定向水力压裂增透技术在单一厚煤层的应用

2020-11-17王永周王浩昌李国栋

设备管理与维修 2020年20期

王永周，王浩昌，李国栋

（焦作煤业（集团）新乡能源有限公司，河南新乡 453633）

0 引言

我国多数矿区的煤层气抽采难度普遍较大，全国95%以上的高瓦斯和突出矿井开采的煤层属于低透气性煤层，渗透率多在10-3～10-4mD 数量级，煤层透气性低，导致煤层气抽采困难，严重影响矿井安全。水力压裂技术在石油领域应用广泛，是油气开发工程的主要增透技术之一[1]。随着水射流技术的不断发展[2-3]，各种水力化措施被广泛运用到煤矿瓦斯治理中，主要包括水力造穴、水力冲孔以及水力割缝技术。井下进行穿层钻孔水力压裂时，存在钻孔压裂影响区域小、效率低等问题。近年，随着井下定向钻进技术的快速发展[4-6]，有效解决了钻孔轨迹控制，通过穿层或顺层施工超长钻孔，有效解决了穿层抽采钻孔有效段短、施工成本高的问题。利用定向钻孔进行深孔水力压裂，扩大了钻孔影响区域，治理效率明显提高。

本文通过现场工程试验，研究了定向长钻孔深孔水力压裂强化增透技术在单一坚硬厚煤层的应用，探索破解赵固二矿煤层气强化抽采技术难题。

1 工程概况

赵固二矿位于焦作煤田东部，井田面积约43.77 km2，设计生产能力180 万吨/年，服务年限55.5 年，主采山西组二1 煤层。矿井属煤与瓦斯突出矿井。14030 工作面为矿井综采自动化工作面，位于一盘区西部，工作面可采走向长度2200 m，倾向200 m，该采面标高-660～-752 m，煤层埋深735.3～828.8 m。工作面煤层结构单一，厚度6.03～6.77 m，平均6.4 m，煤层倾角4～6°。该工作面原始瓦斯压力0.1 MPa，原始瓦斯含量3.56～9.23 m3/t，煤体破坏类型Ⅰ～Ⅱ类，坚固性系数0.9～2.05，煤层透气性系数0.398～0.796 m2/（MPa2·d），钻孔流量衰减系数0.103 6～0.154 6 d-1，煤层吸附常数a=52.945 m3/t，b=1.063 MPa-1，孔隙率4.55%。

2 试验方案

2.1 定向钻孔设计与施工

（1）参数设计。为提前对11060 工作面下顺槽1230～1530 m区域进行瓦斯治理，在11060 工作面上顺槽795 m 钻场施工1个定向钻孔。钻孔设计孔深610 m，根据煤层顶板等高线绘制预想剖面图，确定钻孔的开孔方位角197°、倾角-3°。根据煤层变化设计出钻孔轨迹，考虑压裂抽采的均衡性，将钻孔轨迹控制距煤层底板2.5～3 m 位置进行定向钻进。具体设计参数：设计开孔方位角197°；设计开孔倾角-3°；设计终孔方位角143°；设计终孔倾角2°；设计孔深610 m。

（2）现场施工。采用ZDY6000LD 履带式全液压钻机及配套机具进行钻孔施工。施工过程中，严格控制开孔参数，定距测量误差，以确保钻孔轨迹，最终施工钻孔深611.5 m，实钻轨迹（图1）基本按照设计轨迹进行，钻孔达到设计要求。钻孔施工至设计位置后，采用Φ113 mm 的钻头进行扩孔，扩孔后钻孔孔径达到Φ115 mm。

图1 钻孔实钻轨迹

2.2 水力压裂工艺设计及施工

2.2.1 参数设计

向长钻孔设计采取顺煤层长钻孔整体水力压裂增透技术，封孔方式为套管+封隔器封孔，封隔压裂段为385～611.5 m，压裂钻孔长度约226 m，设计水力压裂注水量为1089 m3。具体压裂参数见表1。

表1 定向长钻孔水力压裂参数设计

2.2.2 现场施工

压裂泵工作过程中通过视频监控严格控制工况参数，最高注水压不得大于56 MPa，最大流量保持在24 m3/h 以下。采用裸眼封割器封孔，封孔水压达到15.4 MPa 时，封割器完成座封。采用BZW200/56 型压裂泵，连续向孔内压入清水。累计注水时间70 h24 min，共注入水量1613 m3，注水瞬时流量最大400 L/min，最大泵注压力24.3 MPa。

保压时间持续14 d，孔内压力由18.2 MPa 降至4.4 MPa，之后压力下降缓慢，进行人工干预卸压。卸压阀打开排水后3 h，孔内压力下降至0 MPa。保压观测结束后，进行卸压排水，排水时间5 d，累计排水274 m3。