煤矿井下大直径定向钻进技术在水力压裂中的应用

刘徐三

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

瓦斯抽采是我国区域性瓦斯治理和实现煤与瓦斯共采的关键技术，由于我国煤层透气性普遍较低(透气性系数0.004 ～0.04m2/MPa2·d)[1，2]，抽采钻孔影响范围有限，卸压程度不高，瓦斯抽采效果不够理想，消突周期长，严重制约着矿井的采掘接替。

煤矿井下钻孔水力压裂增透技术[3]是以煤层钻孔为通道，利用专用压裂设备压裂钻孔，施加高压注水，高压水流到达煤体内部后由于通道减少而阻力增加，注入煤层的水压逐渐升高，当孔内压力达到煤层破裂所需的压力时，煤层就会形成不等规则的裂缝[4]，可有效提高其透气性。水力射流冲孔造穴技术[5-10]利用高压水钻头切割和高压水力射流冲刷煤体，形成较大空间的洞室，可有效防止塌孔造成的瓦斯通道堵塞，提高瓦斯抽采效果，广泛应用于松软煤层瓦斯治理。目前，国内外多采用非定向顺层钻孔或非定向穿层钻孔进行水力射流冲孔和水力压裂，钻孔轨迹难以精确控制，存在盲区，且非定向顺层钻孔成孔率低；非定向穿层钻孔在煤层段有效孔段短(煤层段钻孔长度一般不超过10m)。

近年来，煤矿井下定向钻进技术[11，12]广泛应用于全国煤矿井下瓦斯治理、探放水、地质异常体探测等领域，随着技术的不断发展，逐渐形成了顶板高位定向钻孔、顶板梳状定向钻孔、本煤层顺层定向钻孔、底板梳状定向钻孔、底板定向钻孔等多种瓦斯抽采钻进技术及工艺方法，该技术具有钻孔轨迹精准可控、成孔率高、有效距离长等优点。

针对以上问题，本文在借鉴国内外煤矿井下随钻测量定向钻进技术和水力射流冲孔造穴技术优势的基础上，形成一套适合碎软煤层水力压裂大直径定向钻孔的施工工艺技术，有效解决水力压裂钻孔成孔率低、成孔后易塌孔造成钻孔堵塞、有效距离短、压裂后影响范围小、瓦斯抽采效果不明显等问题。

1 大直径水力压裂定向钻进工艺原理

1.1 工艺原理

1)将煤矿井下底板穿层梳状向钻进技术与水力射流冲孔技术相结合应用到大直径水力压裂定向钻孔施工中。为满足分段水利压裂要求，各分支点间距应大于80m；梳状长钻孔水力压裂工艺原理如图1所示，根据水力压裂工艺原理，为满足压裂工具串的顺利下入，采用“前进式”开分支孔技术。因此，首先采用煤矿井下底板穿层梳状定向钻进技术，在碎软、低透气性煤层底板稳定层开孔，以“回转+滑动定向”的复合定向钻进工艺完成护孔套管下入孔段施工，下入护孔套管封孔、注浆、侯凝；然后按设计要求定向钻进至封隔器座封平直孔段，采用 “回转+滑动定向”的复合定向钻进技术完成平直孔段施工，再将大倾角定向钻进至煤层，见煤后顺煤层定向钻进60m，提钻至预留分支点处，开分支继续定向钻进施工，以此循环，直至完孔。

图1 梳状长钻孔水力压裂工艺原理

2)定向钻进完孔后提钻更换水力射流冲孔钻具，对煤层孔段采用“后退式”水力射流冲孔技术进行扩孔，达到水力压裂增透技术要求目标孔径(500mm)。此过程中，由高压水泵站产生的射流经过耐高压胶管和钻杆后到达钻孔前端，在钻杆前端安装射流钻头或钻杆，沿与钻杆径向方向进行环向冲孔破煤。

3)在定向钻进钻遇煤层和水敏性泥岩地层时，使用MZ-1型防塌乳液[13]，利用防塌乳液的抑制性能、护壁性能来避免泥岩水化膨胀造成的缩径、掉块等孔内卡埋钻事故的发生；同时采用快速成孔技术，减少钻孔的施工时间，即减少了泥岩与水的作用时间，避免泥岩水化膨胀造成的孔内事故的发生，快速成孔还能减少对孔壁的扰动和冲刷，有利于维持钻孔孔壁的稳定，提高了该工艺的适应性[14-16]。

1.2 技术特点

与非定向水力压裂顺层钻孔或非定向穿层水力压裂钻孔相比，大直径水力压裂定向钻孔具有以下特点：

1)大直径水力压裂定向钻孔轨迹精确可控，有效孔段长，压裂影响范围大，钻孔施工效率高，能满足瓦斯的集中抽采。

2)水力射流冲孔技术能有效解决大直径钻孔在碎软煤层孔段机械扩孔成孔难的问题；在水力射流冲孔孔段，煤体应力降低，煤体内裂隙导通、孔隙张开，煤层透气性得到大幅度提高，对水力压裂增透技术起到一定的辅助作用；此外，钻孔直径大，大幅度改善了塌孔造成的钻孔堵塞问题。

3)水力压裂强化抽采技术能有效改造煤岩体结构、增加煤层透气性、提高煤层钻孔瓦斯抽采效果，相比其它水力化措施而言，具有影响范围更大、增透效果更明显等显著优势，是一种具有广泛应用前景的井下低透气性煤层增透技术。

2 大直径水力压裂定向钻进工艺技术

以阳煤集团新景煤矿为例，大直径水力压裂定向钻孔开孔位置位于煤层底板下部稳定岩层中，开孔点与煤层间存在砂岩、深灰色泥岩及其互层，煤层底板深灰色泥岩具有极强水敏性，遇水极易发生缩径、坍塌掉块等孔内事故，煤层为松软破碎煤层，极易发生塌孔卡钻等孔内事故。

2.1 钻进工艺

针对以上问题，从开孔、定向钻进和水力射流冲孔三个阶段分析研究，形成了大直径水力压裂定向钻孔成孔工艺技术，如图2所示。

图2 大直径水力压裂定向钻孔施工工艺流程

2.2 开孔

2.3 定向钻进

2.4 水力射流冲孔

3 现场应用

为更好地检验碎软煤层条件下大直径水力压裂定向钻进技术的可行性，在新景煤矿南五底抽巷6#钻场设计施工大直径水力压裂梳状定向钻孔，进行现场试验。

3.1 地层概况

新景煤矿南五底抽巷6#钻场，开孔位于煤层底板，为一层较为稳定的深灰色细粒砂岩，其上部为砂质泥岩，再上部煤层直接底板为灰黑色砂质泥岩，局部地区还相变为灰黑色的细粒砂岩，上部含有较多的植物化石碎片，属根土岩。本层与煤层接触处常有一层0.03～0.05m的粘土层，质较软，与煤层接触光滑，具剪切滑动面，这层粘土层强度很低，遇水极易膨胀；目标3#煤层，主要以亮煤、暗煤和丝炭组成，含有较少的镜煤，f系数为0.39左右，部分区域受到水平构造应力影响，出现底部煤层碎软，呈受揉皱状态，为油脂、土状光泽，手可碾为细末或极小的碎块，煤层柱状图如图3所示。

图3 煤层柱状图

因此，在大直径水力压裂定向钻进时，底板泥岩遇水膨胀易造成钻孔缩径或掉块导致卡埋钻事故；3#煤层松软、破碎以及胶结性差易导致塌孔事故。

3.2 施工设备

3.3 钻孔设计

初步设计施工1个3#煤层底板梳状长钻孔，孔径120mm，主孔孔长540m，共开3个分支孔，第一分支点向北偏移50m，分支孔平面上在主孔两侧穿插布置，偏移主孔10m，分支孔穿过岩层进入3#煤层，在煤层延伸60m后终孔，分支孔开孔点间距120m，前一分支孔终孔点与后一分支孔见煤点间距30m，1#孔钻孔设计如图4所示。

图4 1#孔钻孔设计图

3.4 应用效果分析

3.4.1 钻进情况

试验钻孔以新景煤矿南五底抽巷6#钻场1#钻孔为例，采用大直径水力压裂定向钻进工艺技术于2018年5月进行了现场应用。应用期间共计施工大直径水力压裂定向钻孔1个，主孔深度531m，分支孔3个，累计进尺1046m。具体施工情况见表1，钻孔实钻轨迹如图5所示。

表1 1#钻孔施工情况表

图5 1#大直径水力压裂定向钻孔轨迹

3.4.2 水力压裂情况

钻孔施工完成，调试压裂泵，按照压裂施工方案将压裂工具串组合安装并推送至预定位置，采用不动管柱分段压裂工艺，以清水为压裂液，用20MPa左右压力进行注水压裂，压裂效果见表2。

表2 压裂效果汇总表

3.4.3 瓦斯抽采情况

排水完成后，连接抽采管路，安装CJZ4Z 瓦斯抽放综合参数测定仪，每天24h对钻孔瓦斯抽采参数(瓦斯浓度、瞬时流量、累计抽采量、抽采负压、温度)进行在线监测和现场数据采集。共采集抽采数据30组，累计抽采瓦斯纯量10044.58m3。瓦斯抽采浓度和日均抽采纯量变化曲线如图6所示。

图6 瓦斯抽采浓度和日均抽采纯量变化曲线

从抽采数据来看，抽采最大浓度为7.48%，最小浓度为4.57%，平均为5.22%；抽采流量最大值5.18m3/min，最小值2.25m3/min，平均值4.60m3/min；日均瓦斯抽采量最大值457.41m3/d，最小值171.08m3/d，平均值334.81m3/d。从图6还可以看出，抽采纯量曲线和抽采浓度曲线基本一致。

为了对比分析本次长钻孔水力压裂试验后钻孔瓦斯抽采效果，收集整理了3107底抽巷穿层钻孔的瓦斯抽采数据80组。通过数据分析，抽采流量0.01～0.23m3/min，平均0.08m3/min；日均抽采量2.302～90.72m3/d，平均为16.91m3/d。通过与普通穿层钻孔抽采数据对比分析，压裂增透后，钻孔瓦斯抽采流量提高约5.23 倍。

4 结 论

1)大直径定向钻进开孔采用“回转+滑动定向”的复合定向钻进技术，能有效保证开孔段钻孔轨迹的平直，确保长距离护壁套管的顺利下入。

2)采用底板梳状定向钻孔既能有效保证钻孔在煤层的覆盖率，增加了有效孔段长度，又能解决碎软煤层成孔难的问题。

3)在定向钻进钻遇强水敏性泥岩地层和碎软煤层时，采用快速成孔技术和冲洗液辅助成孔技术能有效保证泥岩和碎软煤层孔段的成孔率。

4)采用水力射流冲孔技术进行扩孔，既能保证水力压裂对煤层孔段钻孔直径的要求，又解决了机械扩孔成孔难的问题。

5)大直径定向钻进成孔质量好，符合水力压裂技术对钻孔的要求。压裂增透后，瓦斯抽采效果提升显著(约5.23倍)。