煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

贾秉义，陈冬冬，吴 杰，孙四清，王建利，赵继展，张 杰

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400)

随着矿井开采规模的逐渐加大和机械化、智能化程度的不断提高，瓦斯治理对矿井采掘接续的影响日益凸显，区域瓦斯超前治理势在必行[1-2]。我国大部分矿区地质条件复杂，煤层碎软，瓦斯含量高，瓦斯压力大，本煤层钻孔施工困难[3-4]。常规的保护层开采、底板穿层钻孔、本煤层钻孔瓦斯抽采，技术适用性较差、施工成本高、钻孔工程量大、瓦斯抽采时间长、抽采效果较差[5-6]。定向长钻孔以其钻孔轨迹精确可控、施工能力强、效率高、覆盖范围广等优点，在矿井瓦斯防治，地质构造探查，矿井水害防治等方面已广泛应用[7-9]。受限于煤层条件，并非所有矿井都具备本煤层定向长钻孔施工条件，因此，顶板梳状长钻孔预抽煤巷条带瓦斯成为新的选择。但是顶板梳状长钻孔煤层暴露面积有限，若不采取强化增透措施，扩大煤层暴露面积，单纯依靠顶板梳状长钻孔进行区域瓦斯抽采，效果有限。水力压裂技术是目前广泛应用的针对低渗储层增产改造的技术措施，将顶板梳状长钻孔和水力压裂技术相结合，可以增加煤层的暴露面积，缩短瓦斯向钻孔空间运移的距离，有效提高顶板梳状长钻孔瓦斯抽采效果。张群等[10]提出了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式，并在淮北矿区成功应用，取得了很好的应用效果。笔者曾在韩城矿区王峰煤矿进行了顶板梳状孔整体压裂现场试验，压裂后钻孔日均抽采瓦斯纯量17.02 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采纯量为5.99 m3/min，抽采效果良好[11]。初步说明了在煤层顶板施工钻孔并进行水力压裂增透的可行性。受限于设备能力和煤矿井下作业环境和作业条件，目前煤矿井下水力压裂技术主要应用于底板穿层钻孔[12-13]、本煤层顺层长钻孔[14-15]，底板穿层长钻孔[16-17]等工程试验中。付江伟等[18]对煤矿井下顶板钻孔水力压裂增透机理进行了探讨，但并未进行现场应用。张群等[10]、许耀波等[19]主要针对地面煤层气顶板水平井分段压裂技术进行了研究，有关煤矿井下顶板长钻孔分段水力压裂增透瓦斯强化抽采相关应用情况鲜见报道。

为此，在前人研究成果的基础上，为了进一步探索瓦斯高效预抽技术的适用性，在韩城矿区桑树坪二号井开展煤矿井下顶板梳状长钻孔分段水力压裂瓦斯强化抽采试验，为区域瓦斯高效抽采提供借鉴。

1 技术原理

瓦斯主要以吸附态和游离态赋存于煤储层孔裂隙中，且二者处于动态平衡。因此，如何打破瓦斯赋存的平衡状态，实现瓦斯持续解吸并快速向钻孔空间流动是瓦斯抽采的关键。顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术主要通过封隔器、单流阀、投球滑套、低密度球等工具在钻孔主孔裸眼内座封将钻孔分成若干段，然后通过大排量、高压水动力使2个封隔器之间的煤层顶板岩层发生起裂，促使裂缝扩展、延伸等行为。由于顶板岩层和煤层之间的抗拉强度、弹性模量差异较大，随着水力压裂的持续进行，顶板岩层中形成的人工裂缝向煤层中延伸，并与天然裂缝以及煤岩结合部的弱面有效贯通，形成以分支孔为一级通道，裂缝系统为二级通道的多级渗流网络通道，缩短瓦斯运移距离，提高瓦斯抽采效果。此外，形成的裂缝系统加大了煤层的暴露面积，缩短了瓦斯在煤层内的运移距离，煤层瓦斯以最短距离运移至顶板缝隙所形成的“渗流通道”上，在负压和浓度差的双重作用下，经钻孔被快速抽出。随着扩散的持续进行，下部煤层与上部煤层之间的瓦斯浓度差逐渐加大，下部煤层中的瓦斯也开始解吸，向上部运移，随着煤基质表面瓦斯不断解吸，煤基质收缩，煤层中裂缝系统进一步延伸，瓦斯运移难度进一步降低[18-22]。煤层顶板梳状长钻孔分段水力压裂瓦斯强化抽采技术原理如图1所示。

2 试验区概况与试验方案

2.1 矿井概况

桑树坪二号井位于鄂尔多斯盆地东缘韩城矿区东北部，矿井采用斜井开拓。井田含煤地层为石炭系上统-二叠系下统太原组及二叠系下统山西组，共含煤3层，其中可采煤层2层(表1)。矿井主采二叠系山西组3号煤层，煤层平均厚度为5.97 m，3号煤层与下部的11号煤层平均间距为53.59 m。

图1 顶板梳状长钻孔水力压裂瓦斯强化抽采原理Fig.1 Schematic diagram of enhanced gas drainage by hydraulic fracturing with comb-shaped long hole in roof

表1 韩城桑树坪煤矿主要可采煤层Table 1 Main mineable coal seams in Sangshuping mine，Hancheng coal mine

试验地点位于矿井北部北胶带大巷3309工作面1号回风巷道开口处(图2)，试验区为一单斜构造，地层倾角3°～9°，平均6°，地质构造简单。3号煤层伪顶为泥岩，厚度为0.05～0.20 m。直接顶为灰黑色粉砂岩，厚度为1.5～1.8 m，较致密坚硬。基本顶为中、细粒砂岩，厚度为3.0～8.0 m，较致密坚硬。试验区域3号煤层为突出煤层，煤层空气干燥基甲烷含量均值为6.75～7.90 m3/t、平均7.18 m3/t，实测煤层最大瓦斯压力0.94 MPa，最大瓦斯放散初速度Δp为11，坚固性系数f值最小为0.20，煤的破坏类型为Ⅳ类。3号煤层含有软分层，煤层透气性差，本煤层钻孔施工困难。矿井主要采用本煤层顺层密集钻孔进行瓦斯抽采，存在钻孔施工深度浅，瓦斯抽采效果差，无法实现大面积区域超前预抽等问题。

2.2 试验方案

为了保证钻孔孔壁完整，避免出现塌孔、缩颈等孔内事故，顶板梳状长钻孔主孔应布置在砂岩层中，同时主孔与煤层距离不宜太大。通过分析试验区地质条件及3号煤层顶板岩性，本次试验钻孔主孔布置在距3号煤层约2.8 m的砂岩层中，由主孔向下施工分支孔进入煤层。由于试验区巷道沿煤层顶板掘进，故钻孔开孔点位于3号煤层，开孔点距煤层顶板1 m，受现场条件限制，同时为了施工安全便捷，设计开孔角度12°，方位角0°。钻孔采用二开结构，一开回转钻进，孔径ø146 mm，钻进至目标岩层后停钻，下入外径ø127 mm无缝钢套管护孔，水泥浆带压封孔。二开定向钻进，采用前进式分支孔工艺。

图2 压裂钻孔实钻轨迹Fig.2 Actual drilling trajectory

为了使压裂区域裂缝分布更加均匀，同时避免压裂后直接卸压导致的塌孔、煤粉返出等影响水力压裂施工效果，本次试验采用不动管柱分段水力压裂工艺，分4段进行压裂试验，压裂顺序为由孔底到孔口，第一段压裂完成后进行第二段压裂，同时第一段处于保压状态，以此类推，直至完成全部4段的水力压裂施工。水力压裂工具串主要包括封隔器、投球滑套、压差滑套、投球器及低密度球等。为避免压裂液对煤储层造成伤害，本次选择清水压裂液。试验区煤层埋藏深度约332 m，煤层破裂压力梯度为2.23 MPa/hm，计算的地层破裂压力7.41 MPa。结合试验区煤层厚度，钻孔覆盖范围及预估水力压裂影响范围初步设计钻孔累计注水量约1 780 m3。

3 试验结果分析

3.1 钻探及水力压裂施工

施工钻孔一开孔深63 m，下入无缝钢套管60 m。钻孔主孔长度588 m，包含8个分支孔，总进尺1 188 m，其中煤层段进尺227 m，岩层段进尺961 m，累计钻进时间37 d。钻孔主孔钻遇岩层为中、细粒砂岩，主孔与煤层顶部距离为0～3.28 m，分支孔钻遇地层岩性主要为粉砂岩、粉砂质泥岩及其互层。钻孔平面覆盖范围约12.5 m。钻孔施工轨迹如图2所示，钻探及水力压裂施工情况见表2。

表2 钻探及水力压裂施工数据Table 2 Drilling and hydraulic fracturing data

运用BYW65/400型煤矿井下压裂泵组对钻孔进行注水压裂，累计压裂液用量2 012 m3、最大泵注压力8.74 MPa，累计压裂用时55 h 33 min。水力压裂施工结束后，进行钻孔保压，钻孔保压5 d后，孔口压力恢复至2.1 MPa，之后压力恢复缓慢，进行人工排水卸压，累计排水约6 h，排出水量约22.5 m3。

3.2 试验效果分析

3.2.1 水力压裂影响半径

为了验证顶板梳状长钻孔分段水力压裂施工效果，确定水力压裂影响半径，运用全水分分析和孔内瞬变电磁剖面探测2种方式进行了水力压裂影响半径探测。

①煤样全水分分析 水力压裂施工后压裂影响范围内煤层的含水率要高于原始煤层含水率，据此可确定水力压裂的影响范围[23]。本次全水分分析煤样取样是在压裂钻孔两侧施工本煤层顺层钻孔，钻孔最大深度130 m，采用平行钻孔布置方式，钻孔间距10 m。共设计8个取样钻孔，累计取样13组。其中Y12号和Y13号样品为原始煤样，其余样品为压裂钻孔附近煤样。取样钻孔开孔方位角均为0°，倾角均为3°。取样点布置及全水分测试结果见表3。

表3 压裂影响半径考察取样点分布及测试结果Table 3 Distribution of sampling points and test results for investigation of fracturing influence radius

测试结果显示，原始煤样(Y12号和Y13号)样品全水分分别为1.0%和0.8%，取原始煤样全水分含量平均值0.9%，高于该值则说明取样点在压裂影响范围内，反之则取样点不在压裂影响范围内。由于定向钻孔开分支孔需向左右两侧偏移，因此，实际取样点距压裂钻孔距离与设计值存在偏差，通过在平面图上测量取样点与压裂钻孔的平面距离，确定该点与钻孔的实际距离。结合全水分测试结果和取样点与压裂钻孔的平面距离，确定水力压裂影响半径为钻孔右侧39.63 m(8号样)，钻孔左侧20.27 m(9号样)，综合确定本次水力压裂影响范围最大为39.63 m。

②孔内瞬变电磁剖面探测 瞬变电磁对低电阻率介质反应敏感，通常情况下当地层内无富水区、导水裂缝或构造时，地层视电阻率有序变化，断面图上视电阻率等值线变化稳定。当存在富水区、导水裂缝或者构造时视电阻率值降低，断面图上视电阻率等值线分布表现为扭曲、变形或呈密集条带等形状。孔内瞬变电磁剖面探测技术的原理即是通过探测水力压裂前后钻孔径向范围内地层视电阻率的变化来分析地层富水性或者导水性的变化，进而确定水力压裂的影响半径[24-25]。

本次在水力压裂施工前后均进行了孔内瞬变电磁剖面探测，受限于探测设备，本次探测最大深度为距孔口120 m，由于孔口段有60 m无缝钢套管，故本次有效探测范围为压裂钻孔距孔口60～120 m。探测结果显示，水力压裂施工前地层视电阻率平均108.72 Ω·m，施工后地层视电阻率平均103.56 Ω·m，压裂后地层视电阻率较压裂前明显降低，说明在水力压裂作用下地层富水性增加或者存在导水通道，探测区域在水力压裂影响范围内。

通过水平分量分解，分析裂隙与钻孔的方位关系，结果显示，本次水力压裂形成的主裂缝最大延伸范围达30 m，延伸方向均为钻孔下方。

此外，桑树坪二号井3号煤层顶板岩层抗拉强度4.0～6.6 MPa，弹性模量13.7～19 GPa，3号煤层抗拉强度0.3 MPa，弹性模量4.9 GPa[26]，文献[22]表明，在煤岩层抗拉强度和弹性模量相差较大的情况下，水力压裂裂缝更容易实现穿层扩展。进一步验证了本次水力压裂形成的裂缝主要位于钻孔下方并向煤层延伸。

3.2.2 抽采效果分析

①压裂钻孔瓦斯抽采 顶板梳状长钻孔分段水力压裂施工结束后，将压裂钻孔连接至瓦斯抽采系统中，收集压裂钻孔抽采93 d内的瓦斯数据，瓦斯抽采纯量和瓦斯含量变化曲线如图3所示。由图中可知，压裂钻孔瓦斯抽采量曲线变化情况总体可分为3个阶段，排水阶段、抽采量增长阶段和抽采量稳定阶段。

图3 压裂钻孔瓦斯抽采曲线Fig.3 Gas extraction curve of fracturing borehole

抽采初期由于钻孔内出水量较大，钻孔瓦斯抽采量较小，属于排水阶段，持续时间约43 d，该阶段钻孔瓦斯抽采纯量0.33～1.02 m3/min，平均0.60 m3/min，抽采瓦斯体积分数为19.6%～54.0%，平均31.7%。随着抽采时间的增加及钻孔出水量的减少，钻孔瓦斯抽采量开始增长，进入瓦斯抽采量增长阶段，该阶段持续时间约30 d，该阶段钻孔瓦斯抽采纯量0.84～1.93 m3/min，平均1.41 m3/min，瓦斯体积分数为31.0%～56.0%，平均47.7%。累计抽采约73 d后，钻孔瓦斯抽采量趋于稳定，进入抽采量稳定阶段。该阶段抽采纯量0.80～1.60 m3/min，平均1.18 m3/min，瓦斯体积分数40.0%～52.0%，平均43.5%。

②不同技术抽采效果对比 压裂钻孔累计进尺1 188 m，其中煤层段进尺227 m，岩层段进尺961 m，孔口下入60 m套管，因此，钻孔有效抽采进尺为1 128 m。根据钻孔瓦斯抽采数据，计算的抽采93 d内百米钻孔瓦斯抽采纯量0.096 m3/min。现场试验过程中收集了试验区附近本煤层顺层钻孔及超高压水力割缝钻孔瓦斯抽采情况。收集了邻近的3307工作面二号回风巷道本煤层顺层钻孔200个，单孔深度180 m，日均抽采瓦斯混合流量37.26 m3/min，抽采瓦斯体积分数23.28%，换算成百米钻孔瓦斯抽采纯量为0.024 m3/min。邻近的3306工作面共进行了5个钻孔的超高压水力割缝，单孔深度80 m，5个钻孔累计平均抽采瓦斯纯量0.32 m3/min，换算成百米钻孔瓦斯抽采纯量为0.08 m3/min。由此可见，顶板梳状长钻孔水力压裂后钻孔百米钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍，是本煤层顺层钻孔的4.0倍(图4)。

图4 不同工艺技术抽采效果对比Fig.4 Comparison of extraction effect of different technology

4 结论

a.将煤矿井下定向钻进技术和分段水力压裂技术相结合，开发出适用于碎软低渗煤层的顶板梳状长钻孔不动管柱分段水力压裂技术。在韩城桑树坪矿井实现了梳状长钻孔主孔588 m，包含8个分支孔，钻孔累计进尺1 188 m，分4段进行水力压裂，累计注水2 012 m3，最大泵注压力8.74 MPa的技术突破，为碎软低渗煤层区域瓦斯高效预抽提供了技术支撑。

b.在韩城桑树坪矿井试验表明，顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可以显著增加钻孔影响范围。煤样全水分分析和孔内瞬变电磁剖面探测结果显示，本次水力压裂影响半径大于30 m。理论分析和现场实测结果均显示水力压裂形成的裂缝主要位于钻孔下方，且向煤层延伸。

c.由分支孔和压裂形成的裂缝组成的二级网络系统可以有效缩短瓦斯运移距离，提高瓦斯抽采效果。压裂钻孔稳定抽采阶段抽采纯量平均1.18 m3/min，抽采瓦斯体积分数平均43.5%。将水力压裂钻孔抽采量和本煤层顺层钻孔、超高压水力割缝钻孔瓦斯抽采量分别进行对比，顶板梳状长钻孔百米钻孔瓦斯抽采纯量是前者的4.0倍，是后者的1.2倍。

d.受限于现场作业条件，本次只进行了一个钻孔的试验，试验样本数量较少。试验过程中监测手段、压裂影响半径、施工效果考察等手段和装备相对缺乏，导致试验效果考察不够深入全面。本次试验虽初步说明了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术能够实现碎软低渗煤层区域瓦斯高效预抽，但是相关机理及参数仍需进一步的深入研究。