特厚煤层地面L 型水平井分段压裂技术应用研究

2023-08-04赵华全窦桂东贾增林高永刚

煤矿安全 2023年7期

门鸿，赵华全，窦桂东，贾增林，高永刚，严斌，谢非，武亮

（1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西彬州 713500；2.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西咸阳 712000；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013）

冲击地压灾害目前是制约煤矿安全生产的主要灾害之一。近年来，在冲击地压灾害治理措施上，有大孔径卸压、煤层爆破卸压、顶板爆破预裂以及井下超长钻孔水力压裂等技术，但都只局限于对煤层或煤层上方中低位顶板局部或小区域进行预卸压，目前，煤层上方强度大、破断步距大、影响范围广以及力学行为复杂的高位大面积坚硬顶板是引发大面积顶板冲击的主要因素之一。

针对特厚冲击地压煤层开采，谢和平等[1]揭示了围岩巷道围岩采动应力环境及采动力学特征，形成了卸压开采、加强支护、预裂弱化为一体的防治技术手段；潘俊锋等[2-3]提出了“人造解放层”防冲理论，为地面水平井分段压裂奠定了理论基础，以提供冲击启动力源的硬厚顶板为靶点，开展千米顺层钻孔区域压裂的区域防冲技术，围绕坚硬顶板预裂弱化方面，代表性的有水力压裂、钻孔爆破等技术，目前在彬长矿区得到广泛应用并取得了良好的实践效果。近年来，针对特厚煤层开采过程中矿压显现特征及顶板破断形态[4-7]，以及大巷群[8]面临的冲击问题，专家学者通过理论分析、数值模拟及现场监测相结合进行了深入研究分析；同时，针对陕北矿区浅埋煤层开采期间及大同矿区[4，9-11]坚硬难垮落顶板采取深孔松动爆破及井下顶板水力压裂进行了研究分析，部分研究成果确定了关键层位的破断及垮落规律；对井下长钻孔水力压裂后岩层的裂缝发育效果[12]、巷道上覆岩层顶板预卸压[13]、非稳定激励产生的动力效应[14]以及数值模拟压裂后的效果[15-16]等均进行了研究，结果表明，采用井下长钻孔压裂，对回采工作面的周期来压步距以及岩层弱化程度[17]均有一定的作用，但只仅限于局部或小区域范围；针对地面压裂技术的发展和研究，国内外石油、天然气开发领域学者们也进行了大量的研究[18-21]，给出了地应力环境条件下的水力压裂扩展规律，并且采用多种监测手段进行了实时监测研究。

1 地面水平井分段压裂技术

1.1 研究背景

彬长矿区矿井开采主要为深部开采，在开采过程中主要受高位厚硬覆岩影响，容易形成大面积悬顶，当悬顶面积达到极限时，高位厚硬岩体发生断裂，随之岩体内弹性能大量释放，引发强冲击矿压及震动，随之造成岩体动力灾害。

在众多冲击地压灾害防治探索中，采用大孔径卸压、煤体爆破卸压、顶板岩层爆破预裂等措施，虽然已取得了良好的防治效果，但高位大面积厚硬岩体仍然是工作面回采过程中成为发生高动载力源隐患。因此，将煤层上方高位顶板进行区域大面积顶板弱化改性是防止工作面回采期间发生冲击的有效途径。

1.2 地面L 型水平井分段压裂思路

特厚煤层开采后覆岩运移范围广，不同层位坚硬岩层破断规律、结构特征及其矿压作用强度随之不同。近场主要呈现为“悬臂梁+砌体梁”结构特征，造成工作面大小周期来压。而远场主要分布在基本顶范围以上的坚硬岩层，破断形态布局大，影响范围广，易造成工作面强矿压及冲击动力显现，造成巷道变形等现象。

地面水平井分段压裂技术是煤层气开发过程中普遍使用的一种增产技术，其作用机理是将压裂液通过液压泵泵入储层，使得在目标层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的人工增透裂缝，通过地面对高位坚硬顶板实施压裂改性，降低岩层的整体性及其破断强度，达到控制强矿压的目的，进而降低工作面回采过程中的冲击风险。

2 岩层破断机理

煤层顶板地面水平井压裂主要受煤层顶板破断及采动应力场影响，因此煤层地面分段压裂有其特殊性，顶板压裂层位、井口布置、压裂参数及裂缝扩展监控等均对压裂效果产生直接影响。

地面水平井分段压裂裂缝形态可分为3 种[22]：①水压裂缝降低岩层的有效厚度，将完整岩层分为2 层或若干层；②水压裂缝在厚硬岩层内形成垂直裂缝面或在某一集中区域自上而下形成水平裂缝面将岩层划分为2 段；③地面压裂后形成若干垂直裂缝面，将厚硬岩层沿水平方向（平行工作面推进方向）分为若干段。地面压裂后上覆厚硬岩层不同赋存状态如图1。

图1 地面压裂后上覆厚硬岩层不同赋存状态示意图Fig.1 Schematic diagram of different occurrence states of thick and hard overlying strata after surface fracturing

2.1 水平裂缝对顶板破断弱化的影响

假设远场坚硬岩层长度为l[23]。根据材料力学基本岩梁模型，可简化为两端固支梁模型，顶板任意一点正应力σ 为：

式中：M为该点断面弯矩；y 为点距断面中性轴的距离；h 为岩层高度。

拉应力达到岩层极限抗拉强度στ，岩层将发生拉伸破断，得到坚硬岩层的极限跨距lmax：

式中：q0为坚硬顶板承受的单位面积载荷，包括岩层质量。

假设岩层发生整体平滑，将裂缝面分为上下2部分，分别为h1和h2，此时上下岩层是否发生同步运动。煤层上覆坚硬顶板水平裂缝面压裂后赋存状态如图2。

图2 煤层上覆坚硬顶板水平裂缝面Fig.2 Horizontal crack surface of hard roof overlying coal seam

假设下位岩层h1发生破断运动，则其不受载荷上覆岩层载荷影响，所承受的载荷仅为自重应力，顶板受下层位岩层的夹持作用力（q1）1为：

式中：ρ 为岩层密度。

则下位岩层破断步距l11和上位岩层破断步距l12分别为：

式中：E 为顶板弹性模量。

因h1满足0＜h1＜h/2，则有ρgh2/h1＞2ρgh，此时l11＜lmax一直成立，即分层后下分层的破断步距l11小于岩层整体的破断步距lmax。

2.2 垂直裂缝面赋存对顶板破断的影响

当岩层发生垂直裂缝时，则岩体顶板整体分为2 块，分别为A、B，长度l1和l2，岩层垂直分为截面1～3，煤层上覆坚硬顶板垂直裂缝面如图3。

图3 煤层上覆坚硬顶板垂直裂缝面Fig.3 Vertical crack surface of hard roof overlying coal seam

当岩层中存在垂直裂缝面分布时，此时岩层不再处于两端固支梁受力状态，两侧块体A、B 可认为类似铰接结构。以块体A 为例分析，块体A 受自身及上覆岩层作用，受到垂向力QA，端部支撑力RA，受到块体B 对A 的水平推力T，以及回转过程中裂缝面上的摩擦力FA，若A 处于平衡状态，块体A 受力分析如图4。

图4 块体A 受力分析Fig.4 Force analysis of block A

水力压裂后，岩层破断所表现出各向异性的破断规律，在岩石内部会形成不规则的横向或者竖向裂缝，水压裂缝在集中力作用下易在裂缝面周围产生应力集中，进一步造成裂缝面周围岩体的破坏损伤，减弱块体A 和块体B 之间的水平作用力，此时裂缝面两侧块体在垂向力作用下更易于发生破断回转，造成A 和块体B 在两侧固支端发生破断，引起岩层的失稳。因此在垂直水压裂缝面赋存条件下，岩层更易沿着裂缝面处发生回转，若裂缝面位置在岩层初次破断步距范围内，则此时岩层的破断步距、破断失稳强度都将减弱，有利于降低岩层破断失稳的矿压作用强度。

3工程设计

3.1 地面压裂层位选取

在选取目标层位时，应考虑岩层破断释放能量最大，矿压作用最强烈的厚硬岩层，以小庄矿40302工作面为背景开展实测。

小庄矿40302 工作面主采4 煤层，位于三盘区东翼，工作面设计可采长度1 544.3 m，倾向长度196 m，平均可采厚度25.5 m，煤层倾角1°～6°；工作面上覆多层坚硬岩层，以含粗砂岩为主，厚度21.2～33.5 m，平均约28.5 m（含上部砂岩），距离煤层顶板50～70 m，平均60 m，是造成工作面强矿压显现的主要因素，该岩层定位为压裂目标层。40302 工作面煤岩层力学性质参数（XZ1903 钻孔）见表1，40302 工作面煤岩层取样参数不代表煤岩层的实际厚度。

表1 40302 工作面煤岩层力学性质参数（XZ1903 钻孔）Table 1 Mechanical property parameters of coal strata at 40302 working face（Borehole XZ1903）

3.2 施工设计

3.2.1 压裂质量控制

对BFMF-1 一体化高效稠化剂进行取样，外观半透明色液体、分散均匀，无分层，提取现场水样，观察水样澄清透明，无杂质，无沉淀物，pH 为7.6；采用0.15%～0.30% BFMF-1 一体化高效稠化剂+现场压裂用水进行配比。不同浓度BFMF-1 一体化高效压裂液体系黏度测试见表2。

表2 不同浓度BFMF-1 一体化高效压裂液体系黏度测试结果Table 2 Viscosity test results of BFMF-1 integrated high efficiency fracturing fluid system with different concentrations

40302 工作面XZ-01L、XZ-02L 井设计分别使用一体化高效压裂液20 676、18 000 m3，考虑到备用量，压裂施工共准备22 000、19 000 m3。暂堵剂准备量分别为6 800、6 600 kg。

3.2.2 井位设计及钻井工艺

40302 工作面上覆目标岩层随回采及时垮落，充分考虑井场布置的地形条件、顶板硬厚岩层展布形态、水平井水力压裂裂缝扩展范围、已形成巷道的安全等因素，设计在40302 工作面部署水平井2口，XZ-01L 和XZ-02L 水平井，井口在工作面对应中间位置部署，分别向切眼和终采线施工。XZ-01L水平井水平段北距离工作面回风巷150 m，南距离运输巷45 m，末端为终采线，着陆点西距离终采线800 m；XZ-02L 水平井水平段北距离工作面回风巷140 m，南距离运输巷55 m，末端为切眼，着陆点东距离切眼750 m。2 口井位置分布图如图5。

图5 水平井井位部署位置示意图Fig.5 Deployment position diagram of horizontal well

钻孔采用三开结构，一开φ444.5 mm 孔径，下J55φ339.7 mm×10.92 mm 表层套管；二开φ331.1 mm 孔径，下J55φ244.5 mm×8.94 mm 技术套管；三开φ215.9 mm 孔径，下P110φ139.7 mm×7.72 mm 技术套管。

3.2.3 压裂工艺

XZ-01L 井压裂段数17 段，XZ-02L 井压裂段数15 段，为实现大排量体积压裂及复杂缝网的压裂目标，选用电缆泵送桥塞射孔联作压裂工艺技术，压裂段间距50 m，2 簇射孔，簇间距15～20 m，每簇1 m，10 孔/m 的射孔，压裂液排量10～12 m3/min，压力约为20～30 MPa，液量1 300～1 500 m3，暂堵压裂采用高黏活性胶+暂堵压裂工艺或高黏活性胶+交联冻胶+暂堵压裂工艺；采用100 目（150 μm）粉砂和40/70 目（380/212 μm）石英砂比列控制在3∶1～2∶1之间，控制在35～40 m3。

3.2.4 井-地微震联合监测

地面压裂裂缝的扩展主要采用井-地微震联合监测的方法，其工作原理主要利用压裂时产生的微地震，采用监测系统对地震波进行实时捕捉，根据地震波速度结构、破裂定位与破裂能量分布情况，进行数据处理形成微地震三维影像；采用检波器进行监测，其定位必须用高精度GPS 准确定位（GPS 精度≤1.0 m），地面检波器的埋置深度≥10 cm，围绕压裂井压裂段垂直放置，井下采用ARAMISM/E 微震监测系统及ARES-5/E 地音监测系统对上覆岩层破断进行实时监测。

4 工程实践

压裂井的整体结构为三开井身结构。

XZ-01L：一开井深260 m，且进入洛河组稳定基岩不少于10 m，下J55 φ339.7 mm×10.92 mm 表层套管；二开井深865 m，目标层安定组底部含砾中粗砂岩和细砂岩复合顶板，下J55 φ244.5 mm×8.94 mm 套管；三开井深1 665 m，下P110 φ139.7 mm×7.72 mm 套管完钻。XZ-02L：一开井深300 m，且进入洛河组稳定基岩不少于10 m，下J55 φ339.7 mm×10.92 mm 表层套管；二开井深865 m，目标层安定组底部含砾中粗砂岩和细砂岩复合顶板，下J55 φ244.5 mm×8.94 mm 套管；三开井深1 615 m，下P110 φ139.7 mm×7.72 mm 套管完钻。

首先在压裂目标层区域进行射孔，在压裂井四壁形成多个小孔，使压裂液能够通过小孔进行扩展，实现压裂。适当的裂缝间距可以达到最佳的释放地层应力和避免缝间应力干扰，XZ-01L 井、XZ-02L 井水平井分段优选为50 m/段，分别为16 段和17 段。施工排量10～12 m3/min，每段施工支撑剂用量：不低于35 m3，每簇不低于17.5 m3；其中100 目（150 μm）粉砂约占60%～75%；40/70 目（380/212 μm）石英砂约占25%～40%，每段施工压裂液用量：低伤害高黏活性胶1 300～1 500 m3。

5 效果评价

5.1 微地震监测对压裂效果评价

通过微地震监测分析，2 口井压裂裂缝实际切割形态达到设计要求的95.5%、98.5%，缝带长符合率达到97.4%、98.4%；缝带高符合率达到84.2%、90.2%，缝带宽符合率达到100%。井外包络体（MSRV）压裂井各段HDS-SRV 统计见表3。

表3 压裂井口各段M-SRV 和HDS-SRV 统计表Table 3 Statistical table of M-SRV and HDS-SRV for each stage of the fractured wellhead

事件点的外包络体（M-SRV）体积大小分别为0.32×108、0.31×108m3，井筒上方20 m、下方20 m 内整体压裂改造的效果较好。统计其（HDS-SRV）体积分别为0.25×108、0.23×108m3；M-SRV 平均值分别为253×104、211×104m3，HDS-SRV 平均值为190×104、144×104m3。根据微地震事件的震源机制反演结果，得到每个微地震事件破裂的类型、微裂缝的倾角及方位，得到DFN-SRV 体积分别为2.2×107、1.7×107m3。

5.2 缝网复杂度评价

分别把单段的震源机制解所描述的破裂方位相近、相邻的微裂缝连在一起，孤立的微裂缝被排除掉，建立单段的微地震破裂有效微裂缝网络。根据描述的缝网形态分类分为2 类，Ⅰ类的特征是主缝为主，Ⅱ类的特征是主缝+次生缝，在此基础上根据连通缝网所占整个压裂波及范围的比例把缝网复杂度分为3 个等级：缝网复杂度高（复杂），缝网占波及范围的比达到85%；缝网复杂度一般（较复杂），缝网占波及范围的比达到60%；缝网复杂度低（缝网简单），缝网占波及范围的比小于60%。XZ-01L缝网复杂度高（复杂）共17 段，占比100%，总体改造效果较好。XZ-02L 其中缝网复杂度一般（较复杂）共2 段，占比13%，缝网复杂度高（复杂）共13段，占比87%，总体改造效果较好。

5.3 暂堵效果分析

缝内暂堵转向有利于增加裂缝复杂程度，增加改造有效性，现场开展了缝网延伸和暂堵效果的实时监测工作，并及时与压裂指挥沟通，对现场施工监测和工艺评价起到了一定的指导作用。XZ-01L井一共暂堵了17 段，XZ-02L 井一共暂堵了15 段，暂堵后事件个数有一定的增加，同时暂堵后的裂缝长度、宽度、高度均有所增长，响应暂堵效果较为明显，提高改造的范围及复杂度。2 口井暂堵前后事件分布如图6。

图6 XZ-01L、XZ-02L 井暂堵前后事件分布俯视图Fig.6 Top view of events distribution before and after temporary plugging of wells XZ-01L and XZ-02L

暂堵前微震事件分布达到约110 m。第1 次暂堵后，裂缝扩展微震事件可达到约210 m；第2 次暂堵后，裂缝扩展微震事件可达到约390 m；第3 次暂堵后，裂缝扩展微震事件和第2 次暂堵基本保持一致，因此，3 次暂堵可达到裂缝扩展最佳效果。

5.4 井下微震-地音监测分析

5.4.1 微震监测分析

XZ-01L 井压裂期间井下微震系统累积监测事件41 起，总能量7.86×104J。其中1 次方微震事件0起，2 次方微震事件14 起，3 次方微震事件27 起，无4 次方及以上事件。压裂期间，大部分压裂段的微震事件沿最大水平应力方向扩展，压裂前中期微震响应较差，压裂中后期，压裂位置逐步接近DF5断层，微震活动性大幅提升。整体上来看，大部分微震事件分布在40302 工作面运输巷一侧，断层、地应力会对压裂效果产生影响。压裂期间微震事件分布较少且具有滞后性，整体上看压裂初期井下微震监测均无微震事件的发生，微震事件主要发生在添加暂堵之后。

XZ-02L 井压裂期间井下微震系统累积监测事件20 起，总能量9.07×104J。其中1 次方微震事件0起，2 次方微震事件6 起，3 次方微震事件14 起，无4 次方及以上事件。压裂期间，大部分压裂段的微震事件沿最大水平应力方向扩展，压裂前期微震事件沿40302 运输巷附近分布较多，压裂后期，微震事件开始随着压裂里程的推进沿40302 回风巷分布较多。地应力、采空区、断层、以及褶曲会对压裂效果产生影响。

压裂后微震监测影响范围如图7。

XZ-01L、XZ-02L 井压裂期间井下监测的微震事件分布区域远广于压裂设计区，压裂期间微震事件在东西方向的分布范围为857、790 m，南北方向分布范围为380、390 m，微震事件的高程主要分布在375～450、390～410 m，压裂过程对井下围岩的宏观破裂具有明显的诱发作用。

5.4.2 地音监测分析

统计参与压裂的4 个地音探头D4、D12、D13、D14 所接收到的数据，XZ-01L、XZ-02L 井压裂期间井下地音系统累计监测事件分别为273 746、680起，总能量约为1.35×108、544 593 J，整体的压裂中，压裂前期的地音探头响应较弱，压裂中后期靠近DF5断层时，地音活动性大幅提升，地音的能量和频次一致性较强；整体上运输巷的能量响应会比回风巷的要激烈，且运输巷的地音频次会比回风巷的要高；在压裂前期，运输巷的地音能量远高于回风巷的地音能量，而同时在前期微震事件较多处于回风巷一侧，与地音的监测结果一致。

6 压裂后效果分析

6.1 微震监测分析

选取未施工地面水平井压裂工程的40205 工作面和40302 工作面通过微震监测数据对比分析，任选2 个工作面1 个月的微震监测数据进行统计对比分析，微震监测数据统计表见表4。

表4 微震监测数据统计表Table 4 Statistical table of micro-seismic monitoring data

地面水平井分段压裂工程未施工和施工后的工作面进行对比分析，结果显示：未压裂工作面当月最大微震能量达到9.9×103J，压裂后工作面当月最大微震能量为4.8×103J，降低51.5%；总频次工作面未压裂时当月达到9 742 个，通过地面压裂后减少至570 个，微震总频次降低94.1%，总能量降低94.6%；同时，2 次方微震事件和3 次方微震事件均有所降低，降低均达到90%以上。

6.2 现场压裂效果

工作面压裂期间，顶板上覆岩层裂隙导通，两巷道出现淋水，主要从煤壁侧鱼鳞管流出，运输巷路面积水深200 mm，长10 m，回风巷积水深达到400 mm，长度达到30 m，不同区域路面有积沙，黄泥。

当工作面回采进入压裂区域范围后，工作面支架及超前支护范围特征进行对比，工作面未压裂时，回采过程中超前巷道矿压显现强烈，两帮收敛量达到1 400 mm 以上，工作面支架压裂分布不均，周期来压期间工作压力显现明显；工作面压裂后，两帮收敛量不足200 mm，工作面压力分布均匀，支架阻力降低32%，煤壁片帮率降低34%，为工作面回采提供了良好的条件。