顶板定向梳状长钻孔分段水力压裂抽采技术研究

王 辉

(陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井，陕西 渭南 715400)

0 引言

松软破碎突出煤层由于在煤层中钻进难度大，难以实现大范围的瓦斯治理，往往只适用穿层钻孔进行抽采瓦斯，然而岩巷掘进速度慢，出矸多，矿井的岩巷开拓工程受到诸多现实情况限制，因此急需一种在已有巷道内实施的、适用于松软煤层的大范围超前瓦斯灾害治理技术[1-4]。

韩城矿区桑树坪二号井主采3号煤层为突出煤层，煤层较为松软，瓦斯含量高、瓦斯压力较大，矿井最先试验了煤层定向长钻孔预抽技术，但是钻孔在钻进过程中时常发生夹钻、掉钻等情况。根据现场实际情况，又试验了顶板定向长钻孔水力压裂强化抽采技术，在煤层顶板4～5 m位置施工定向长钻孔，进行分段压裂增透。现场试验表明，该技术能够提高瓦斯抽采效果，但和预期的目标还有较大的差距，分析原因，主要是压裂产生的裂隙无法控制，煤层厚度约5 m，裂隙无法沟通煤层中下部[5-6]。

基于上述原因，提出顶板定向梳状长钻孔分段水力压裂技术，即在煤层顶板施工主孔，每间隔一段，施工一段分支钻孔，分支钻孔穿入煤层中，多分支梳状钻孔压裂工艺能够避免顶板拖动式不开分支工艺压裂效果存在裂隙延展方向不定、裂缝闭合等问题[7-10]。

在桑树坪煤矿二号井南轨道大巷开拓方向开展定向多分支梳状钻孔压裂增透抽采试验，采用前进式开分支方式，设计主孔最终下扎并揭露3号煤层，以区域性增加煤层内部瓦斯运移通道和煤层透气性，提高煤层瓦斯抽采效率，为韩城矿区瓦斯高效抽采提供技术支撑。

1 顶板定向梳状长钻孔分段水力压裂技术原理

为了解决松软煤层抽采钻孔成孔困难，无法应用定向钻孔抽采瓦斯的难题，设想从煤层顶板施工定向钻孔，为了实现定向长钻孔和煤层之间的裂隙导通，再结合水力压裂增透强化抽采技术，顶板定向长钻孔分段压裂技术如图1所示。但该技术产生的导通裂缝无法控制，对于厚度较大的煤层，煤层下部和主孔抽采通道联通较少，往往造成中下部煤层抽采效果较差。

图1 顶板定向长钻孔分段压裂技术示意

为改进上述技术，提出梳状定向钻孔分段压裂瓦斯抽采技术，即在目标层上、下较稳定的岩层中施工水平定向长钻孔，间隔一定距离施工分支钻孔深入到煤层中，分段进行水力压裂，通过分支钻孔将水力压裂的压力导入到煤层中，从而在煤层中形成压裂改造缝网，提高抽采效率。顶板定向梳状钻孔分段压裂技术如图2所示。

图2 顶板定向梳状钻孔分段压裂技术示意

2 顶板定向梳状钻孔设计

2.1 顶板梳状压裂钻孔方案优选

施工点(开孔点)为南轨道大巷距巷口264 m处，研究区为开孔点沿巷道开拓方向500 m范围；实测3号煤层坚固性系数(f值)为0.54～0.57、原始煤层瓦斯含量9.81 m3/t。

施工区域3号煤层整体为“先上后下”形态，且大部分区域煤层处于下行阶段，根据当前煤矿井下水力压裂技术、工艺及装备现状，初步设计沿南轨道大巷开拓方向实施定向多分支梳状钻孔1个，采用前进式开分支方式，设计主孔最终下扎并揭露3号煤层。基于此，提出2种主孔钻孔布置方式，即压裂孔主孔为上向或近水平(设计1)和主孔轨迹距3号煤层顶板5 m以内施工(设计2)，如图3所示。

图3 南轨道大巷压裂钻孔设计

设计1优点是近水平倾角，利于排水排渣和瓦斯抽采；易于开分支，钻孔施工难度相对较小；分支孔导向压裂、压裂风险小；缺点是不再进行层位控制；主孔距离煤层较远(最大约19 m)。设计2的优点是主孔距离煤层近，层位易控制；可适当增加顶板压裂效果；缺点是下向孔(落差15 m)，不利于排水排渣和瓦斯抽采；钻孔施工与开分支难度大；压裂时容易出现串孔、风险高。总体分析对比，认为设计1有利于排水排渣及瓦斯抽采、整体优势显著，故采用设计1作为本课题主孔布置方案。

2.2 顶板梳状压裂钻孔设计

根据钻孔设计方案，设计压裂钻孔1个，主孔长度510 m，主孔施工层位为3号煤层直接顶岩层、保持主孔倾角为上向孔或近水平；结合前期在桑树坪二号井北轨道大巷已实施的定向长钻孔水力压裂施工，优化定向长钻孔水力压裂工艺，通过前期压裂研究表明水力压裂影响半径可达35 m，为了保障水力压裂的均衡性，设计每隔60 m开分支，所有分支孔需揭露目标煤层，初步估算钻孔总进尺826 m。钻孔结构采用二开设计，一开钻孔孔深60 m，直径为193 mm，成孔后下入φ127 mm套管，二开钻孔直径为98 mm。钻孔布置平面剖面如图4所示，钻孔参数见表1。

图4 南轨道大巷梳状分支钻孔布置

表1 钻孔设计参数

3 顶板梳状分支水力压裂效果分析与评价

3.1 顶板梳状钻孔竣工情况

压裂孔于2020年4月4日中班施工，至2020年5月26日夜班终孔，终孔孔深为486 m，总进尺921 m(含分支孔)，共施工43 d；其中施工分支孔5个：分支孔1(78～174 m)、分支孔2(138～225 m)、分支孔3(195～276 m)、分支孔4(255～321 m)、分支孔5(323～429 m)。梳状钻孔轨迹如图5所示。

图5 梳状钻孔实钻轨迹平剖面

3.2 顶板梳状钻孔压裂情况

于2020年5月28日开始压裂注水，至2020年6月6日完成所有压裂施工作业，进入保压状态。整个压裂孔分6段进行压裂，泵注压力分布于12.6～18.5 MPa之间，压裂液单段用量为121～786 m3，总用量为1 586 m3。进行第2段、第3段压裂时出现分支压串现象，遂对2#分支及3#分支进行了整体压裂。水力压裂施工参数见表2。

表2 水力压裂施工参数

3.3 水力压裂效果分析与评价

从水力压裂注水情况分析，本次压裂孔共分6次进行压裂施工，5次分段压裂及1次钻孔整体压裂，进行第2段、第3段压裂时出现分支压串现象，遂对2#分支及3#分支进行了整体压裂。

以第3段压裂为例，本段注水时间约6 h，累计压裂液用量121 m3，最大泵注压力15.9 MPa。曲线如图6所示，压力曲线整体呈锯齿状上下波动，局部存在多次较小压降，压力变化程度最大0.61 MPa。随着前期压裂水的不断注入，压裂液(清水)能量的不断积聚，岩层抵抗失效，主裂隙迅速扩展，岩层裂隙中的自由空间增大，注入水压力有所下降，孔内产生较大裂隙，压裂清水在该裂隙系统中延深、扩展。

图6 泵注压力曲线(4#分支孔压裂)

采用瞬变电磁工程探测了南轨道大巷3号煤层顶板压裂孔水力压裂钻孔斜深方向60～387 m探测范围。孔内瞬变电磁探测结果表明：在探测区域内，60～215 m异常区段压裂影响半径整体均达到27 m，其中1号异常区段(78～108 m)、2号异常区段(110～123 m)、3号异常区段(165～198 m)富水性较强(颜色较深，颜色越倾向于蓝色，说明富水性越强)，压裂影响范围均达到35 m(受探测设备能力所限)；在215～360 m异常区段压裂影响半径整体均达到15 m以上，其中4号异常区段(218～242 m)、5号异常区段(263～291 m)、6号异常区段(312～348 m)压裂影响半径达到35 m；360～387 m异常区段压裂影响半径整体均达到22 m，其中7号异常区段(351～381 m)压裂影响半径达到35 m，以上7个富水性较强异常区段均与实际压裂点存在良好对应关系。同时，沿钻孔方向不存在压裂空白区，说明每隔60 m开分支是可行的。

南轨道大巷压裂孔数据从6月21日开始，7月6日入井排查管路后，协调矿方处理漏气、管路连接错误等问题，实测孔口瓦斯浓度62%；7月14日再次入井排查，处理漏气等问题后，协调矿方重新标校自动监测装置，实测孔口瓦斯浓度45%；稳定监测期间，截至9月2日，钻孔瓦斯抽采浓度为21.1%～68.8%、平均浓度48.5%，平均抽采纯量1.6 m3/min，抽采曲线如图7所示。相较于北轨道大巷试验的顶板定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采纯量0.6 m3/min，提高1.7倍。

图7 南轨道大巷瓦斯抽采监测数据

4 结论

(1)提出顶板定向梳状长钻孔分段水力压裂抽采技术，“主孔近水平、多分支梳状孔”的布孔方法和钻探施工工艺，适用于桑树坪二号井3号煤层瓦斯地质赋存条件。

(2)现场完成1个定向长钻孔施工，主孔长度486 m、总进尺921 m(含分支孔)，孔径98 mm，其中施工分支孔5个，共进行单孔6段压裂施工，泵注压力12.6～18.5 MPa，压裂液单段用量121～786 m3，总用量1 586 m3。

(3)通过孔内瞬变电磁测试得出水力压裂半径达35 m以上，瓦斯抽采浓度21.1%～68.8%(平均浓度48.5%)，平均抽采纯量1.6 m3/min。相较于北轨道大巷试验的顶板定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采纯量0.6 m3/min，提高1.7倍。针对桑树坪二号井3号煤层瓦斯地质赋存条件，松软厚煤层顶板定向梳状多分支孔钻探与压裂工艺实施效果优于不开分支或少开分钻孔。