采煤工作面顺层钻孔分段水力压裂增渗试验

姚壮壮，林府进，武文宾，江万刚，颜文学，杨 亮

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

瓦斯事故在煤矿事故的占比仍然较高，且随着开采深度的增加及开采工艺的变更，瓦斯灾害防治难度不断增大[1-5]。我国高瓦斯、碎软、低渗煤层较多，制约了瓦斯抽采效果，改善煤储层透气性是实现瓦斯高效抽采的关键。水力压裂作为一种煤层增透措施，在高瓦斯低透矿井中应用越来越广泛，国内外学者对水力压裂增透机理、压裂工艺、裂缝扩展的开展了大量研究，为现场实践提供了理论依据[6-14]。目前水力压裂在煤矿上多应用于底板巷穿层钻孔，穿层钻孔压裂存在见煤段少、有效压裂段短，压裂影响范围小等问题[15-19]。而回采工作面顺层钻孔瓦斯预抽针对低透气性突出煤层防突效果明显，具有布孔灵活，钻机施工方便，消突费用低等优势。但是顺层钻孔也存在钻孔工程量大，施工密集，抽采周期长，施钻轨迹存在偏差等弊端。为此，采用顺层分段水力压裂强化回采工作面抽采瓦斯，实现煤储层增透具有重要现实意义。阳煤寺家庄公司所采15#煤层地质构造较复杂，煤层厚度大（平均5 m 以上），属于瓦斯突出煤层，寺家庄煤矿瓦斯灾害极为严重，煤层瓦斯含量高，透气性差导致抽采困难。因此，在15301 工作面开展顺层孔分段水力压裂，利用研发的拖动式双封隔器实现快速封隔，实现逐级分段压裂，并进行了压裂效果考察，形成了一种适用于回采工作面顺层孔分段水力压裂的成套技术体系。

1 顺层钻孔分段压裂技术

1.1 顺层钻孔分段水力压裂机理

顺层压裂是指高压水以大于地层漏失率的排量和破裂压力的压力注入顺煤层钻孔开展压裂，使煤层破裂形成裂缝，并相互沟通，达到回采工作面增透、防突、防尘等目的，效果肉眼可见。对于低透气性煤层而言，采用常规的钻孔布置方式，往往达不到所要求的抽放效果较差。为此，需采用强化抽采瓦斯方法，人为强迫沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的裂隙网络，使煤体透气性增加。主要目的是实现煤储层增透。

目前井下顺层钻孔水力压裂多为整体压裂，即在孔口设封隔器，孔内下筛管，全孔段压裂。而整体压裂的弊端是只要裂纹在1 个弱面上扩展，其余方向上的裂纹往往不再发展，钻孔内遇构造会造成压裂液的漏失，即压裂在较薄弱的位置持续，有压裂盲区的存在。另外整体压裂对压裂泵组流量的要求高，用水量大。压裂盲区示意图如图1。

图1 压裂盲区示意图Fig.1 Diagram of blind area of fracturing

顺煤层分段压裂是通过双压裂封隔器将顺煤层钻孔分为若干段分别开展压裂，而且分段压裂间距及分段段数可根据煤储层具体条件调节，顺层分段水力压裂示意图如图2。逐级分段压裂可确保压裂均匀，消除压裂盲区，避免了整体压裂煤岩体因孔隙、裂隙造成的水量流失，解决了高压水“去向不明”难题，确保高压水压入目标煤体。

图2 顺层分段水力压裂示意图Fig.2 Diagram of staged hydraulic fracturing of bedding drilling borehole

1.2 顺煤层水力压裂增透装备及工艺流程

井下顺煤层水力压裂装备主要包括压裂泵组、压裂封隔器工具串、监控与安全保障系统等。压裂泵组采用中煤科工集团重庆研究院研制的BYW 系列泵组，BYW 系列压裂泵组如图3。泵组可用于煤层压裂、冲击倾向性严重的顶底板及坚硬煤层的卸压致裂、防尘注水、割缝、掏穴等工艺，便于运输，操作简单，具有远程监控、数据采集、量化处理等功能。

图3 BYW 系列压裂泵组Fig.3 BYW series fracturing pump set

在“十三五”油气田重大专项的支撑下，由重庆院研发了拖动式双封隔器分段压裂工具串，由引鞋、封隔器、筛管、压裂钢管以及孔口保压装置等组成。其中封隔器可承受高压70 MPa，具有膨胀系数大，封隔可靠、可重复使用等特点。

顺层水力压裂施工流程包括压裂前准备及压裂施工2 部分。压裂前准备包括压裂场地选择及布置、压裂孔及考察孔的施工、井下供水、供电、通风、压裂装备试车等。水力压裂施工包括封隔器工具串下放、坐封、解封、拖动、回收，孔口装置安装，操作压裂装备、压力、流量监测等。

2 现场试验

2.1 试验地点概况

寺家庄煤矿属于高瓦斯突出矿井，15 号煤层平均瓦斯含量11.22 m3/t，瓦斯压力0.4 MPa，孔隙率3.01%，透气性系数0.175，属可以抽放煤层。另外15号煤层有煤尘爆炸性，属（Ⅲ类）不易自燃煤层。

15301 工作面位于+510 m 水平，工作面走向长1 942 m，倾向长180 m。所采煤层为15 号煤层，煤层总厚5.4 m，平均倾角4°，煤层结构较复杂，一般含矸2～3 层，工作面的煤层赋存较为稳定，整体起伏变化不大，最大瓦斯含量14.0 m3/t，最大瓦斯压力0.3 MPa，最大瓦斯涌出量12 m3/min。

2.2 顺层分段压裂设计方案

根据15301 工作面煤层地质情况及工作面的实际生产情况，试验区域为应避开构造区域50 m 以上，沿巷向外共400 m 的试验区域。顺层孔水力压裂试验压裂孔间距按10、20、30 m 设计，在15301 工作面进风巷（方位角0°）施工顺层压裂钻孔，顺层水力压裂钻孔设计孔径94 mm，孔深120 m，方位90°，垂直巷帮，由左至右编号1#～20#。为了考察压裂范围及压裂结束判识，在压裂孔两侧相同间距各施工1个考察孔，孔深100 m，方位90°，垂直巷帮。15301工作面进风巷顺层压裂钻孔设计图如图4。

图4 15301 工作面顺层压裂钻孔设计图Fig.4 Design drawing of drilling hole for bedding fracturing in 15301 working face

2 个封隔器之间为压裂区域，压裂区域的长度可通过2 个封隔器之间压裂钢管的长度调节。分段的实现是将带有双封隔器的工具串下放到孔底的预设位置，由里向外逐级进行注水压裂，如此循环实现钻孔设定区域的逐段压裂。本次顺层孔压裂试验实现了了分3 段及以上开展压裂，并且封隔器工具串的下放、坐封、解封、以及拖动稳定可靠。顺层钻孔分3 段压裂工艺图如图5。

图5 顺层钻孔分3 段压裂工艺图Fig.5 Fracturing process diagram of drilling in three sections

2.3 顺层钻孔分段压裂施工

15301 进风巷每隔200 m 划分为1 个抽放单元，压裂区在第1 抽放单元，采用分段压裂工艺，2个封隔器之间间距为20 m 时分4 段开展压裂，间距30 m 设计分3 段。压裂区内共开展了7 个孔的压裂施工，其中注水量最大的是19#号孔，全孔段分3 段，共注水60 m3。18#孔泵注压力最高为22 MPa。压裂施工记录见表1。

表1 压裂施工记录Table 1 Hydraulic fracturing construction records

3 顺层钻孔压裂效果

寺家庄矿顺层孔抽采每隔200 m 为1 个抽放单元，原设计400 m 的压裂区覆盖第1 个、第2 个抽采单元，实际压裂区为第1 抽放单元即工作面最外围的200 m 范围。

15301 工作面设计抽放孔间距为2.5 m，钻孔长度120 m，采用“两堵一注”水泥砂浆封孔，封孔长度21 m。为了考察压裂效果，选择试验工作面未开展压裂的第2 抽采单元进行抽采效果对比。2 个抽采单元都为200 m 且控制抽采钻孔量一致，安装相同型号的抽采计量装置进行效果考察。压裂区与未压裂区施工对比图如图6。

图6 15301 工作面压裂区与未压裂区施工对比图Fig.6 Construction comparison between fracturing area and unfractured area in 15301 working face

2019 年对试验地点开展了抽采效果考察，压裂区与未压裂区瓦斯抽采浓度变化、瓦斯抽采纯量变化对比图分别如图7、图8。从图7、图8 可知，压裂区抽采浓度及纯量明显高于非压裂区。压裂区平均浓度为35.1，非压裂区为6.0，压裂区浓度是非压裂区浓度的5.9 倍。压裂区百孔纯量为3.6 m3/min，非压裂区为0.3 m3/min，压裂区百孔纯量是非压裂区的11.2 倍。

图7 压裂区与未压裂区瓦斯抽采浓度变化对比图Fig.7 Contrast chart of gas drainage concentration change between fractured and unfractured areas

压裂有效范围以及压裂结束判识是通过压裂孔两侧考察孔的出水情况判断。为了保证压裂安全，试验压裂孔间距按最大30 m 设计，压裂孔两侧考察孔可见压裂水压出，确保了压裂有效半径达15 m，肉眼可见的压裂范围保证了压裂的有效性。

4 结 论

图8 压裂区与未压裂区瓦斯抽采纯量变化对比图Fig.8 Contrast chart of gas drainage purity change between fractured and unfractured areas

1）寺家庄矿顺层钻孔分段水力压裂试验表明:研制的拖动式双封隔器工具串在钻孔内下放、坐封、解封、拖动、回收顺利，坐封压力满足压裂密封要求。

2）形成了顺层钻孔分段水力压裂方案设计方法及施工工艺，经对比，压裂区抽采单元瓦斯平均抽采浓度和纯量分别是非压裂区的5.9 倍，11.2 倍。证明开展采煤工作面顺层钻孔分段水力压裂能够有效形成均匀沟通煤层，形成均匀的裂缝网，达到了煤层增渗目的。