水力造穴控制压裂技术研究

黄 勇 雷洪波 杨先明 高茂学

0 前言

在水力压裂实施过程中，为了模拟裂缝开裂延伸过程的复杂情况，目前国内外已经建立了多种裂缝的几何模型，从简单的二维模型到三维模型，各类模型越来越符合裂缝的实际延伸过程[1]。但在实际压裂中，由于受各种地质因素的影响，在地层复杂煤层中裂缝会出现转向或向顶底板延伸或朝单一方向延伸，造成裂隙无序扩展，不能对目标区域煤层实施有效压裂，对此，提出水力造穴控制压裂的方法，即采用水力造穴技术定向预置缝槽导向裂缝起裂及扩展，在地应力作用下缝隙尖端形成剪切破坏区，在高压水的作用下裂缝在缝槽尖端起裂，裂缝在尖端起裂后沿水平方向延伸。在此基础上研发了水力造穴控制压裂技术工艺，并在打通一煤矿W1601E瓦斯巷针对M6-3煤层进行了压裂试验。

1 水力造穴控制压裂的基本原理

1.1 水力造穴控制压裂裂缝延展的机理

采用高压水力对煤体割缝在煤体中形成类圆盘状缝隙，根据裂缝扩展原则，即当垂直应力大于水平应力时，煤层实施压裂时裂缝均为垂直裂缝[2]。在研究水力割缝煤体起裂及延伸机理时，只需研究裂缝在水平方向的起裂及延伸。水力割缝后形成圆盘状缝隙，在地应力的作用下使缝隙尖端产生应力集中，当所受应力超过煤体抗拉强度时产生剪切破坏区，在其边缘依次形成圆环状破坏区、塑性区、弹性区[3]。

在实施水力压裂时，在高压水力的作用下缝隙尖端首先破坏，即裂缝在缝隙尖端起裂。裂缝在缝隙尖端处起裂后，裂缝的延伸方向受最大主应力方向控制，即裂缝延伸方向平行于最大主应力方向，垂直于最小主应力方向，从国内外大量裂缝延展的模型可知，在水平应力相等的条件下，裂缝在起裂后会沿裂缝尖端延伸方向扩展。

1.2 水力造穴控制压裂技术工艺

水力造穴也称“水力割缝”，就是利用高压泵将水加压到18～25 MPa，通过钻杆送入切割喷嘴，高压水通过切割喷嘴喷出形成高压水射流对煤体进行切割，高压水混合煤泥通过钻杆与孔壁间隙流出，最终在煤体中形成直径0.5～2 m深度的圆盘状缝隙。

按设计完成水力造穴后，按照设计对钻孔进行下套封孔（封孔至目标煤层底板），然后进行压裂，通过高压泵将水逐步加压到30 MPa以上，当高压泵向煤层注水的速度超过煤岩层的吸收能力时，则在煤岩层形成高压，当压力超过煤岩层破裂压力时，煤岩层被压开并产生裂缝，若继续向煤岩层注水，裂缝就会扩张，从而形成大量缝隙，提高煤岩层透气性，降低煤层瓦斯抽采难度。[4]

2 现场实施

2.1 试验地点基本情况

本次水力冲孔控制压裂试验选择在打通一煤矿西一区W1601E瓦斯巷进行，巷道底板标高为-39.3～+245 m，地面标高+690～+805 m，压裂目标煤层为M6-3煤层。压裂孔施工时，钻孔需从下向上依次穿过M12～M6-3煤层。

根据相邻工作面地质资料，该区域M6-3煤层平均煤厚0.7 m，M7-3煤层平均煤厚1.18 m，M8煤层平均煤厚2.6 m，M8煤层至M7-3煤层层间距为7.6 m，M7-3煤层至M6-3煤层层间距为5.4m，空间分布为由上到下依次为M6-3、M7-3、M8煤层。煤岩层平均倾角2°，W1601中瓦斯巷顶板距M6-3煤层顶板平均70.8 m；W1601E瓦斯巷顶板距M6-3煤层顶板平均66.1 m；西一区-40边界总回风巷顶板距M6-3煤层顶板平均73.9 m。根据矿井瓦斯基本参数考察台账，该区域M6-3煤层原始瓦斯含量19.2 m3/t，M7-3煤层原始瓦斯含量21.98 m3/t，M8煤层原始瓦斯含量25.71 m3/t。

2.2 钻孔布置

W1601E瓦斯巷共设计23个压裂钻场（共35个水力压裂孔），相邻钻场间距50m，奇数钻场每个钻场2个压裂孔，每个钻孔终孔于M6-3煤层顶板0.5m；偶数钻场每个钻场1个压裂孔，每个钻孔终孔于M7-3煤层顶板0.5m。本次试验在7号、9号钻场实施，7-1、7-2为水力造穴压裂孔，9-1、9-2为常规水力压裂孔。压裂孔采用水泥石膏机械封孔（水∶水泥∶石膏=10∶7∶3），利用三次封孔技术封孔至目标煤层底板。

2.3 水力压裂影响范围考察

为准确掌握水力造穴控制压裂的影响范围，本次试验采用钻探的方法来考察压裂的影响范围。本次压裂效果检验钻孔在压裂孔周围沿走向、倾向的两侧四个方向施工，检验孔与压裂钻孔的距离分别为20～60 m，共施工钻孔29个，并在孔口安装能承受50 MPa压力的压力表，水力压裂后观察压力表的压力变化情况，当压力表上的压力发生变化时，则说明水力压裂已经影响到了检测钻孔位置，否则说明压裂范围未到检测孔位置。

3 试验结果分析

2018年10月下旬完成了试验钻孔和检验钻孔的施工，并组织对7-1#、7-2#试验钻孔进行了割缝和压裂，2019年在压裂影响区域施工了掘进条带抽采钻孔。

3.1 割缝情况

从割缝效果来看，水力造穴控制压裂钻孔7-1、7-2分别割出煤量296 kg、385 kg，计算割缝深度分别为0.76 m、0.86 m，基本符合预期要求。

3.2 压裂情况

从压裂情况来看，各试验钻孔压裂正常，无明显压穿裂隙现象，平均注水压力为33MPa，每个孔注入水量400 t。从压裂时间来看，水力造穴的压裂钻孔平均每孔注水耗时981 min，常规压裂孔为1 050 min，水力造穴的压裂孔注水速度较常规压裂快约7%。

3.3 压裂效果分析

检验孔压力变化情况：7-2#压裂孔压裂后，压裂孔以南40 m、以东50 m、以西40 m、以北40 m范围的测压孔压力显示有明显的变化；9-2#压裂孔压裂后，压裂孔以南30 m、以东60 m、以西40 m、以北30 m范围的测压孔压力显示有明显的变化。通过计算常规压裂影响面积为4 564.55 m2，水力造穴控制压裂影响面积为5 524.95 m2，影响面积比常规压裂大21%。在压裂4周后各检验孔的压力变化得较均匀，基本维持在5 MPa以下。

3.4 瓦斯抽采效果分析

该区域掘进条带抽采钻孔钻场间距8 m，钻孔间距7 m，每个钻场9个钻孔。从考察钻孔抽采163天的情况来看，常规压裂后平均单孔抽采量为0.0 122 m3/min，水力造穴控制压裂后平均单孔抽采量为0.0 135 m3/min，瓦斯抽采量提高了11%。

4 结论

（1）初步形成了一套水力造穴控制压裂的施工工艺，“钻孔施工——水力造穴——下套封孔——压裂”整个过程采取视频监控，确保了工程质量，整个工艺实现一体化，确保了施工的安全，降低了施工成本，提高了效率，水力压裂钻孔下套、封孔、压裂成功率100%。

（2）经试验考察，钻孔倾角越大越有利于钻孔割缝排渣，水力造穴效果越好，越有利于提高注水速度和裂缝的延展，水力造穴控制压裂对裂缝的延展方向能起到控制导向的作用，压裂影响半径为40～50 m，压裂影响区域受压均匀，压裂影响面积比常规压裂增大21%，注水时间缩短7%，瓦斯抽采量提高11%。

（3）建议实施水力压裂后保压期设置为1个月，压裂区域的压力平衡后再放水，然后进行抽采钻孔的施工，促使在平衡压力时煤层进一步被充分改造，有利于瓦斯的解析释放，以便于提高瓦斯抽采效果。