中硬低渗煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术与应用

郭超奇，赵继展，李小建，张静非，仵胜利，陈冬冬，黄兴利，李宝军

中硬低渗煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术与应用

郭超奇1，赵继展2，李小建1，张静非2，仵胜利1，陈冬冬2，黄兴利1，李宝军1

(1. 陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 黄陵 727307；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

针对黄陇侏罗纪煤田中硬煤层渗透性差、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快等问题，利用自主研发的水力压裂成套工艺设备，提出煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术，并在黄陇煤田黄陵二号煤矿进行工程应用试验。现场共完成5个定向长钻孔钻探施工，单孔孔深240~285 m，总进尺1 320 m；采用整体压裂工艺对5个本煤层钻孔进行压裂施工，累计压裂液用量1 557.5 m3，单孔最大泵注压力19 MPa；压裂后单孔瓦斯抽采浓度及百米抽采纯量分别提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍；相比于普通钻孔，压裂孔瓦斯初始涌出强度提升2.1倍，钻孔瓦斯流量衰减系数降低39.6%。试验结果表明：采取水力压裂增透措施后，瓦斯抽采效果得到显著提升，煤层瓦斯可抽采性增加，为类似矿区低渗煤层瓦斯高效抽采提供了技术支撑。

黄陵矿区；定向长钻孔；裸眼坐封；水力压裂；瓦斯抽采

近年来，随着矿井开采活动的进行和开采深度的不断增加，矿井瓦斯涌出量逐年增大，低渗煤层所带来的瓦斯抽采浓度低、抽采流量衰减速度快等问题，使矿井安全生产面临极大威胁[1-2]。同时，高产高效矿井工作面回采效率高、接续时间紧，常规瓦斯抽采技术钻孔工程量大、抽采效果不理想等问题无法得到有效解决[3-4]。

黄陇侏罗纪煤田煤层埋藏较深，煤系含煤性好，但煤层透气性差，需采取煤层强化增透措施提高瓦斯抽采效果，实践证明，水力压裂具有煤层增透、改变煤体强度等功效[5-6]。定向长钻孔水力压裂综合了定向钻进高效抽采技术和水力压裂增透强化抽采的技术优势，能够有效提高瓦斯治理效率、扩大瓦斯治理规模，促进低渗煤层瓦斯高效治理技术发展[6-8]。目前，有人在不同矿区已开展了试验研究。

孙四清等[9]针对阳泉矿区碎软低渗高突煤层开展了井下长钻孔整体水力压裂增透技术的工程试验研究，工程实现了井下一次性整体压裂(煤孔段长度307 m)；李国栋等[10]研发了适合中等偏硬低透煤层裸眼钻孔高压稳定封孔装备，并且用于本煤层定向长钻孔整体水力压裂增透技术，良好效果；王建利等[11]针对韩城矿区碎软煤层透气性差、本煤层钻孔钻进困难等问题，采用顶板梳状孔水力压裂技术有效地解决了碎软低渗煤层瓦斯抽采难题。

目前井下水力压裂技术实现途径主要为顶底板及煤层压裂，对于不同硬度煤层需采用不同压裂工艺。碎软(薄)煤层(＜0.8)由于其硬度低、成孔性差，多采用顶底板(分段)压裂方式[12-13]，而本次针对陕西黄陵矿区中等偏硬煤层(≈1)为目标，以黄陵二号煤矿(区域煤层实测≈1.16)为试验点开展本煤层水力压裂工程应用试验，研究中硬低渗煤储层条件下压裂工艺的适用性，旨在丰富不同地质条件下煤层高效瓦斯抽采技术。

1 试验工作面概况

黄陵二号井田含煤地层为侏罗系中统延安组，其中，2号煤层是井田内主要可采煤层，3号煤层为局部可采煤层，其他为不可采煤层。施工区域位于209辅运巷八联巷以里，向211工作面施工顺煤层钻孔。根据地质勘探钻孔资料(N47钻孔)及实测数据，2号煤厚度3.75 m，值约为1.16，埋深632.30 m，与3号煤层平均间距为13.5 m，层间岩性为粉砂岩和细砂岩互层(表1)。2号煤层作为主采煤层，渗透性差，普通钻孔瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快，抽采效果差。

表1 黄陵二号井田N47钻孔揭露含煤地层岩性特征

2 煤层定向长钻孔钻探设备及工艺

采用ZDY6000LD型煤矿用全液压坑道钻机进行钻探施工。该钻机是目前常用的履带式定向钻机，适用于孔底马达定向钻进、孔口回转钻进以及复合钻进等多种施工工艺[14]。

水力压裂施工需要较大的液体压力和流量才能达到破裂煤体的目的，对钻孔及封孔的工艺技术要求较高，将封孔工具坐封于煤层中容易出现封隔器爆裂、破损等现象。基于上述问题，提出了中硬煤层“先入顶板后进煤层”钻探工艺，即钻探施工中控制钻孔轨迹在2号煤层顶板(层间距不宜过大，控制在2~3 m以内)，随后调整角度进入煤层钻进(图1)，在压裂过程中将封隔器坐封于顶板岩层中，以保证良好的封孔效果。

图1 “先入顶板后进煤层”钻探工艺轨迹

在2号煤层共计实施定向长钻孔5个(M1–M5)，单孔孔深240~285 m，总进尺1 320 m。其中M1–M4号孔采用“先入顶板后进煤层”钻探工艺，M5号孔为全煤层段钻进，具体施工参数见表2，钻孔平面轨迹如图2所示。

表2 黄陵二号井田煤层定向长钻孔施工情况

图2 黄陵二号井田煤层钻孔平面位置

3 煤层钻孔水力压裂技术

3.1 水力压裂设备

压裂设备选用BYW65/400型压裂泵组。水力压裂成套设备由压力泵、水箱、高压管汇、远程操作系统，具有压力高、流量稳定、可远程操作、远程视频监控、设备运行稳且运行时间长等特点，可保证施工过程中工作人员的安全；根据钻孔孔径和压裂工艺选择封隔器，总长为1 620 mm，最大外径为86 mm，通径为50 mm，工作压力达70 MPa。

3.2 水力压裂参数设计

根据施工条件，本次压裂方式采用整体压裂，封孔方式采用封隔器裸眼坐封，压裂液为清水；试验区煤层平均破裂压力梯度为1.190~3.849 MPa/hm，压裂施工区2号煤层平均埋深为630 m，计算得2号煤层破裂压力为7.5~24.2 MPa。依据煤层厚度、孔隙率、压裂影响范围等参数计算压裂液用量，设计煤层孔压裂液用量240 m3。

3.3 钻孔水力压裂施工

基于前期本煤层压裂孔“先入顶板后进煤层”钻探工艺，采用本煤层裸眼坐封水力压裂工艺技术，设计钻探轨迹并跟踪采样，成孔后利用钻孔窥视分析，选定顶板砂岩层孔壁完整段进行裸眼坐封，水力压裂工具串组合为：ø86 mm引鞋+ø86 mm单流阀+ø86 mm定压节流器+ø86 mm封隔器+ø73 mm油管。

本次共实施5个水力压裂煤层钻孔，采用整体压裂方式，最高泵注压力19 MPa，压裂液总用量1 557.5 m3。各钻孔水力压裂施工情况见表3。

4 定向长钻孔水力压裂应用效果分析

4.1 压裂曲线分析

通过注水压裂曲线分析可发现，所有压裂孔均以较为规则的锯齿状波动为主，反映出该区域煤层较为稳定，压裂以微破裂为主，以M1号孔、M5号孔为例分析压裂施工曲线。

M1号压裂孔于20:03开泵进行压裂工作，至次日11:43左右结束，采用拖动式封隔器进行持续整体压裂。压裂时间持续15.67 h，注水总量315 m3，最高注水压力19 MPa；该段压裂期间邻近钻孔(50 m左右)出水，邻近区域顶板也出现渗水现象。

由图3所示，本次整体压裂曲线仍以锯齿状上下波动的压力曲线为主，反映出清水压入岩层孔隙或裂缝后的反复的“起裂–扩展延伸”行为；随着前期压裂水的不断注入，压裂液(清水)能量的不断积聚，岩层抵抗失效，主裂隙迅速扩展，岩层裂隙中的自由空间增大，孔内产生较大裂隙，压裂清水在该裂隙系统中延伸、扩展。

表3 本煤层钻孔施工情况

图3 M1号压裂孔压裂曲线(部分)

图4 M5号压裂孔压裂曲线

M5号本煤层压裂孔为全煤层段压裂，采用拖动式封隔器坐封后(坐封位置位于煤层)进行持续整体压裂。M5号压裂孔于13:13左右开泵进行压裂工作，至次日07:37结束。压裂时间持续18.4 h，注水总量403.5 m3，最高泵注压力7.8 MPa，最大瞬时注水流量为31.41 m3/h。由图4可以看出，本次压力曲线整体呈现锯齿状上下波动，该压力曲线反映清水压入岩层天然孔隙后产生的微裂隙的“起裂–扩展延伸”行为。压裂水一开始通过渗流的方式逐渐充实煤层的原生孔隙和裂隙；随着压裂水压力的不断增加，压裂孔周围应力升高产生微裂隙，而在压裂泵持续注入的作用下，煤体内发生再蓄能、裂缝再扩张的循环往复过程，即压力数据曲线呈锯齿状上下波动的过程[15-16]。

通过对比M1和M5号孔压裂情况发现，M1号孔在进行压裂施工期间出现顶板及侧帮渗水现象，考虑安全因素并未继续增大排量和压力，整体压裂曲线较为平稳；而M5号孔在压裂进行了14.4 h后并未出现渗水情况，遂升档提高排量和压力，造成该处压裂曲线出现阶梯式增长。

4.2 钻孔瓦斯抽采数据分析

压裂前后钻孔瓦斯抽采数据对比分析结果见表4。M1—M5号钻孔压裂前瓦斯抽采纯量和瓦斯体积分数别为0.022~0.070 m3/(min·hm)、3.2%~38.2%；采用水力压裂增透措施后，单孔瓦斯体积分数提升倍数为0.7~20.5倍，抽采纯量提升倍数为1.7~9.8倍，其中，最大单孔瓦斯体积分数和抽采纯量分别达86.48%、0.441 m3/(min·hm)。进一步分析可知，M5号钻孔压裂效果整体优于其他钻孔，分析原因为M5号钻孔顺煤层(全煤孔)施工、轨迹整体上行，孔内无积水，而M1—M4号“先入顶板后进煤层”钻孔在见煤点附近存在低洼区，抽采过程中大量压裂液在此聚集无法顺利返排，影响抽采效果。但M5号钻孔压裂施工时，封隔器在煤层中破损程度高、损坏数量多且出现了孔口渗水现象导致泵压较低，“先入顶板后进煤层”钻孔未出现封隔器破损和孔口渗水现象，因此，对于中硬煤层而言，采用“先入顶板后进煤层”布孔方式除能够得到较好封孔效果之外，还可降低压裂工具损耗，减少成本投入，经济适用性较强。

4.3 钻孔自然涌出量监测分析

跟踪了钻孔自然瓦斯涌出量数据，其中，B1、B2对比孔与压裂孔处于同一工作面，且钻孔结构参数与压裂钻孔相同。通过水力压裂施工后，M1、M2、M3号压裂孔瓦斯初始涌出强度为0.120 6~0.142 9 m3/(min·hm)，平均为0.133 5 m3/(min·hm)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.012~0.019 d–1，平均为0.016 d–1；未压裂钻孔(对比孔)B1、B2孔瓦斯初始涌出强度为0.018 5~0.067 3 m3/(min·hm)，平均为0.042 9 m3/(min·hm)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.024~0.029 d–1，平均为0.026 5 d–1，见表5。相比于普通钻孔，压裂孔瓦斯初始涌出强度提升2.1倍，钻孔瓦斯流量衰减系数降低39.6%。采取水力压裂增透措施后，钻孔瓦斯初始涌出量有所提高、而钻孔瓦斯流量衰减系数降低，煤层的可抽性增加。

表4 压裂钻孔瓦斯抽采效果对比

表5 压裂钻孔和对比孔瓦斯自然涌出特征对比

4.4 不同工艺抽采效果对比

为了对比压裂孔、未压裂钻孔(压裂区域之外)及压裂区域预抽孔3者的抽采效果情况，选取持续观测的钻孔进行效果对比分析，未压裂钻孔平均百米抽采量仅为0.069 m3/min，压裂区域本煤层预抽孔平均百米抽采量为0.118 m3/min，是未压裂钻孔的1.7倍；压裂孔平均百米抽采量为0.297 m3/min，是未压裂钻孔的4.3倍；压裂影响范围内钻孔瓦斯百米抽采量整体上是未压裂区域钻孔的2倍以上。

4.5 煤层水力压裂增透机制讨论

煤层渗透性作为瓦斯抽采技术的关键制约因素，主要受到煤储层裂隙发育情况以及地应力等条件影响。

低渗煤层由于其渗透率低、裂隙连通性差，往往造成瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快等问题。煤层水力压裂技术是从力学角度入手，采用高于地层应力或煤体破坏抵抗力的压力水冲击煤体，使煤体裂隙孔隙产生“压缩–膨胀–压缩”反复扰动，造成局部疲劳损伤，促使煤体内部裂隙弱面扩展延伸，扩开煤体原生裂隙，并不断发育新生裂隙，在煤体储层内形成相互交织贯通的裂缝网络，增加流体介质的流动通道，从而提高储层渗透性[17]。

整体水力压裂要实现煤层裂隙开启并维持其扩展、延伸，需要满足钻孔注入水量大于煤层滤失水量和钻孔注入水压大于煤层渗透水压。压裂初始阶段高压水进入煤体，进入煤层中的水则会使煤层的各级弱面面壁产生内水压力，因此，会有膨胀的产生，促使弱面继续扩展和延伸，并在煤层中相互连通，形成一个贯通网络，致使煤层产生压裂。随着钻孔注水压裂的持续，煤层周而复始地重复上述压裂过程，使得裂隙不断向煤层深部开启、扩展、延伸。这一压裂过程在钻孔压力曲线上(图3、图4)表现为压力周期性的上升、下降。通过水力压裂增透措施后，可有效扩大煤层瓦斯流通裂隙规模，提高煤层渗透性和瓦斯可抽性。

水力压裂施工完成后，水和瓦斯的排出降低了地层孔隙压力，使煤层的有效应力发生变化，煤层中有效应力的增加导致煤层中孔隙、裂隙减少，裂缝会出现闭合，因此裂缝闭合问题也是清水压裂目前存在的瓶颈之一。

5 结论

a. 利用自主研发的水力压裂成套工艺设备，开发出适用于黄陵矿区中硬低渗煤层的定向长钻孔裸眼快速坐封水力压裂瓦斯高效抽采工艺技术，完成5个钻孔整体压裂施工，累计压裂液用量1 557.5 m3，单孔最大泵注压力19 MPa。针对煤层坐封存在封隔器易破损、成本高等问题，提出了“先入顶板后进煤层”布孔和压裂方式，该方式具有封孔效果好、施工投入小、经济适用性强等特点。

b. 压裂后单孔瓦斯抽采浓度及百米抽采纯量分别提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍；相比于普通钻孔，压裂孔瓦斯初始涌出强度提升2.1倍，钻孔瓦斯流量衰减系数降低39.6%；通过对比不同抽采工艺效果发现，未压裂区域本煤层预抽孔平均百米抽采量是未压裂钻孔的1.7倍；压裂孔平均百米抽采量是未压裂钻孔的4.3倍；压裂影响范围内钻孔瓦斯百米抽采量整体是未压裂区域钻孔的2倍以上，区域大面积预抽效果显著。

c. 通过本次井下水力压裂工程试验，证实了定向长钻孔水力压裂高效抽采工艺技术在黄陵矿区的适用性。水力压裂施工增加了煤层瓦斯流通裂隙规模，提高了煤层渗透性和瓦斯可抽性，为黄陵矿区中硬低渗煤层瓦斯高效抽采提供了技术支撑。

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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

国家科技重大专项任务(2016ZX05045-002-002)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目(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，陕西长安人，高级工程师，从事煤矿工程技术与管理工作. E-mail：17135197@qq.com

张静非，1993年生，男，甘肃陇南人，硕士，从事矿井瓦斯与硫化氢灾害防治研究. E-mail：782356383@qq.com

郭超奇，赵继展，李小建，等. 中硬低渗煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术与应用[J]. 煤田地质与勘探，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.

(责任编辑 范章群)