瓦斯穿层钻孔水力压裂增透技术分析

摘 要：鉴于我国煤层瓦斯含量高煤层透气性差且具有突出危险性的现状，现状矿井多采用穿层钻孔来对煤层中的瓦斯进行预抽。为了提高低透气性煤层的抽采效果，采用了水力压裂技术对煤层进行改造增加其透气性。阐述了穿层钻孔水力压裂的基本原理，并对水力压裂的实施过程进行了分析，可以为煤矿瓦斯抽采提供一定的认识。

关键词：瓦斯抽采;穿层钻孔;水力压裂;分析

1 引言

随着我国进入深部矿井开采时代，矿井瓦斯涌出量越来越大，而且煤层的突出危险性增强。在这种背景下，对煤层中的瓦斯进行抽采是治理瓦斯的根本途径。然而由于我国的煤层透气性普遍较低，直接采用钻孔进行抽采效果差，很容易造成采掘接替紧张的问题[1]。与此同时，对于有突出危险性的煤层，不能采用本煤层钻孔进行抽采，只能利用穿层钻孔进行抽采。由于穿层钻孔的有效长度（煤层段长度）较短，这极大的影响了瓦斯抽采达标的速度。在这种情况下，必须得采取有效措施对煤层进行增透。水力压裂技术是一种用于油气开发的增产技术，从石油行业引入到煤层气开发上来已经取得了不错的效果。通过水力压裂对低渗透煤体进行压裂后，煤体的渗透性会显著增强。但是这项技术并不是百分百有效，也有不少矿区在进行水力压裂时并未提升抽采的效果。周世宁院士指出，水力压裂只有当压裂的填充剂的渗透性高于煤體的渗透性时，压裂才是有效的。总的来说，水力压裂这项技术虽然能在一定的范围内可以应用，但是也存在诸多问题。本文对穿层钻孔水力压裂的工艺进行说明，分析其存在的问题，以期为有关技术人员提供指导。

2 穿层钻孔水力压裂的基本原理

穿层长钻孔水力压裂是在煤层的地板施工穿层钻孔，借助于定向钻孔技术使钻孔沿煤层走向，这样可以显著的提高穿层钻孔的有效长度，然后通过在钻孔中注入高压压裂液对长钻孔进行压裂。在压裂后钻孔周围的煤体会充分破碎，这为瓦斯的渗流提供了大量通道。压裂的主要原理是当压裂液的注入速度大于煤层渗流的速度时，在钻孔孔壁会产生一个很大的压力，当这个压力达到煤体的破碎强度时，煤体会发生破裂[2-3]。在破裂会钻孔周围会形成一条主裂缝，随着压裂液的持续注入，裂缝会持续扩展。裂缝的产生和扩展可以分为5个阶段：能量聚集阶段、微裂缝产生阶段、局部破坏阶段、裂纹迅速扩展阶段以及裂缝继续扩展阶段，伴随着能量的释放和聚集过程。

在高压水流动过程中，会将不同粒径的煤粒带人到煤层的弱面中（例如煤层的层理、割理）。这些颗粒会在弱面中逐渐累积从而形成堵塞带，这会导致弱面的界面处的应力不断升高，进而导致弱面发生破坏产生裂缝。与此同时，弱面的空间范围增加，弱面上的应力会下降，应力向弱面周围转移。煤粒继续向远处的弱面运动，从而形成对弱面远处的弱面封堵，当达到一定的压力后，远处的弱面会继续破裂。如此循环进行下去，直到应力不足以破坏煤体的弱面时，这就在钻孔周围形成丰富的裂隙或裂纹，这为瓦斯运移提供了大量的通道。

3 穿层长钻孔施工及水力压裂实施

3.1 穿层长钻孔的施工

穿层长钻孔在煤层的底板进行开孔，开孔的位置一般距煤层的底板几十米以上，以保证压裂的有效性。在施工时经历了初次开孔，其主要是倾斜孔，其长度刚好触到煤层;二次开孔，主要是水平孔，这个过程要经历钻孔施工角度的转变，由倾斜孔变成水平孔。一般来说，第一次开孔后，需要对钻孔进行封孔下套管。钻孔的定向一般采用滑动定向钻机技术，在施工过程中通过随钻测量系统来测量钻孔的实时轨迹，以免钻孔偏离过大进入到岩层中达不到预期的设计结果。在钻孔进入到煤层段后，要利用高粘性防塌剂等无固相水泥浆来作为钻孔的冲洗剂，以免钻孔出现塌孔问题。在钻进时要遵循“低压慢速、边进边退”，合理的控制钻进速度，充分释放煤层中的瓦斯，以免瓦斯的急剧释放会发生喷孔造成钻孔成型失败。

3.2 水力压裂工艺

通常情况下，水力压裂系统主要可以分为孔内部分和孔外部分，孔内部分主要是由封孔器、输油管路和隔离器等组成，孔外部分主要是一些水泵和胶管等设备。为了保证压裂施工的安全，采用了压裂安全控制装置，如图1所示。

煤矿井下水力压裂可以分为三个阶段，每个阶段又有很多工序，如图2所示。在水力压裂完成后，需要对钻孔进行排水，排水后需要对钻孔进行封孔连接到抽采管道。

在压裂的准备阶段，连接好水力压裂设备后，需要对压裂钻孔进行反复清洗，直至孔内的岩石渣都清洗干净，然后才能进行压裂试车。试车完成后需要对钻孔进行封孔，并在钻孔内下入单流阀、引鞋、扩张式封隔器等组合工具，完成后连接到油管。封孔的效果可以注水打压进行检测，若封孔效果良好，则10min内封孔内的最大压力可达70MPa，满足了水力压裂对于钻孔封孔的要求。封孔良好后还需进行试压，在试压时打开空口的安全控制阀和三通排水阀进行压裂，通过抵挡缓慢的进行注水。注水完成后，关闭三通排水阀，观察压力表的变化，在压力达到最高设计压力时，关闭阀门，查看停止压裂后水压是否下降。若无下降，则可完成试压。

在高压注水阶段，应该采用整体压裂方式，为了避免对煤层以及地下水造成污染，采用清水作为压裂液。打开注压泵后，采用高液力档位提高注入压力，在此期间要详细记录压力、流量以及压裂时间等关键数据，当注入水量达到设计的要求时即停止继续压裂。在压裂过程中，要注意巷道的一些变化，巷道的瓦斯浓度是否发生变化及巷道压裂的一帮是否出现大面积渗水等问题。在水力压裂的初期，由于压力较大压裂液充满钻孔以及钻孔周围的煤体裂隙中，此时钻孔的注水压力和注水量会急剧增加。当煤体发生破裂时，压力会急剧下降，随着注入时间的不断增加，注水压力出现了锯齿状波动现象，但是注水压力总体上呈下降的趋势。注水压力会出现一定的周期性，每一次压力下降都意味着钻孔周围的煤体被压裂，能一定程度上反映了压裂作业对煤体的裂缝的改造。煤体破裂的发生是一个能量逐渐积聚进而诱发煤体失稳变形的过程。

在压裂作业完成后，需要进行保压操作。钻孔在高压水的作用下，处于稳定状态。若此时对钻孔进行排水，钻孔会由于孔内压力的急剧降低而发生失稳塌孔问题，更为严重的是会堵塞钻孔，这极大的影响了后期的瓦斯抽采。与此同时，直接排水还会导致钻孔内的瓦斯会急剧涌入到巷道造成瓦斯超限。因此，在停泵后应该关闭注水阀门，让孔内的压力处于一个缓慢降低的状态。在孔内的压力保持稳定后，再打开阀门进行排水，排水完成后再连接到抽采管进行抽采。

4 小结

鉴于我国煤层瓦斯含量高煤层透气性差且具有突出危险性的现状，现状矿井多采用穿层钻孔来对煤层中的瓦斯进行预抽。为了提高低透气性煤层的抽采效果，采用了水力压裂技术对煤层进行改造增加其透气性。煤矿井下水力压裂可以分为三个阶段：准备阶段、高压注水阶段以及保压阶段。裂缝的产生和扩展可以分为5个阶段：能量聚集阶段、微裂缝产生阶段、局部破坏阶段、裂纹迅速扩展阶段以及裂缝继续扩展阶段，伴随着能量的释放和聚集过程。

参考文献：

[1]牟全斌.井下穿层长钻孔水力压裂强化增透技术[J].中国安全生产科学技术，2017，13（08）：164-169.

[2]罗勇，邓东生.穿层钻孔水力压裂增透技术试验研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2017，37（04）：71-76.

[3]冯京波.新景矿底抽巷穿层钻孔水力压裂卸压增透技术试验[J].煤炭与化工，2017，40（04）：45-48.

作者简介：

李廷（1982- ），男，本科，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，通风助理工程师，研究方向：通风。