榆横北区中深埋煤层开采水力压裂技术实践*

李彦民,方 刚,郑凯歌,王豪杰

(1.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司,陕西 榆林 719000;2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710054)

0 引言

随着近几十年来我国煤炭资源的高强度开采,大部分浅埋煤层已基本完成开发回收,煤矿发展的重心在逐步向我国中西部地区的中深埋煤层偏移[1-2]。而对于此类煤层的开采则面临着多重困难和挑战,其中,矿山压力及围岩控制问题、坚硬顶板造成的煤层采后大面积悬顶问题较为突出和棘手[3-4]。陕北侏罗纪煤田内的煤炭资源丰富、品质优良,是我国重要的煤炭生产基地之一,榆横北区内分布有多座大型矿山,目前均处于初期建设开发阶段[5-6]。由于该区内大部分煤矿建设生产时间较短,且首采煤层的顶板坚硬、埋深情况变化较大(自东向西2号煤层埋深在200～600 m)。因此,造成了不同地质赋存条件下煤层开采时的矿压显现规律变化掌握情况较差的结果。尤其在矿区西部煤层埋深较大的矿井,存在着两大亟需消除的安全隐患,一方面是初采期间大跨度开切眼巷道的治理,该条件下面临着围岩控制难度增大,顶帮变形严重等问题;另一方面是在煤层采后,其坚硬顶板导致的大面积悬顶可能诱发动压灾害等问题[7-8]。这些问题将对区内中深埋矿井安全生产带来极大的威胁,应用专业的技术解决手段刻不容缓、迫在眉睫。

1 工程概况

巴拉素煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横北区的中西部区域,矿井首采2号煤层,设计生产能力10.00 Mt/a,矿井2102首采工作面呈近东西向布置于井田中部,工作面倾向长度300 m,走向长度5 903 m,煤层厚度在1.42～5.74 m,平均煤厚约3.5 m,煤层平均倾角0.4°,埋深482～490 m。井田内地质构造简单,煤层上部发育有厚、薄相互形成的坚硬顶板,岩性以细-中砂岩为主,砂岩饱和状态抗压强度47 MPa,自然状态可达70 MPa以上,整体表现为强度高、节理裂隙不发育、厚度大、完整性好、自承能力强等特点[9-10]。针对工作面初采过程中顶板难以垮落的问题,常用的方法主要有采前、采后的爆破强制放顶法、注水弱化法。爆破法是通过在顶板目标岩层中预先形成几条或者多条裂缝构成的立体裂缝体系,使顶板沿裂缝方向强度降低,从而减弱坚硬顶板的整体强度并易于垮落。爆破法施工简单,但目前火工品申请批复难度大、工程量大、成本高、危险系数高;注水弱化法在施工时,砂岩、砾岩等坚硬岩石不易溶于水,注水弱化的效果及应用范围均有很大局限性,难以人为控制。

综上所述,针对巴拉素煤矿2102首采工作面初采顶板难垮落等问题,综合采用定向长钻孔+常规短钻孔水力压裂技术对工作面初采期间坚硬顶板进行弱化改造[11-12],使目标岩层内形成三维裂缝网络,以降低岩体整体强度,减小顶板初次垮落步距,降低能量释放强度,防止动压灾害发生,为矿井安全高效生产提供技术支撑。

2 技术工艺

2.1 技术路线

通过收集研究区地质资料,进行井下现场勘查,选择合适的压裂地点;参考条件类似矿井初次垮落及回采过程中矿压数据分析结果,编制研究区工作面初采初放顶板压裂治理技术方案。优选钻探设备进行钻孔施工,施工中进行钻进参数随钻监测、钻进轨迹控制及钻孔质量控制,确保钻孔轨迹在目标层位,分别采用长水平孔和常规短孔水力压裂技术进行压裂施工[13-15]。压裂过程中实时监测压力数据,跟踪监测回采过程中工作面来压强度、步距等参数信息,综合评价初采初放压裂治理效果。工程施工技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

2.2 长水平孔水力压裂技术

长水平孔水力压裂技术原理为:当完成定向长钻孔施工和压裂工具串送入指定位置后,通过双封隔器单卡压裂目标层位段,利用在封隔器中设计平衡泄压通道,实现了高压管柱压裂液与封隔器压力的平衡传递。当高压压裂液达到设定压力后封隔器实现完全坐封,继续增压,压力达到设定压力后,限流器打开,实现压裂段的压裂施工。压裂施工过程中,高压压裂液不断注入岩层中,促使作用于目标岩层的水压力逐渐升高,当压力大于岩层破裂压力后,顶板的弹性余能以动能形式释放,促使治理目标层位产生新的裂缝系统,其裂缝扩展主要是通过目标岩层自生基质孔裂缝、层理裂缝与压裂形成新的裂缝沟通、发育、延展及贯穿。当完成第一段压裂施工后,关闭孔口压裂泵注设备,进行孔口排水卸压;利用定向钻机拖动孔口高压管柱,将封隔器拖动至设计位置,进行第二段压裂施工,依次完成各施工段的压裂施工,相邻压裂段形成三维连续裂缝,改善了岩体结构,降低治理层位的整体强度。长水平孔分段水力压裂技术原理如图2所示。

图2 长水平孔分段水力压裂技术原理示意

2.3 常规短孔水力压裂技术

常规短孔水力压裂技术原理较为简单,即完成常规短孔的钻探成孔后,则进行压裂施工。压裂工具送到目标段位后,利用手动泵注水加压促使封隔器胶筒膨胀封孔,连接高压泵开始施工,完成第一段压裂施工,如图3(a)所示;完成第一段压裂施工后,按照设计压裂间距退出注水管,开始第二段压裂施工,重复上述步骤,完成压裂施工,如图3(b)所示。

图3 常规短孔分段水力压裂技术原理示意

3 工程应用分析

针对巴拉素煤矿2102首采工作面切眼初采后顶板可能存在的悬顶问题,采用长钻+短钻水力压裂技术相结合的治理思路,分层位弱化治理,以达到定向长钻区域治理与常规短钻局部治理的综合治理效果,从而保障该工作面的安全开采。为保证压裂效果,在压裂结束后、工作面回采前,对各钻孔压裂质量进行检验评价,主要通过压裂数据分析、压裂孔内窥视分析、压裂时邻孔及锚索出水情况分析等手段进行钻孔压裂效果评价。

3.1 施工及布置

根据2102工作面概况及顶板弱化目标,切眼顶板的压裂弱化治理从治理方法角度可分为定向长钻孔施工和常规短钻孔施工2类。其中定向长钻水力压裂控制层位为顶板上方25 m,控制目标为工作面初采期间顶板区域弱化;常规短钻孔水力压裂控制层位在10～21 m,控制目标为工作面初采期间的局部弱化。从治理区域角度可分为4个区域,分别为切眼倾向300 m区域、胶运侧走向90 m区域、辅运侧走向90 m区域、定向长钻造斜段区域,工程布置如图4所示。

图4 工程布置

3.2 压裂曲线分析

由于压裂段数较多,且每段压裂段的压裂数据规律基本保持在正常范围内,因此分别选取长、短钻各1例1段进行压裂曲线分析。其中,长孔压裂选取D1号钻孔第6段,短孔选取S12号钻孔第5段曲线分别进行分析。

3.2.1 长孔压裂曲线分析

对D1孔第6段进行水力压裂施工时,首先开启高压注水泵,缓慢注水膨胀封隔器,在封隔器未完全膨胀阶段,注水压力呈现出阶梯状增长规律及特征,注水压力最高增长至24.5 MPa开始趋于稳定,然后进入保压阶段,随着高压水的持续注入,水压出现瞬时压降,表明岩体出现裂缝,随后压力又恢复至原有水平,表明该阶段的岩体岩性较为稳定;随着高压水的持续注入,在保压一定时间后,水压再次出现瞬时压降,表明岩体再次发生破裂,压裂过程中共出现2次压降,说明该段水力压裂确实对顶板形成了有效的破裂,并且通过2次压降,形成的裂缝也充分得到延伸,达到了工程施工的预期效果。长孔压裂曲线如图5所示。

图5 长孔压裂曲线

3.2.2 短孔压裂曲线分析

选取S12号孔第5段压裂数据进行分析,在封隔器膨胀阶段,注水压力呈现出阶梯状增长特征,注水压力最高增长至52 MPa时达到峰值,注水量逐渐稳定,随即出现大幅压降,压降至26 MPa,表明该压裂段产生明显裂缝。在明显压降之后,注水压力维持在26 MPa左右,而注水量变化不大,则表明该段裂缝通道已打开,保压效果较差,压裂效果良好。短孔压裂曲线如图6所示。

图6 短孔压裂曲线

3.3 现场效果分析

在压裂施工过程中,出现了临近孔或者临近锚索流水的情况。选取较为明显的数组典型记录照片进行分析,如图7所示。图中白色标记圈为有明显变化的区域,可以看出,在压裂过程中主要出现了邻孔出水和锚索滴水增大或连续流水现象,而锚索出现的流水现象主要分布在压裂孔内临近空口段位,这也表明了锚索流水增大是由于压裂裂缝贯通的原因。以上孔口出水及锚索流水现象进一步说明了孔内产生裂缝,并且裂缝已经贯通至临近孔或者临近锚索,压裂效果良好。

图7 相邻钻孔及锚索出水情况图片

3.4 钻孔窥视分析

通过对压裂后的钻孔进行孔内窥视,进一步验证压裂效果,选取了部分压裂孔的典型压裂裂缝进行分析,钻孔窥视情况如图8所示。可以看出,压裂后的钻孔孔壁在不同程度上均可以看到明显裂缝,部分钻孔由于完整性较差存在塌孔现象,裂缝扩展方向主要可分为平行钻孔轴向方向单侧扩展、平行钻孔轴向方向双侧扩展、垂直钻孔轴向方向环形扩展,裂缝在延展方向连续扩展范围约为0.5～1.5 m。通过孔内窥视结果的初步分析,单孔典型明显裂缝较多,小裂缝随机分布在孔壁,判断可知整体压裂效果良好。

图8 钻孔窥视情况图片

4 结语

本次巴拉素煤矿2102工作面顶板水力压裂工程,主要通过压裂数据曲线分析、邻孔及邻近锚索出水情况、孔内窥视结果分析等方面进行综合分析。压裂数据表明,压裂层位基本较稳定,高压水能够达到充分保压及破裂岩石的效果,且定向压裂每段位压降基本维持在2～3个,短钻压裂基本每段位可看到明显压降1次或2次,表明压裂效果良好;孔内窥视结果可以看到,压裂孔壁在不同程度上均可以看到明显裂缝,部分钻孔由于完整性较差,存在塌孔现象;邻孔及锚索出水情况进一步说明了孔内产生裂缝,并且裂缝已经贯通至临近孔或者临近锚索,压裂效果良好。通过本次对榆横北区中深埋煤层水力压裂技术研究及工程实践,确定了所选用方法、技术的科学合理性,确保了2102工作面的安全开采,也为矿井后期相关矿压管理工作提供依据。