煤礦巖層壓裂技術與裝備的發展方向

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 開采設計事業部, 北京 100013; 3.煤炭智能開采與巖層控制全國重點實驗室, 北京 100013)

1 研究現狀

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也差異顯著。隨著煤礦開采深度、強度和廣度的增加, 與巖層控制相關的難題也越來越多。我國堅硬頂板賦存煤層約占30%, 覆蓋50%以上的礦區。我國東部、中部和西部地區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, 引起應力和能量持續積聚,導致工作面來壓步距增大, 動載系數增高, 礦壓顯現強烈, 出現冒頂、片幫及液壓支架破壞等現象,更甚會發生人員傷亡事故。為了保證采煤工作面的安全、快速推進, 迫切需要研發工作面堅硬頂板弱化技術。另外, 對于千米深井巷道、強采動巷道及沖擊地壓巷道等高應力巷道, 僅采用支護加固法很難有效控制圍巖變形, 保持圍巖穩定, 因此需進一步研究與應用巷道圍巖卸壓技術。

巖層壓裂技術是通過向巖層中注入高壓流體,使其產生裂縫或重啟天然裂縫, 從而形成裂縫網絡。在煤礦巖層控制中應用壓裂技術主要有兩個目的: 一是在巖層中形成縫網, 改造巖層結構、改變巖層力學性質及調整巖層應力, 弱化堅硬巖層;二是在巖層中產生定向裂縫, 切斷頂板, 減小懸頂及采動影響。近年來, 煤礦巖層壓裂技術發展較快, 形成了地面壓裂、井下區域壓裂及局部壓裂立體化技術[1], 如圖1所示。

圖1 煤礦巖層水力壓裂技術

地面壓裂技術是將壓裂設備放置在地面, 從地面打鉆孔至目標巖層進行壓裂。地面壓裂技術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上方巖層進行改造[2], 在大同、彬長、陜北等礦區有廣泛應用。井下區域壓裂技術既可用于采煤工作面也可用于巷道上方的巖層弱化; 局部壓裂技術主要用于采煤工作面初次放頂和高應力、強采動巷道卸壓, 這些壓裂技術已得到廣泛應用。在壓裂裝備方面, 地面壓裂主要采用石油行業的傳統裝備; 井下壓裂裝備從最初排量為90 L/min的手動控制泵站發展到現在的井下遠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。我國煤礦巖層地質條件復雜多變, 開采技術條件和方式多元化,因此巖層壓裂技術與裝備均有較大的提升空間。

2 存在問題

煤礦巖層壓裂技術在實施過程中, 主要包括壓裂設計、鉆進成孔、壓裂造縫和效果監測與評價等4個階段, 每個階段的主要目標任務如圖2所示。

圖2 煤礦巖層壓裂技術實施流程

壓裂設計階段的主要任務包括: 壓裂模式及工藝選擇、壓裂層位判別與巖層可裂性評價、三維水力壓裂數值模擬與縫網設計、壓裂鉆孔布置與壓裂施工參數確定等; 鉆進成孔階段的主要任務包括: 定向鉆機及鉆進工具選擇、工程及地質參數隨鉆測量、孔壁穩定性分析及固孔作業、孔內可壓性評價與壓裂點位精準判別等; 壓裂造縫階段的主要任務包括: 壓裂泵組及封隔壓裂工具選擇、縫控壓裂技術實施、壓裂液及暫堵劑應用、風險預警與遠程控制等; 效果監測與評價階段的主要任務包括: 裂縫擴展方位與幾何尺寸實時監測、煤礦圍巖應力監測、頂板破斷微震能量監測、頂板垮落、圍巖變形監測、支架工況與支護體受力監測等[3]。

巖層壓裂技術雖然在很多煤礦得到應用, 也取得較好效果, 但在現場實踐中還存在諸多不足。原因主要有兩方面: 一是巖層壓裂技術涉及諸多方面, 包括壓裂機理、介質、參數、工藝、裝備及裂縫展布監測及壓裂效果評價等, 機理復雜、不確定性大、直接監測較為困難; 二是影響巖層壓裂效果的因素眾多, 不僅包括巖層分布、巖體物理力學性質、巖體結構、地應力等, 還與采掘布置方式、工作面與巷道的參數等有密切關系。目前, 煤礦巖層壓裂技術與裝備存在的主要問題見表1, 主要是壓裂裂縫的擴展機理需要進一步深化; 壓裂設計的科學性與合理性有待進一步提高, 特別是提高壓裂目標層位判別的精準性; 鉆孔鉆進技術的適應性需要提高, 隨鉆測量儀器適應性較差; 壓裂介質主要是水, 需要開發適應不同巖層的壓裂介質體系; 壓裂裝備自動化、智能化水平較低, 壓裂能力有待進一步提升; 壓裂工藝及封隔工具單一, 不能有效控制縫網形態; 裂縫展布監測精度不高, 壓裂效果評價體系有待完善等。

表1 煤礦巖層壓裂技術與裝備存在的主要問題

3 發展方向

針對煤礦巖層壓裂技術與裝備存在的問題, 提出未來的發展方向(圖3): 壓裂理念為超前主動、區域化、一體化(與采掘部署); 壓裂設計定量化、可視化、動態化; 壓裂工藝精準化; 壓裂裝備自動化、智能化; 壓裂監測多源化、精確化、實時化。

圖3 煤礦巖層壓裂技術與裝備發展方向

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

(2)壓裂設計。目標層位的確定是壓裂工程的關鍵。需要開發基于地質力學原位測試、測井技術的壓裂目標層位判別技術與巖層可裂性評價方法, 保證壓裂層位的精確判定。壓裂設計參數包括鉆孔布置與參數、壓裂泵流量與壓力、封孔與壓裂點位置參數等, 需要采用壓裂理論分析、實驗室試驗、大型數值仿真及現場實測相結合的手段, 將壓裂設計逐步由定性轉為定量, 通過可視化方法預測裂縫網絡的展布, 并根據巖層條件變化, 動態調整壓裂參數。

(3)壓裂工藝。開發多參量隨鉆測量技術, 提高鉆進軌跡控制精度。研發固孔工藝與技術, 精準確定封孔與壓裂點位置。開發多元化縫控壓裂技術,及高效射孔、切縫等技術, 研發高效壓裂介質、暫堵劑等, 實現壓裂縫網展布的精準控制。

(4)壓裂設備。壓裂裝備主要包括鉆機、壓裂泵組及壓裂參數監測儀器等。鉆機應發展全自動上下鉆桿、無線遙控操作、全自動鉆進及智能防卡鉆等關鍵技術; 井下壓裂泵組向遠程操控、自動無極精準調控方向發展; 壓裂施工作業要實現泵注流量和壓力實時跟蹤、壓力流量匹配及時分析、風險故障預警和遠程自動調控等功能。實現鉆孔、壓裂設備的自動化、智能化升級, 達到減人提效的目的。

(5)壓裂效果監測與評價。通過多傳感器融合,如通過傳統三分量檢波器微震和分布式聲波傳感(DAS)的聯合監測, 提高壓裂裂縫的監測精度。融合壓裂全周期多源數據, 構建壓裂大數據平臺, 實時分析并生成相應的數據模型; 基于人工智能技術, 提高壓裂效果評價的準確性, 并能實時進行信息反饋, 不斷優化壓裂設計。

總之, 煤礦巖層壓裂應遵循“超前主動、區域先行、先裂后掘、裂后再采”的治理理念。瞄準“區域化、立體化、數字化、可視化、精準化、自動化、智能化”的目標, 加快開發定量化的壓裂設計方法, 高效精準的壓裂工藝與技術, 自動化、智能化的壓裂裝備, 多源化、實時化、智能化的壓裂效果監測與評價技術, 不斷提高煤礦巖層壓裂技術與裝備的成套性與適用性, 并制訂巖層壓裂技術標準與規范, 使巖層壓裂技術成為煤礦巖層災害防控的有效手段, 為煤礦的安全高效生產提供技術保障。