擴展原生裂隙的過程中，前者可以分為起裂、擴展、弱化三個階段，不同地質條件下原巖應力、孔內流體壓力以及孔周圍集中應力不同，構成的應力場也不相同。

2 方案設計

40205工作面區域地層含2層煤，分別為4#煤層和4-1#煤層，4煤層底板標高+370～+386 m，煤層埋深530～710 m，煤層厚度穩定，厚度21～25 m，平均煤厚23 m，其中，直接頂主要為砂質泥巖，老頂以粗砂巖和含礫粗砂巖為主；工作面采用后退式走向長壁綜合機械化放頂煤方法沿頂進行開采，全部垮落法管理頂板。煤層開采平均厚度15.2 m，其中，割煤高度3.8 m，放煤厚度平均11.4 m，采放比為1∶3。根據40205工作面回采末段煤層柱狀圖分析，煤層上方100 m范圍內厚層堅硬頂板分布如圖1所示。回采末段區域煤層上方55～59 m處有超過10 m的含礫粗砂巖，煤層上方68 m處有含礫粗砂巖，對這兩層砂巖進行高壓水力壓裂，達到弱化頂板的目的。

圖1 水力壓裂鉆孔傾向剖面布置圖Fig.1 Layout of hydraulic fracturing borehole inclination profile

2.1 沖擊地壓監測

通過ARAMIS M/E微震監測、ARES-5/E地音監測對壓裂期間煤層頂板裂隙發育以及頂板斷裂情況進行實時監測；壓裂區域內，微震監測系統布置S5拾震器、T10～T13微震探頭，其中，微震拾震器間距800～1 000 m，微震探頭和拾震器間距500～800 m，微震探頭間距300～500 m；布置4個地音探頭，兩順槽各2個，探頭距離工作面在30～110 m之間，對兩順槽產生的高能量事件進行監測。

2.2 壓裂布置原則

1) 鉆孔布置合理性。結合40205工作面煤巖層地質柱狀圖，選擇合理的壓裂層位是對煤層上方頂板有效弱化的關鍵因素，同時，要確保壓裂層位的準確性。

2) 鉆孔質量控制。鉆孔軌跡的平滑性，即封孔器需在光滑平整的鉆孔段進行封孔坐封，方能滿足高壓注水壓裂需求。

3) 鉆孔軌跡控制。壓裂鉆孔軌跡應規避斷層等地質構造影響，如果壓裂段位于地質構造影響范圍內，易造成漏失嚴重，降低壓裂有效應力，影響壓裂效果，降低頂板巖層弱化效果。

4) 鉆孔長度控制。考慮到壓裂鉆孔在煤層上方巖層中施工難度，一般不超過600 m。

5) 壓裂間距控制。考慮工具使用次數以及磨損量，壓裂間距20～40 m，單孔壓裂次數6～15次。

2.3 壓裂鉆孔設計

設計從40205機電設備硐室施工開口，設計1個鉆孔，合計長度549 m，其中，壓裂孔與運順水平距離為30 m，層位為煤層頂板上方60 m，采用直徑≥60 m的套管布置(表1)，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔及監測系統布置平面圖Fig.2 Layout plan of hydraulic fracturing borehole and monitoring system

表1 煤層頂板走向超長鉆孔參設設計Table 1 Design of parameters for ultra-long boreholesin coal seam roof strike 單位：m

3 工程概況

壓裂設備使用BYW80/450型煤礦井下壓裂泵組，采用YB2-4003-4，450 kW隔爆型電動機為動力，配有BY610Z液力變速器，經球籠式同步萬向聯軸器，通過泵側掛齒輪箱減速驅動泵運轉；壓裂工具串連分布為：Ф120 mm導向鉆頭+單向閥+Ф90 mm封隔器+Ф89 mm壓裂鉆桿+定壓開啟器+Ф89 mm壓裂鉆桿+Ф90 mm封隔器+Ф89 mm壓裂鉆桿+安全接手+Ф89 mm壓裂鉆桿至孔口+變扣接頭+高壓膠管+三通泄壓閘閥+高壓膠管連接壓裂泵組。

3.1 壓裂鉆孔施工

采用Ф120 mm鉆頭+Ф89 mm螺桿馬達+隨鉆測量系統+Ф89 mm高韌性螺旋鉆桿+Ф89 mm水便，通過泥漿脈沖測量系統反饋的信息調整工具面向角來實現定向鉆進，施工孔深615 m(圖3)。

圖3 鉆孔施工現場Fig.3 Drilling construction site

3.2 高壓水力壓裂施工

采用倒退式分段壓裂法，壓裂分段間距為30 m，鉆孔拐彎段適當進行壓裂，壓裂過程中初始裂縫起裂后水壓會有所下降，繼而進入保壓階段，在這個階段，裂紋擴展的同時伴隨著新裂紋的產生，利用電磁流量計監測流量及注入的水量，保證頂板巖層充分破裂軟化。壓裂時間一般不少于30 min， 視孔中水壓保壓情況，原則上壓力不增加，再壓裂10 min(圖4)。

3.3 現場施工

通過對40205工作面膠帶順槽進行高壓水力壓裂，壓裂里程距離停采線532～112 m水平段進行了高壓水力壓裂施工，1#鉆孔共計壓裂15次，分三次進行壓裂施工，最大壓力達到11 MPa，最大流量達到58.4 m3/h，保壓時長最大達到18 min。施工曲線如圖5所示。

4 巖體破斷分析

上覆巖層在受高壓水壓裂過程中，巖體內部主要受剪切力破壞，巖石內部擴張，產生新生裂隙，在與原生裂隙導通后，從而改善巖體內部結構，巖石強度降低，實現了巖石內部裂隙網絡化結構，形成巖體內部弱面體(圖6和圖7)。

圖7 巖體受高壓水壓裂受力結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the stress structure of rockmass subjected to high-pressure water fracturing

5 數據分析

采用ARAMIS M/E微震監測和ARES-5/E地音監測聯合監測，對壓裂過程匯總煤體上方頂板巖層斷裂情況進行監測監控，有效驗證工作面上覆巖層頂板斷裂。

5.1 ARAMIS M/E微震監測

壓裂過程中共監測到微震事件達到28次，總能量達到43 000 J，最大能量為6 200 J，平均能量為1 400 J，微震監測數據變化幅度較小，能量能級小，震源分布較分散(表2)。

表2 微震事件統計表Table 2 Statistics of microseismic events

圖8為微震事件分布示意圖。由圖8可知，淺灰色點代表100～1 000 J能量等級區間，深灰色代表1 000～10 000 J能量等級區間，大部分事件以面內分布為主，100～1 000 J能量分布較為集中，1 000～10 000 J能量分布較為分散，未出現10 000 J及以上微震事件；由此可以判斷，在水力壓裂期間，工作面上覆巖層處于受高壓水的緩慢弱化過程，巖層斷裂速度較低，以小面積塊狀結構形成為主，未出現大面積的巖層斷裂現象。

圖8 微震事件分布示意圖Fig.8 Schematic diagram of the distribution of microseismic events

5.2 ARES-5/E地音監測

兩順槽各安設兩個地音探頭，距離工作面最近的地音探頭與工作面距離不小于30 m，第二個地音探頭安設在距離第一個地音探頭80 m處，當工作面推至距離最近地音探頭30 m時，將最近探頭挪至最外側探頭以外80 m處，在40205工作面安裝了7#、8#、13#、14#四個地音探頭。

通過三次壓裂期間地音監測數據統計，最大能量達到177 316 J，最大頻次達到376 Hz，發生的地音事件以“高頻低能”能量事件為主，未出現10 000 J及以上的能量事件。因此，在高壓水力壓裂過程中，煤層上方巖層微裂隙發育，小斷面產生頻率較高，對上覆巖層的弱化起到了關鍵作用(圖9～圖11)。

圖9 40205運輸巷第一次壓裂能量變化Fig.9 Energy change of the first fracturing in 40205 transport roadway

圖10 40205運輸巷第二次壓裂能量變化Fig.10 Energy change of the second fracturing in 40205 transport roadway

圖11 40205運輸巷第三次壓裂能量變化Fig.11 Energy change of the third fracturing in 40205 transport roadway

6 效果分析

采用ARAMIS M/E微震監測系統對工作面微震當天總能量及總頻次進行持續監測統計，通過對工作面推采過程中，進入壓裂區域前和進入壓裂區域后的監測數據進行統計對比分析，判斷壓裂后煤體上方巖體的變化情況(表3)。

表3 壓裂前后能量和頻次變化表Table 3 Energy and frequency changesbefore and after fracturing

高位頂板長距離鉆孔水力壓裂施工后，3月24日工作面推采進入壓裂區域后，微震監測總能量有明顯的降低趨勢，由之前最高的460 kJ(3月16日)減低至130 kJ(3月28日)，降低率達到71.7%；但微震監測總頻次數量有所上升，由3月10日的40次上升至3月27日的309次，上升率達到87%。由此可以判斷，在高壓水對煤層上方頂板壓裂后，巖體內部活動由之前的一個“低頻高能”向“高頻低能”的狀態轉化，呈現一個小能量微震事件增多，大能量微震事件降低的趨勢，巖體內部結構發生較大變化，高壓水促使巖體整體性破碎，內部裂隙呈現“網格狀”結構開始發育(圖12)。

3) 水力壓裂工程的施工，工作面單日總能量大幅度下降，而頻次有所上升，巖體內部活動由之前的一個“低頻高能”向“高頻低能”的狀態轉化，上覆巖層內部積聚高能量大幅度減低。

7 結 論

1) 超長鉆孔水力壓裂工程工藝的施工，可促進煤層上方高位頂板的大面積弱化，有效減低工作面推采期間煤層上方頂板的沖擊勢能。

2) 通過ARAMIS M/E微震監測、ARES-5/E地音監測聯合監測數據分析，高位長鉆孔水力壓裂施工，主要以“高頻低能”事件存在，因此，對上覆巖層頂板的弱化是一個較為緩慢的弱化過程。