“五步法”松软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工应用研究

张翠兰 周俊杰 余正敖 向沉浅

(重庆市能源投资集团科技有限责任公司, 重庆 400061)

我国煤炭矿藏普遍存在煤层地质赋存条件差、硬度低、瓦斯含量高和透气性弱等特点，大部分煤层为较难抽采煤层。由于煤层松软，瓦斯抽采钻孔时易引发塌孔、喷孔、卡钻等故障，很难达到抽采钻孔的设计要求[1-3]。

高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术具有加强煤体透气性、降低地应力、扩大卸压范围的作用，此技术为低透气性、无保护层开采的突出煤层瓦斯治理提供了新途径[4]。目前实现松软煤层区域有效增透仍是难题，相关研究不多，而通过顶(底)板顺层长钻孔压裂增透来解决顺层抽采难题的研究更少。在此，我们开展松软煤层顶板顺层岩石长钻孔水力压裂施工方法与技术的研究，以求更好地实现松软煤层区域的有效增透。

本次研究中，将分析煤层顶板水力压裂增透机理及煤矿井下多泵并联参数，探讨煤矿井下双泵并联水力压裂工艺。同时，分析煤层和瓦斯赋存条件，在煤层顶板顺层水力压裂长钻孔施工中选用千米定向钻机，精确控制煤层顶板与压裂钻孔的距离，防止松软煤层顺层施钻中出现塌孔故障而影响压裂效果，为顶板顺层长钻孔水力压裂后实现长期高效抽采瓦斯提供技术保障。提出“五步法”软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工方法，并将施工方法应用于山西阳煤集团新元煤矿31009辅助进风巷3#突出煤层增透工程。

1 煤层顶板顺层长钻孔水力压裂增透机理

顺层压裂是指压裂孔与煤层(岩层)近似平行的一种水力压裂方式。在煤层顶板顺层钻取一个或多个压裂孔，将水力压裂系统的注水管放置于压裂孔中，再将压裂孔的孔口密封，然后打开水力压裂系统的水泵，使注水管通过压裂孔向煤层顶板注入高压水，从而完成煤层顶板的压裂作业。通过对煤层顶板进行水力压裂强化增透，使得煤层中的煤层气只需通过扩散方式运移到顶板裂隙中，以气流形式运移到钻孔，最终完成煤层气产出，改善瓦斯抽放效果。

压裂水进入煤层顶板后，先进入较大的层理或切割裂隙，然后进入较小的原生微裂隙和裂隙弱面。裂隙弱面因压裂水对裂隙弱面的内压作用而扩展延伸并相互联接贯通，形成贯通裂隙网络，从而提高煤岩层透气性。压裂施工完成之后排出压裂液，为瓦斯渗流提供通道，增加煤岩层的渗透率，使较远处的瓦斯顺利流入钻孔，起到提高瓦斯抽采率、减少钻孔工程量、缩短抽采时间的作用。

在水力压裂过程中，为了将压裂影响控制在一定范围之内，需要控制高压水的压力和排量，避免出现巷道围岩变形及顶底板管理困难等常规压裂中可能出现的情况，同时还应在压裂影响范围内形成均匀抽采瓦斯的立体通道网络。

2 “五步法”松软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工工艺流程

煤矿井下水力压裂技术研究主要包括压裂条件、压裂方式、压裂孔布置、压裂孔封堵、钻孔压裂和压裂效果检验。目前尚没有关于煤矿井下水力压裂具体技术的国家规范或标准，仅重庆市制定了《煤矿井下水力压裂技术安全规范》地方标准。本次研究中，反复分析论证了水力压裂工艺流程，并结合重庆地区地方标准，提出“探→钻→封→压→检”——“五步法”水力压裂施工工艺。该工艺具体步骤包括压裂区域地质精探、千米钻机定位钻进、承高压孔封堵、压裂和压裂效果检验。在实际应用中可根据现场具体情况论证施工方案后实施。图1所示为“五步法”松软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工工艺流程。

图1 “五步法”松软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工工艺流程

(1) 压裂区域地质精探。由于煤层赋存、地质构造等情况均不确定，无法准确掌握煤层起伏形态。为了使所设计的压裂孔精确位于目的煤层顶板上1 m处，采用千米钻机沿目的煤层顶板钻开1个探测孔，用于探明压裂区域的煤层赋存、地质构造等情况。同时，为了防止压裂液进入探测孔而影响压裂效果，探测结束后对探测孔采用水泥砂浆进行全孔封闭。

(2) 千米钻机定位钻进。根据孔探测的煤层产状，在煤层顶板上1 m处采用千米钻机进行压裂孔定向施工。根据生产需要，压裂孔的孔深可设定为100～500 m。

(3) 承高压钻孔封堵。采用无缝钢管和水泥砂浆封堵压裂钻孔，为保证压裂时不发生渗漏，封孔长度应不小于60 m。封堵时，对孔口段进行扩孔，采用聚氨酯化学材料实施封堵。在孔口段封堵过程中，下管完成后在距孔口3.0 m处实施封堵；在距孔口2.0～3.0 m处采用棉纱加聚氨酯化学材料实施封堵；在距孔口0.5～2.0 m处采用水泥砂浆封堵；在距孔口0.5 m处采用聚氨酯化学材料和水泥砂浆实施封堵。完成孔口封堵后，对压裂孔注浆封孔，水泥砂浆和聚氨酯化学材料需要凝固72 h，通过压裂管返浆，水泥砂浆封堵距离煤层顶板1 m以外。完成注浆后，用高压水清洗压裂管内的水泥浆液。

(4) 实施水力压裂。现场实施水力压裂前，根据公式计算出水力压裂煤体破裂时的泵注压力和需要压入的水量。煤体破裂时的破裂压力(即泵注压力)为煤体破裂压力和管道摩阻之和，总注水量为注水影响体的体积与孔隙率的乘积。根据计算结果，对2台压裂泵组进行并联以协调压裂作业。2台压裂泵组分别用高压胶管连接至孔口位置，在孔口处设置1个并联三通，将2台泵组的高压水力并联后输入压裂孔内，2套压裂管路系统中各设置1个单向阀。

(5) 压裂效果检验。为有效判定压裂范围，采用瞬变电磁法和钻探法对水力压裂有效范围进行验证，并确定水力压裂有效半径。

3 工艺应用

3.1 新元煤矿概况

山西新元煤矿为突出矿井，目前正在开采3#煤层。3#煤层为突出煤层，其中瓦斯含量平均达14.89 m3t，局部区域瓦斯含量可达18 m3t，瓦斯压力达到2.44 MPa，透气性系数为0.017×10-3μm2，硬度小于0.4。这些数据表明，3#煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大，透气性差。新元煤矿31009辅助进风巷沿3#煤层顶板由东向西掘进，对应地面标高为1 104.87 m，井下标高为486.00 m，埋深为618.87 m，煤层倾角一般为2° ～ 4°(平均3°)。在对该煤层进行采掘作业前，必须先进行瓦斯抽采。当使用常规抽采技术预抽3#煤层瓦斯时，抽采达标时间较长，瓦斯预抽达标非常困难，突出情况较严重。

针对新元煤矿瓦斯治理当中存在的问题，将“五步法”软煤层顶板顺层岩石长钻孔水力压裂施工方法应用于现场。

3.2 压裂实施情况

本次顶板顺层长钻孔水力压裂技术应用中，共完成2个探测孔、2个辅助孔和1个压裂孔的施工。其中，探测孔施工完成后对全孔进行水泥砂浆封闭；辅助孔的孔口段封孔深度为30 m；压裂孔的孔深为174 m，封堵至3#煤层顶板1 m以外。

对进风巷、31009回风巷回风瓦斯变化情况进行检查，结果显示，压裂钻孔封孔效果较为理想。

在压裂前采用瞬变电磁法，压裂后采用钻探法，对压裂目标区域进行水力压裂有效半径验证。结果显示，水力压裂有效半径为40～50 m。

3.3 应用效果分析

(1) 瓦斯抽采效果。压裂完成后，压裂孔累计抽采时间为77 d，2个辅助孔累计抽采时间均为78 d，3个孔合计抽采瓦斯总纯量为66 790.25 m3。其中，压裂孔瓦斯抽采总纯量为45 893.83 m3，平均抽采瓦斯体积分数为87.85%(最高体积分数为94%)，平均抽采瓦斯纯流量为0.414 m3min，稳定的平均瓦斯抽采纯流量大于700 m3d。表1所示为压裂孔、辅助孔瓦斯抽采数据。

表1 压裂孔、辅助孔瓦斯抽采数据

实施压裂后，压裂孔、辅助孔的平均抽采纯流量均大幅增长。压裂孔的平均抽采纯流量由0.003 m3min增至0.414 m3min，增长了137倍；1#辅助孔的平均抽采纯流量由0.004 m3min增至0.058 m3min，增长了13.5倍；2#辅助孔的平均抽采纯流量由0.006 m3min增至0.128 m3min，增长了逾20倍。 这表明，应用“五步法”压裂工艺能够增强煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。

(2) 瓦斯含量测试。为准确检测压裂前后瓦斯抽采效果，对压裂前后煤层瓦斯含量进行测试。压裂前，测试深度30、45、60 m处对应的原始瓦斯含量分别为15.3、17.1、19.6 m3t(平均原始瓦斯含量为19.6 m3t)；压裂后，测试深度15、25、40 m处对应的抽采后残余瓦斯含量分别为7.1、7.7、7.8 m3t。实施顶板顺层长钻孔多泵并联水力压裂并对煤层进行瓦斯抽采后，测试点所测试的煤层平均残余瓦斯含量下降至7.5 m3t，平均下降了9.8 m3t。结果表明，该技术的应用大幅提升了抽采效率，加速了煤层瓦斯的抽采。

4 结 语

本次研究中，提出并建立了“五步法”软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工方法，优化了压裂工艺。采用千米定向钻机沿煤层顶板实施顺层水力压裂长钻孔作业，将压裂钻孔与煤层顶板的间距精确控制在1±0.2 m，解决了软煤顺层施钻塌孔、压裂效果差的难题。通过顶板顺层长钻孔压裂钻孔封孔工艺研究，优化了封孔装备。应用多泵并联压裂增透技术及工艺，解决了长钻孔压裂流量不足、压裂力小的难题。将瞬变电磁法与钻探法相结合，有效验证了水力压裂范围。

“五步法”软煤层顶板顺层长钻孔水力压裂施工方法应用于新元煤矿，使水力压裂有效半径达40～50 m，增强了松软煤层透气性，提高了瓦斯抽采效率。同时，应用该方法实现了顶板顺层长钻孔水力压裂的长期高效抽采，降低了煤层瓦斯含量，使压裂抽采后煤层平均残余瓦斯含量下降至7.5 m3t，快速消除了掘进过程中瓦斯突出的危险，缩短了瓦斯治理周期。