深部矿井定向水力压裂高效抽采装备及现场试验

黄兴利

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

近年来，矿井开采活动的深度不断增加，矿井瓦斯涌出量逐年增大，致使矿井面临极大的安全生产威胁。近年来形成卸压增透强化瓦斯释排采的技术理论及实践，相同时间内可以有效释放围岩应力、增大增强瓦斯抽采体量[1]。水力致裂技术最早应用在石油工程领域，近十年来水力压裂技术也多应用于矿井顶板致裂、瓦斯卸压增透抽采[2]。其中定向水力致裂技术已成为处理硬煤硬顶、冲击地压防治、瓦斯高效抽采的重要手段[3-8]。实践表明：我国高瓦斯突出矿井进行了大量水力压裂试验并取得了一定的效果[9-10]。水力压裂抽采瓦斯的本质是通过高压水注入瓦斯集中区域，扩展周围岩体的裂隙，利用瓦斯游离特性将瓦斯排出[11-12]。

黄陵矿区为煤层瓦斯与油型气双重威胁的高瓦斯矿井，近年来出现了多次顶底板油型气异常涌出现象，最大涌出量达21万m3，涌出时间持续约1个月。这已成为影响矿井安全高效开采的头号隐蔽致灾因素，矿井瓦斯治理难度大。为此，以黄陵二号煤矿为工作背景，开展深部矿井定向钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术试验，对指导安全开采至关重要。

1 工程背景

1.1 矿井赋存条件及生产概况

黄陵二号煤矿主采延安组2号煤层，平均埋深620 m，为稳定-较稳定煤层；煤层平均倾角2°，黄陵二号煤矿绝对瓦斯涌出量为67.17～87.89 m3/min，相对瓦斯涌出量为3.90～5.47 m3/t。根据《陕西省瓦斯地质分区图》，黄陵矿区位于渭北断隆高瓦斯带内，属高瓦斯区。井田内有46个钻孔有油气显示，有天然气喷出或煤成气逸出，从瓦窑堡组、富县组、延安组到直罗组上、下段的砂岩中均有油气发现，属于煤、油气共生矿区。工作面顶底板结构及围岩特性见表1。

表1 209工作面围岩特性Table 1 Characteristics of surrounding rock in 209 working face

矿区范围内连续性较好的岩储集层共4个，分别为直罗砂岩含气层、延安组第2段含气层、富县组含气层、瓦窑堡组含气层。4个含气层也分别称之为顶部、顶板、底部含气层。目前回采209工作面，东北部、西北部为未采区，西南紧邻207采空区，东北部紧邻211工作面。工作面设计倾向长度约300 m，走向长度4 500 m，209工作面日推进8刀(7.2 m)，选用ZY10000-23/45D掩护式液压支架；沿底板进行后退式走向长壁回采，老空区顶板采用全部垮落处理。

1.2 矿井抽采现状

209工作面回采效率高、接续时间紧，导致工作面瓦斯预抽时间短、钻孔工程量大，需要采取煤层强化抽采措施，以减少钻孔施工量或缩短抽采时间，提高瓦斯抽采效率。然而，由于油型气储集层孔隙度小、渗透率低，故抽采效果不尽人意，主要存在两方面因素。一方面抽采钻孔油型气衰减快，抽采几天后，钻孔内不再有气体涌出，但在工作面回采期间受采动影响，钻孔内又有大量油型气涌出，工作面回采依然受到油型气威胁；另一方面，密集钻孔存在钻孔影响范围小、钻孔施工工程量大、成本高、钻孔利用率低、施工周期长等问题，增加了煤炭开采成本。

2 压裂施工设计及设备选型

2.1 致裂方式确定

根据209工作面地质条件及生产情况，采用“煤层+底板”定向抽采技术。2号煤层钻孔采用整体压裂方式；考虑3号煤层与2号煤层间距较小，利用分支孔形成起裂导向，2号煤层底板钻孔选择梳状长钻孔分段水力压裂方式进行。同时考虑到工作面回采期间安全问题，煤层压裂钻孔采用封隔器裸眼快速封孔工艺，封孔深度80 m；底板压裂封孔方式采用“套管+封隔器”封孔方式，套管深度60 m。为避免压裂液污染煤层，选择清水作为水力压裂液。

2.2 煤层破裂压力及压裂液用量确定

煤层破裂压力通常采用地面钻孔注入/压降试井测试方法进行直接测定。试验区煤层平均破裂压力梯度范围1.190×10-2～3.849×10-2MPa/m，压裂施工区2号煤层平均埋深620 m，计算得2号煤层破裂压力7.5～24.3 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，底板孔压裂液用量770 m3。

2.3 抽采设备确定

2.3.1 设备选型

选用中煤科工集团的BYW65/400型压裂泵组，如图1所示。水力压裂成套设备由压力泵、水箱、高压管汇、远程操作系统等组成，具有压力高、流量稳定、可远程操作、远程视频监控、设备运行稳定、运行时间长等特点，可保证施工过程中工作人员的安全。为了保证水力压裂封孔效果，采用井下水力压裂快速封孔装备。该装备能够实现快速稳定的封孔效果，提高施工效率，并且具有压裂后可取出重复利用等特点。

图1 BYW65/400型压裂泵组Fig.1 BYW65/400 fracturing pump unit

2.3.2 设备组成

包括压裂管柱、封隔器、压差滑套、单流阀和引鞋5个部分。

压裂管柱：高压管柱采用31/2加厚油管加工，外径89 mm，内径58 mm，单根长度3.0 m。

封隔器：根据钻孔孔径和压裂工艺选择封隔器，选其总长为1 620 mm，最大外径为86 mm，通径为50 mm，工作压力达70 MPa，耐温能达到120 ℃。

压差滑套：压差滑套总长为460 mm，最大外径为96 mm，通径为42 mm，工作压力达70 MPa，耐温能达到120 ℃。

单流阀：单流阀总长为269 mm，最大外径为96 mm，通径为35 mm。

引鞋：引鞋单件总长为179 mm，最大外径为105 mm，工作压力小于70 MPa。

3 水力压裂施工方案

3.1 水力压裂工程施工流程

水利压裂施工包括压裂前准备和水力压裂施工2个过程，水力压裂施工流程如图2所示。压裂前准备，包括压裂场地布置、压裂用电器设备配备、井下供水、供电、通风、压裂设备进场组装、压裂设备试车等；编制水力压裂安全技术措施；水力压裂工程施工，包括送工具串(含封隔器、滑套工具)、孔口设备安装、压裂钻孔封孔、压裂设备操作流程、压力、流量监测、巷道瓦斯浓度监测、压裂结束判识等。

图2 水力压裂施工流程示意Fig.2 Construction process of hydraulic fracturing

3.2 水力压裂位置确定

根据现场情况，水力压裂泵组平台位于209辅运巷5号与6号钻场之间，后期由于209辅运巷3号煤钻场施工，位置方位如图3所示。2020年3月23日开始压裂施工，2020年6月6日完成5个本煤层压裂孔及1个底板压裂孔施工。

图3 压裂设备位置示意Fig.3 Layout of fracturing equipment

3.3 本煤层水力压裂方案

本煤层水力压裂采用“裸眼坐封水力压裂工艺技术”，在不下入套管的前提下，设计钻探轨迹、跟踪采样，成孔后分析最佳坐封位置进行裸眼坐封，实践证明坐封效果良好。本煤层设计6个钻孔，1个为煤层孔，5个为顶板孔。根据钻孔轨迹及钻探施工情况，确定合理坐封位置见表2。

表2 本煤层孔布置方式Table 2 Borehole layout in coal seam

3.4 底板分段水力压裂方案

底板孔共设计267 m，分4段进行压裂。根据分段钻孔轨迹及钻探施工情况，如图4所示，采用“单封双卡”拖动式分段压裂技术。底板孔分段压裂设计见表3，工具串设计如图5所示。

图4 分段压裂钻孔轨迹Fig.4 Trajectory of segmented fracturing boreholes

图5 底板分段致裂工具串设计Fig.5 Drilling design of floor segmented fracturing

表3 底板孔分段压裂布置方式Table 3 Borehole layout of floor segmented fracturing

4 现场施工及效果检验

4.1 现场施工情况

在209工作面5-6联巷内钻场进行本煤层及底板压裂抽采技术，本煤层及底板压裂钻孔分别采用整体压裂和分段压裂。其中设计水力压裂煤层及底板钻孔分别为5个和1个，对应编号为M5、M6、M1、M2、M3和D1。通过连续统计，煤层压裂高压力处于7.8～19 MPa之间，压裂液总用量1 557.5 m3；底板孔最高注水压力22 MPa，压裂液用量775 m3。

4.2 抽采效果

M5压裂孔各时间段水样特征如图6所示，根据M5孔连续抽采1 h的水样可以看出，抽采出的水经历了“清水—浑浊—含杂质浑浊—清澈”4个阶段。同时检测排水过程中煤层压裂孔均出现瓦斯涌出浓度较高(大于1%)的情况，说明压裂效果良好。

图6 M5压裂孔各时间段水样特征Fig.6 Water sample characteristics of M5 fracturing borehole at each time period

通过高压将抽采区域的瓦斯吸出，抽采出水样颜色达到透明时逐渐降低抽采压力，分别连续抽采1 h后，孔内压力经历了“压力骤降—压力缓慢下降—压力平稳”3个阶段。以M2号压裂孔为例，M2瞬时停泵压力8.4 MPa，65 min后降为5.8 MPa，截至下一工作日16：00，压力降低至1.2 MPa，此后一直稳定在1.2 MPa。通过探测可知，顶底板、煤层瓦斯含量分别减少了 40%、68%，采空区瓦斯体积分数降低了41%，表明施工效果达到了预期。

5 结语

通过对二号煤矿地质条件的观察及生产经验，发现209工作面共有4个完整的储气岩层。提出并试验“煤层+底板”定向抽采技术，煤层采用整体压裂方式，底板采用分段水力压裂方式，并最终确定出具体压裂参数。通过在井下现场试验，各孔连续抽采1 h内水样经历了4种变化特征，样水清澈后调整钻孔相适应的压力，保证抽采的连续性。通过对不同区域的瓦斯监测，瓦斯浓度平均降低了50%，达到了预期效果。该方法在矿井内具有推广价值，有助于保证矿井的安全生产。