碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

陈冬冬，王建利，贾秉义，席 杰

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400)

近年来，随着我国煤矿安全生产科技的不断进步，煤矿安全生产形势总体稳定、趋向好转，煤矿百万吨死亡率由2005 年的2.76%降至2020 年的0.059%[1-2]。但我国煤矿瓦斯灾害防治形势依然严峻，每年发生较大以上瓦斯事故仍占全国煤矿较大以上事故起数和死亡人数的50%以上[3]，瓦斯灾害治理依然是煤矿安全生产工作的重点。高强度、集约化和智能化开采已成为煤炭工业发展的主流趋势[4]，为满足这一需求，煤矿灾害应由局部治理转向区域治理[5]。但我国碎软煤层分布广泛，占比约60%[6-7]，其具有强度低、渗透性差、瓦斯含量高、压力大等特点[8-10]，导致成孔难、顶钻、卡钻与喷孔现象突出，特殊的瓦斯地质条件决定了采用常规方法难以实现瓦斯灾害区域超前与高效治理，该问题一直是困扰煤矿企业的难题[11]，严重影响和制约矿井安全高效生产和现代智能化矿井建设。

针对碎软低渗煤层瓦斯区域抽采难题，相关学者开展了一些研究工作。地面煤层气抽采方面，张群[12]、李彬刚[13]等以淮北矿区芦岭煤矿8 号碎软低渗煤层为研究对象，开发了碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采技术，日产气量突破1 万m3；但对于生产矿井而言，地面煤层气抽采周期长、投入高，无法在短时间内解决生产区或准备区的瓦斯问题。煤矿井下实践方面，孙四清等[14]针对阳泉矿区碎软低渗高突煤层开展了井下长钻孔整体水力压裂增透技术的工程试验，一次性整体压裂煤孔段长度达307 m，平均瓦斯抽采量2 173 m3/d；方俊等[15]研发了碎软煤层空气复合定向钻进技术与装备，在贵州青龙煤矿实现最大孔深385 m；刘建林等[16]开发了碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术，在宿州某矿完成232 m 的顺煤层定向钻孔。可见，井下瓦斯区域抽采仍处于初步探索试验阶段，且钻孔深度集中在200～400 m，对于实现400 m以上的深孔区域抽采还鲜有研究。因此，结合碎软低渗煤层特殊的瓦斯地质条件以及区域瓦斯治理的现实需求，寻求更大范围、高效、超前的区域瓦斯抽采技术是亟待解决的现实问题。

笔者以碎软、低渗、突出煤层较为发育和瓦斯灾害较为典型的韩城矿区为例，结合近几年的研究成果，融合碎软煤层顶板定向长钻孔高效成孔技术，并结合水力压裂煤岩致裂区域增透技术综合优势，探索实践碎软低渗煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采新模式。

1 抽采模式与可行性

1.1 韩城矿区瓦斯地质条件

韩城矿区位于陕西渭北石炭−二叠纪煤田东北段，表现为NW 向的缓倾单斜构造。矿区东南部是主要构造变形带的集中区域，分布有韩城下峪口煤矿、桑树坪煤矿、王峰煤矿等大型煤矿，其他区域构造简单。

矿区内瓦斯灾害严重，主采的山西组3 号煤层属于严重突出煤层，曾发生突出事件约150 次。3 号煤层平均厚度4.16 m，煤层顶板以细粒砂岩、泥质砂岩为主，底板以泥岩和粉砂岩为主，局部含3下煤层，与3号煤层平均间距4.10 m。3 号煤层原始瓦斯含量10 m3/t以上，瓦斯压力最高达3.0 MPa，煤体坚固性系数(f值)为0.1～0.3，煤层透气性为0.072 9～0.229 0 m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯初始体积分数约10 %，抽采浓度衰减快，短期内便降至1%～2%，属于典型的碎软低渗煤层。矿区瓦斯治理难度大，特别表现在顺层深孔施工中，经常发生顶钻、夹钻、喷孔等现象，一般钻孔施工深度为100 m、局部仅20～30 m[17]。

1.2 顶板钻孔水力压裂瓦斯抽采机理与模式

矿区3 号煤层顶板以细粒砂岩、泥质砂岩为主，具备施工顶板定向长钻孔条件，但顶板成孔后若没有外部裂缝的有效联通，扩散较难进行，无法实现渗流，为此，采用顶板钻孔水力压裂产生沟通煤层的裂缝，在大流量、高压水动力条件下，煤层上覆岩层发生起裂、扩展、延伸，所形成的人工裂缝与天然裂隙以及煤岩结合部的弱面有效贯通，煤岩体得以卸压和增透，从而打破煤层原始应力和瓦斯赋存状态，为瓦斯解吸、扩散和渗流创造有利条件。此外，顶板钻孔实施层位经水力致裂形成的裂缝网络缩短了瓦斯在煤层内的扩散距离，大范围的煤层瓦斯以最短距离扩散至顶板缝隙所形成的“网络系统”中，在瓦斯压力的驱动下，沿裂隙不断运移至钻孔，并在负压作用下快速抽出。

限于煤矿井下泵组能力和清水不加砂压裂工艺，单一顶板钻孔压裂(不开分支)存在裂缝规模小、卸压后裂隙闭合等问题，综合考虑压裂效果和抽采效果，提出“煤层顶板梳状孔水力压裂”区域瓦斯超前抽采模式，即煤层顶板布置梳状钻孔，以分支孔为导向，降低岩层起裂压力并借助其发散效应控制压裂范围，同时，分支孔直接作用于煤体，能够有效增加压裂段与岩体的接触面积，综合形成以分支孔为一级裂缝、破裂岩体为二级裂缝的多级渗流网络通道，提高瓦斯产出速率和效率。煤层顶板梳状钻孔水力压裂强化抽采瓦斯模式如图1 所示。

图1 顶板梳状长钻孔水力压裂瓦斯抽采模式Fig.1 Gas drainage mode of hydraulic fracturing in roof

1.3 可行性分析

1.3.1 数值模拟

水力压裂裂隙的扩展方向除了受原始地应力及缝槽的影响，也会因岩层物性参数、天然裂隙与天然弱面的接触关系表现出不同的压裂效果[18-20]。对于跨煤层和岩层的顶板梳状孔水力压裂，钻孔分支孔延伸进入煤层起导流作用，使绝大多数水力压裂裂缝在煤层中延展。同时，考虑整个钻孔压裂效果，应保证钻孔主孔尽可能靠近煤层、减少无效进尺，同时促使更多的压裂裂缝由顶板扩展延伸至煤层，这是保障模式效果的关键。为此，基于韩城矿区的地质条件特征，采用数值模拟手段，探究压裂裂缝在顶板岩层段中的起裂方向。通过有限元分析方法模拟分析煤岩体破裂过程，基本假设如下：煤体材料为各向同性的弹−脆性介质，细观基元离散后力学特性服从Weibull 分布；细观基元为线弹性体，发生相变前后性质不改变；介质相变临界值符合Mohr-Coulomb 准则，忽略由裂隙迅速扩张而引起的惯性力。

模拟结果(图2)表明：当注水压力为10.2 MPa 时，钻孔周围开始出现明显裂缝，随着注水压力逐渐升高，钻孔周围垂向裂缝扩展范围逐渐增大，并逐步向下部(煤层)延展。

图2 不同注水压力下钻孔裂缝形态Fig.2 Fracture morphology under different injection pressures

进一步定量模拟泵注排量0.6 m3/min、清水压裂液、压裂液用量56 m3等压裂参数下的顶板水力压裂裂缝延展形态，模拟结果(图3)表明，压裂后形成的劈裂状裂缝，垂向缝高大于水平向缝长，压裂后缝高可延伸18.46 m，压裂点裂缝宽度为0.140 9 mm，说明在一定层位下，压裂裂缝可延展进煤层。因此，根据数值模拟结果，结合定向钻进轨迹控制精度和钻孔覆盖未知区域地质条件预测精准程度，综合确定梳状钻孔主孔施工层位控制在距离煤层5 m 左右。

图3 水力压裂裂缝展布模拟分析Fig.3 Simulation Analysis of fracture distribution

1.3.2 现场试验

在韩城矿区王峰煤矿现场开展了煤层顶板梳状钻孔水力压裂现场可行性试验。试验区3 号煤层厚度6.0 m，直接顶为粉砂岩、基本顶为中粗粒砂岩，煤层瓦斯含量13.74 m3/t、煤层瓦斯压力3.0 MPa，采用后退式分支孔工艺，施工主孔1 个、分支孔4 个，主孔长261 m、总进尺344 m，封孔深度60 m，即钻孔压裂段长度为201 m。试验采用整体压裂工艺，压裂液用量874.79 m³。泵注压力变化如图4 所示，压力曲线整体呈锯齿状上下波动，同时伴随局部泵注压力的突然、明显下降，反映出岩层微裂隙的“起裂–扩展延伸”行为并伴随顶板岩层的明显破裂。压裂后86 d，钻孔平均瓦斯体积分数达42.11%，钻孔瓦斯抽采纯量为8.25～21.41 m3/min、平均17.02 m3/min (图5)，是同区域采用穿层钻孔水力冲孔瓦斯抽采纯量的12.48 倍，验证了碎软煤层顶板梳状钻孔水力压裂实现瓦斯高效抽采的可行性。

图4 泵注压力变化曲线Fig.4 Variation curve of fracturing pump pressure

图5 钻孔瓦斯量参数变化曲线Fig.5 Variation curves of gas drainage data parameters

2 关键技术

通过数值模拟和现场试验相结合的方式证实模式可行性，但预期达到覆盖500 m 区域的压裂抽采仍面临一系列的技术难题，为此，通过实践形成了地质条件动态分析、分段水力压裂工艺、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查等关键技术。

2.1 地质条件动态分析技术

地质条件精准分析是指导钻孔层位和布孔形式重要依据。由于煤层顶板梳状长钻孔覆盖范围大，仅依靠地质勘查钻孔已无法满足实际需要。因此，提出了设计阶段集三维地震、钻孔柱状、已有巷道揭露等数据综合分析预测，在施工过程中集多源信息融合的地质条件动态分析技术，对分支孔探查不断修正，保证施工层位能够控制在距离煤层5 m 左右。

主要思路为：以地质勘探钻孔绘制的采掘平面图和地质剖面预测图为基础，结合区域三维地震解释资料以及井下邻近已开拓区域的实际测量资料，对三维地震资料进行重新解译，分析研究钻孔实施区域的地质条件，主要为煤层厚度、构造分布、煤层顶底板高程等地质信息，以此为依据，开展煤层顶板梳状长钻孔设计与工程施工，在实施中，根据各分支孔实际探查的煤层顶板高程数据，验证并进一步修正钻孔前方的地质信息，达到钻孔轨迹的精准控制。

2.2 分段水力压裂技术

要在孔深500 m 钻孔中实施水力压裂，现有整体压裂技术面临泵注能力不匹配及压裂不均衡等问题。针对该问题，提出将定向深孔分为多段独立实施压裂的思路，研制出深孔孔内定点和分段水力压裂工具，该套工具实现了煤岩层钻孔任一点封隔和压裂，能够有效封隔非目标层段、降低非必要的地层滤失[11,21]。并根据不同需求，研发提出不动管柱式和拖动式两种分段压裂工艺。不动管柱式分段压裂工具串组合主要由导向、单向阀、压差滑套和投球滑套、解卡器、高压油管和安全孔口组成。拖动式分段水力压裂工具组合主要由导向、底座、节流器、封隔器、解卡器、高压油管和安全孔口等组成。

2.3 封隔器遇阻解卡技术

对于裸眼压裂而言，由于地层孔隙和裂隙的客观存在，封隔器在压裂实施过程中，受到其外端自由面和内端高压水压差的影响，经常出现孔口淋水和流水等封隔效果不佳的现象，致使高压水携带的煤岩屑在封隔器内端沉积。封隔效应一旦卸除，沉积的煤岩屑将迅速流向封隔器与孔壁之间的环空空间，导致封隔器被卡，造成孔内压裂施工事故。该类孔内事故处理难度大、风险高，常规方法往往造成孔内压裂管柱折断，导致压裂工程中断失败、损失较大，特别是拖动式压裂工艺更是如此。

针对煤层顶板岩层裸眼分段压裂工艺特点，研发出封隔器解卡装置及工艺方法。解卡装置由低密度球、阀体、球座、弹簧、下接头等部件组成，如图6 所示。该装置能够实现遇阻封隔器的紧急、快速和有效洗孔解卡作业，设备简便、操作简单、风险可控。已实现梳状长钻孔封隔器遇阻深度346 m 的成功解卡，有效避免了经济损失。

图6 封隔器遇阻解卡装置Fig.6 Packer blocking release device

2.4 压裂影响范围连续探查技术

针对长钻孔水力压裂影响范围难以连续准确测定的问题，引入钻孔瞬变电磁探查技术，对长钻孔水力压裂影响范围进行轴向连续探查。钻孔瞬变电磁探测原理是将发射线框与接收探头一同送入钻内，沿钻孔轨迹逐点进行三分量测量，即X、Y、Z空间直角坐标系，通过沿钻孔方向的垂直分量Z的二次场分析钻孔周围可能存在的低阻异常区，通过垂直于钻孔且相互正交的两组水平分量X、Y的二次场分析异常相对于钻孔的空间方位，最终形成以钻孔为中心、径向一定距离范围内的圆柱形探测区域[22]。

钻孔瞬变电磁探查钻孔压裂前后地层视电阻率，判识钻孔径向范围内地层含水性的变化，将压裂前地层视电阻率平均值作为背景场，在压裂后的探测成果中减去背景场，提取出纯异常场，以此确定水力压裂的影响范围。计算成果如图7a 所示，图中绿色部分为低值异常区，颜色越深表明电阻率向低值变化越大，白色区域为电阻率变化较小区域。该种方式能够实现沿钻孔轴向连续探测径向一定范围内压裂的均衡性和主要缝网发育方向(图7b)。

图7 压裂影响范围连续探查Fig.7 Continuous detection results of fracturing influence area

3 工程实践

在韩城矿区桑树坪二号井3 号煤层实施了2 孔次的顶板梳状长钻孔分段水力压裂区域瓦斯抽采工程实践。试验地点地层为一走向NE−NEE、倾向NW 的单斜构造，地质构造简单，煤层厚度5.97 m，坚固性系数(f值)为0.1～0.5，原始瓦斯含量为6.75～9.80 m3/t，煤层直接顶为灰黑色粉砂岩，较致密坚硬。钻孔开孔点均位于3 号煤层，由煤层进入直接顶稳定岩层，采用前进式开分支工艺，分支孔间距60 m，孔径98 mm。

1 号钻孔总进尺1 188 m，主孔长588 m、开8 个分支，采用地质条件动态分析技术实现主孔轨迹控制距3 号煤层2.0 m 左右、最大3.28 m，如图8 所示。采用不动管柱分段压裂工艺，完成4 段压裂，累计压裂液用量2 012 m3，最大泵注压力8.74 MPa，探查压裂影响范围为20～40 m。压裂后，钻孔抽采瓦斯体积分数平均为41.27 %，瓦斯抽采纯量1.08 m3/min (图9)，百米钻孔瓦斯抽采纯量是常规顺层预抽措施的4.8 倍，抽采120 d，瓦斯抽采有效半径达9.0 m。2 号钻孔总进尺921 m，主孔长486 m、开5 个分支孔，采用拖动式分段水力压裂和遇阻加卡工艺，累计压裂6 段，压裂液用量1 586 m3、最大泵注压力18.5 MPa，压裂范围探测深度381 m、压裂影响半径达35 m (沿钻孔径向范围均能达到20 m 以上，图10)。压裂后，钻孔抽采瓦斯体积分数平均为48.5%、平均抽采纯量1.6 m3/min。实践表明，两种分段水力压裂工艺均取得较好的瓦斯抽采效果。

图8 1 号钻孔水力压裂剖面Fig.8 Actual trajectory and hydraulic fracturing of No.1 borehole

图9 1 号钻孔瓦斯抽采量变化曲线Fig.9 Changing curve of drainage parameters of No.1 borehole

图10 2 号钻孔轴向压裂影响范围连续探查成果Fig.10 Fracturning range continuous detection results of No.2 borehole

4 规模化压裂应用思路

4.1 碎软煤层大区域瓦斯抽采

在生产准备区超前实施瓦斯治理巷道工程，如采区大巷、采区边界巷、局部顶(底)抽巷等，利用顶板梳状长钻孔作为煤层增透兼做瓦斯预抽钻孔，根据压裂影响范围确定压裂钻孔间距，实现碎软煤层大区域均衡增透。在压裂钻孔之间，实施大区域顶板梳状煤层接续长钻孔(图11 中A−A剖面)，提前2～3 年(甚至更长)预抽多个采掘工作面区域的煤层瓦斯，达到超前降低或消除碎软煤层瓦斯危险性、减少采掘阶段瓦斯治理工程投入的目的，实现工作面连续掘进和回采作业，解决碎软突出煤层矿井接续紧张问题，系统工程布置如图11 所示。

图11 碎软煤层大区域瓦斯抽采技术思路Fig.11 Technical idea of gas drainage in large area

4.2 高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压

贵州、淮南、淮北、豫西等碎软煤层分布的高突瓦斯区实测最大瓦斯压力已达6.61 MPa[23]，并且有相当一部分矿井开拓区域内煤层原始瓦斯压力已超过3.0 MPa。该区域采取顶板或底板巷穿层钻孔措施存在不符合《防治煤与瓦斯突出细则》第六十四条规定，且钻孔喷孔严重、施工进度慢等问题。为此，可利用本文模式形成的区域抽采技术，在已形成的煤巷或顶(底)板岩巷中实施煤层顶板梳状长钻孔水力压裂超前抽采，实现高瓦斯压力强突碎软煤层的远程区域抽采卸压，使得未采掘区域的煤层瓦斯压力降至3.0 MPa以下甚至更低，符合细则要求，如图12 所示。卸压后，穿层钻孔施工效率大幅提高，抽采时，可进一步发挥水力压裂的增透效应，提高瓦斯抽采效率。

图12 高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压技术思路Fig.12 Remote regional drainage and pressure relief in soft and strong outburst coal seam with high gas pressure

5 结 论

a.研究提出了碎软低渗单一开采煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式，采用数值模拟和现场试验的方法阐明了煤层顶板梳状钻孔水力压裂裂缝延展规律、抽采机理和泵注压力曲线特征，验证了模式可行性。建立了集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系。

b.在韩城矿区桑树坪二号井3 号煤层顶板实施了2 孔次的梳状长钻孔分段水力压裂区域瓦斯抽采工程应用。1 号钻孔主孔长588 m、开8 个分支，主孔距3 号煤层2.0 m 左右，压裂4 段，压裂影响范围达20～40 m，钻孔抽采瓦斯体积分数平均为41.27%、瓦斯抽采纯量1.08 m3/min，是常规钻孔的4.8 倍，120 d 瓦斯抽采有效半径可达9.0 m。2 号钻孔主孔长486 m、开5 个分支，压裂6 段，压裂范围探测深度381 m、压裂影响半径达35 m；钻孔抽采瓦斯体积分数平均为48.5%、瓦斯抽采纯量1.6 m3/min。

c.该技术模式实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采，突破了碎软煤层井下长距离、大范围瓦斯预抽的技术瓶颈，适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化生产应用，提出了两种规模化应用的技术思路。在规模化压裂应用中，需要对模式的有效抽采卸压范围、煤层增渗提升程度与均衡性以及长时间(2～3 年)抽采下瓦斯抽采半径等方面进行全面系统的研究和考察。