地面压裂与井下钻孔对接联合抽采技术

马钱钱

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

我国煤层地质条件复杂，80%以上的高瓦斯煤层属于低透气性煤层。对于不具备开采保护层条件的单一高瓦斯低透气性煤层，单纯依靠常规瓦斯抽采技术存在抽采难度大、效果差等缺点，需要研究适宜的增透、促抽新技术；在当前矿井高产高效发展要求下，高瓦斯低透气性煤层较长的抽采达标周期制约了矿井先进的综采综掘设备能力的发挥，因此，需要进一步提高瓦斯抽采效率，实现抽掘采有序衔接，保障矿井安全与高产高效[1]。随着煤与瓦斯共采理论的推广应用，我国在“地面”和“井下”瓦斯抽采方面，分别形成了较为成熟的地面井抽采利用工程成套技术，以及以千米定向钻孔技术为代表的井下钻孔抽采技术。在高瓦斯低透气性煤层矿区形成了“地面井+井下钻孔（巷道）抽采”的立体瓦斯抽采格局[2-3]。地面井抽采技术和井下钻孔抽采技术各有优缺点，在技术上可形成优势互补，而如何实现地面和井下抽采技术在时空上的有效结合和优势互补，需要展开探索和研究，为此提出了“先布孔后压裂”和“先压裂后布孔”2种地面压裂与井下抽采相结合的瓦斯抽采技术。

1 地面压裂裂缝扩展机理

煤层水力压裂包括煤体裂缝起裂和裂缝延伸2个方面，当注水压力超过煤体的起裂压力时，其发生破裂。已有研究表明：水力压裂裂缝基本在煤层中扩展，形成水平裂缝，裂缝延伸方向主要受地应力场控制，多平行于地层最大水平主应力方向或垂直于断层走向，缝宽随裂缝扩展而变小。煤层水力压裂是水压主裂缝与分支裂缝交替扩展延伸的过程，最终形成主裂缝与分支裂缝交叉的裂缝网络[4-5]。

1.1 水力压裂裂缝扩展的影响因素分析

煤层水力压裂裂缝的起裂和扩展主要与煤岩内在本质因素（力学性质、地应力场）以及外部工艺因素（泵注压力、注水流量和注水时间）有关。在实际压裂过程中，主要靠外部工艺因素来影响裂缝的扩展效果。压裂过程注水压力不是一个恒定值，而是1条随着注水时间变化的曲线，可以近似地将该曲线对应的峰值注水压力当作起裂压力。由于注水压力与注水流量和注水时间直接相关，主要研究注水流量和注水时间对压裂效果的影响。

1.2 水力压裂裂缝扩展数值分析

运用颗粒离散元PFC2D数值模拟软件，建立50 m×50 m 的模型，设计不同注水参数（5.076～17.676 m3/h等量递增的8组不同注水流量；400～700 s等量递增的7组不同的注水时间）组合成56组数值计算方案，模拟分析不同注水参数对裂缝扩展的影响，对相应的数据进行回归分析，得出的注水参数与压裂半径的数值关系数值模型如图1。

图1 数值模型图

基于多组压裂数值模拟结果，分析得到注水时间、注水流量的压裂半径随注水时间变化曲线及散点图（图 2）。

压裂半径与注水时间、注水流量均存在很好的线性关系。根据相关数理统计理论：压裂半径可以拟合成与注水流量和注水时间线性相关的关系式。对数据进行回归分析，得到压裂半径与注水参数的函数关系：

式中：L 为压裂半径，m；Q 为注水流量，m3/h；t为注水时间，s。

图2 注水时间、注水流量与压裂半径的关系图

2 地面压裂井下裂缝影响范围研究

2.1 实验室煤层水力压裂数值模拟

建立150 m×120 m的模型，底部设置压裂孔，数值计算模型如图3。采用控制流量的注水加压方式，初始水压p0取2 MPa。压裂模拟参数见表1，煤层物理力学参数按照压裂井实际煤层地质选取。

图3 数值计算模型

表1 压裂模拟参数

水力压裂模拟裂纹展布如图4。由图4可知，模拟得出的压裂裂缝大致呈1条直线，沿着最大水平地应力力方向扩展，压裂裂缝延伸长度为99.8 m。

2.2 地面压裂井下影响范围现场考察

图4 水力压裂模拟裂纹展布图

通过巷道和钻孔揭露压裂井周围的排渣见砂情况，定点轨迹追踪裂缝延展方向和范围，实测压裂裂缝大致呈1条直线，且主要沿着煤层与顶板间形成裂缝，微小裂隙分支较少，直线方向为主裂隙方向，裂缝宽0.06 m，长半轴方向的影响范围约94 m。

2.3 地面压裂井下影响范围预计分析

通过地面压裂裂缝扩展机理研究，提出了煤体水力压裂压裂半径与注水流量、注水时间关系的数学计算模型，并基于实际水力压裂过程，将选定的注水参数（注水流量 108.6 m3/h，注水时间为 1.13 h）代入压裂半径与注水参数的函数关系计算，得出压裂半径为99.50 m，其与井下实际测得的压裂半径94 m非常接近。

对实际水力压裂过程进行数值摸拟得出的结果为沿着最大主应力方向水力压裂裂缝延伸99.8 m，同样与井下实际测得的压裂半径94 m非常接近。

综上所述，对于压裂半径，现场实测值、数值模拟结果以及解析解三者差别不大，基于颗粒离散元方法的水力压裂数值模拟能较好地反映水力压裂裂纹扩展特性。

3 地面和井下抽采技术时空关系

地面井抽采技术具有安全、设备能力大、覆盖煤层范围大、不占用井下巷道空间、机动性好和利用率高等优点，但其适用煤层条件苛刻，排采成功率低，成本高。井下瓦斯抽采技术具有适用范围广，易精确控制目标抽采区域，与井下采掘作业衔接紧密，成本低的优点，但其受井下作业空间限制，抽采范围小且劳动强度高。为实现2种抽采技术优势互补，提出了“先布孔后压裂”和“先压裂后布孔”2种地面压裂与井下抽采结合方式，发挥地面压裂的压力高、规模大的优势，对目标煤层区域强力增透，同时，利用井下抽采的精确控制和紧密衔接的特点强化瓦斯抽采。“先布孔后压裂”的结合方式要在空间上实现地面压裂井井位布置与矿井巷道、钻孔布置相协调；“先压裂后布孔”的结合方式要在时间上实现地面压裂与煤层钻孔工程协调一致[6-7]。

3.1 井下抽采钻孔与压裂井井底空间关系

井下对接钻孔布孔设计是井上下联合抽采的关键环节。根据预计的压裂裂缝延伸方向及范围、已掘巷道位置，确定钻孔的终孔位置，将钻孔布置在预计安全压裂影响范围外，确保巷道壁或钻孔不被压穿。

根据地面压裂井下裂缝影响范围研究结果，预计压裂主裂缝为平行主应力方向的直线，压裂影响范围为以主裂缝为长轴的椭圆，长半轴长约100 m。设计压裂前对接钻孔终孔点与压裂井井底的距离大于100 m，并留20 m安全距。

钻孔终孔与压裂井井底相对位置如图5，在距离抽采钻孔120、180、200 m处分别施工3口地面压裂井，进行不同安全距离的钻孔抽采效果对比。不同安全距离钻孔瓦斯抽放参数见表2。

图5 钻孔终孔与压裂井井底相对位置图

表2 不同安全距离钻孔瓦斯抽放参数

由表2可知，在不同的安全距离条件下施工井下对接钻孔，对目标煤层的增透促抽效果差异明显，安全距离为180、200 m以上钻孔抽采效果相当，而安全距离为120～180 m的钻孔区域受压裂影响较大，钻孔抽采效果明显提高，预抽时间大大缩短。

在3口压裂井覆盖的巷道掘进期间，实测了钻屑瓦斯解吸指标K1值[8-10]，经统计分析得出防突指标K1（大于0.4）的占比为7.8%，而正常区域巷道掘进时测得的K1（大于0.4）的占为40%～50%。可见，在地面井压裂和井下钻孔抽采的双重作用下，煤与瓦斯突出危险性预测指标大小明显减小，煤与瓦斯突出危险性降低。

地面压裂井与井下对接钻孔空间位置关系至关重要，对接钻孔终孔点应布置在距离压裂井井底120～180 m范围内，此时，地面压裂和井下抽采实现了空间上的优势互补，联合抽采效果最好，超过180 m后，地面压裂对井下对接钻孔抽采的影响较小，联合抽采效果不明显。

3.2 地面压裂和井下抽采钻孔衔接时间关系

地面压裂后，裂缝将经历“扩张-保持-闭合”3个阶段，煤体应力平衡状态也相应的经历“打破-动态平衡-稳定”3个阶段，在时间衔接上，井下钻孔施工要在压裂后形成相对稳定的“动态平衡”阶段完成。

为此进行“先压裂后布孔”试验，通过考察同种布孔参数，不同滞后时间下钻孔施工难易程度、成孔率、钻孔流量、浓度等参数，研究确定井下钻孔施工滞后地面压裂的合理时间。

在滞后地面压裂不同时间向压裂井底施工定向长钻孔，对钻孔滞后地面井压裂0～2个月、2～4个月以及4个月以上3种情况进行考察，滞后压裂不同时间的钻孔施工情况和钻场抽采情况见表3。

表3 滞后压裂不同时间的钻孔施工情况和钻场抽采情况

综合比较井下钻孔滞后地面压裂3种情况，滞后2～4个月时，钻孔长时间维持较高的抽采浓度和百米钻孔流量，抽采效率显著提高，很好地利用了地面压裂对井下抽采的有利影响，能够实现抽采效益最大化。地面压裂后2～4个月内是最佳的井下钻孔衔接抽采时间，

4 结论

1）提出了“先布孔后压裂”和“先压裂后布孔”2种地面压裂与井下抽采相结合的瓦斯治理办法。

2）分析并确定了裂缝起裂和延展的因素，给出了地面压裂裂缝扩展理论计算方法，即压裂半径L与注水流量Q和注水时间t的数学关系式：L=0.62Q+8.383×10-3t-0.448，为地面压裂造缝、布孔设计等提供理论支撑。

3）对实际水力压裂过程进行了数值模拟，模拟得出水力压裂裂缝沿着最大主应力方向延伸99.8 m，模拟预计的压裂半径与实测的压裂半径94 m相近，说明数值模拟具有很好的适用性。

4）地面压裂作业与井下抽采钻孔合理的时间和空间衔接参数为：采用“先布孔后压裂”的结合方式，对接钻孔终孔点布置宜在距离压裂井井底120～180 m范围内；采用“先压裂后布孔”的结合方式，井下钻孔布置宜滞后地面压裂2～4个月，即在裂缝保持阶段施工钻孔。