深部礦井定向水力壓裂高效抽采裝備及現(xiàn)場試驗

　　近年來，礦井開采活動的深度不斷增加，礦井瓦斯涌出量逐年增大，致使礦井面臨極大的安全生產(chǎn)威脅。近年來形成卸壓增透強(qiáng)化瓦斯釋排采的技術(shù)理論及實踐，相同時間內(nèi)可以有效釋放圍巖應(yīng)力、增大增強(qiáng)瓦斯抽采體量[1]。水力致裂技術(shù)最早應(yīng)用在石油工程領(lǐng)域，近十年來水力壓裂技術(shù)也多應(yīng)用于礦井頂板致裂、瓦斯卸壓增透抽采[2]。其中定向水力致裂技術(shù)已成為處理硬煤硬頂、沖擊地壓防治、瓦斯高效抽采的重要手段[3-8]。實踐表明:我國高瓦斯突出礦井進(jìn)行了大量水力壓裂試驗并取得了一定的效果[9-10]。水力壓裂抽采瓦斯的本質(zhì)是通過高壓水注入瓦斯集中區(qū)域，擴(kuò)展周圍巖體的裂隙，利用瓦斯游離特性將瓦斯排出[11-12]。黃陵礦區(qū)為煤層瓦斯與油型氣雙重威脅的高瓦斯礦井，近年來出現(xiàn)了多次頂?shù)装逵托蜌猱惓Ｓ砍霈F(xiàn)象，最大涌出量達(dá)21萬m3，涌出時間持續(xù)約1個月。這已成為影響礦井安全高效開采的頭號隱蔽致災(zāi)因素，礦井瓦斯治理難度大。為此，以黃陵二號煤礦為工作背景，開展深部礦井定向鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)試驗，對指導(dǎo)安全開采至關(guān)重要。

　　1工程背景

　　1.1礦井賦存條件及生產(chǎn)概況

　　黃陵二號煤礦主采延安組2號煤層，平均埋深620m，為穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層;煤層平均傾角2°，黃陵二號煤礦絕對瓦斯涌出量為67.17～87.89m3/min，相對瓦斯涌出量為3.90～5.47m3/t。根據(jù)《陜西省瓦斯地質(zhì)分區(qū)圖》，黃陵礦區(qū)位于渭北斷隆高瓦斯帶內(nèi)，屬高瓦斯區(qū)。井田內(nèi)有46個鉆孔有油氣顯示，有天然氣噴出或煤成氣逸出，從瓦窯堡組、富縣組、延安組到直羅組上、下段的砂巖中均有油氣發(fā)現(xiàn)，屬于煤、油氣共生礦區(qū)。

　　礦區(qū)范圍內(nèi)連續(xù)性較好的巖儲集層共4個，分別為直羅砂巖含氣層、延安組第2段含氣層、富縣組含氣層、瓦窯堡組含氣層。4個含氣層也分別稱之為頂部、頂板、底部含氣層。目前回采209工作面，東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰207采空區(qū)，東北部緊鄰211工作面。工作面設(shè)計傾向長度約300m，走向長度4500m，209工作面日推進(jìn)8刀(7.2m)，選用ZY10000-23/45D掩護(hù)式液壓支架;沿底板進(jìn)行后退式走向長壁回采，老空區(qū)頂板采用全部垮落處理。

　　1.2礦井抽采現(xiàn)狀

　　209工作面回采效率高、接續(xù)時間緊，導(dǎo)致工作面瓦斯預(yù)抽時間短、鉆孔工程量大，需要采取煤層強(qiáng)化抽采措施，以減少鉆孔施工量或縮短抽采時間，提高瓦斯抽采效率。然而，由于油型氣儲集層孔隙度小、滲透率低，故抽采效果不盡人意，主要存在兩方面因素。一方面抽采鉆孔油型氣衰減快，抽采幾天后，鉆孔內(nèi)不再有氣體涌出，但在工作面回采期間受采動影響，鉆孔內(nèi)又有大量油型氣涌出，工作面回采依然受到油型氣威脅;另一方面，密集鉆孔存在鉆孔影響范圍小、鉆孔施工工程量大、成本高、鉆孔利用率低、施工周期長等問題，增加了煤炭開采成本。

　　2壓裂施工設(shè)計及設(shè)備選型

　　2.1裂方式確定

　　根據(jù)209工作面地質(zhì)條件及生產(chǎn)情況，采用“煤層+底板”定向抽采技術(shù)。2號煤層鉆孔采用整體壓裂方式;考慮3號煤層與2號煤層間距較小，利用分支孔形成起裂導(dǎo)向，2號煤層底板鉆孔選擇梳狀長鉆孔分段水力壓裂方式進(jìn)行。同時考慮到工作面回采期間安全問題，煤層壓裂鉆孔采用封隔器裸眼快速封孔工藝，封孔深度80m;底板壓裂封孔方式采用“套管+封隔器”封孔方式，套管深度60m。為避免壓裂液污染煤層，選擇清水作為水力壓裂液。

　　2.2煤層破裂壓力及壓裂液用量確定

　　煤層破裂壓力通常采用地面鉆孔注入/壓降試井測試方法進(jìn)行直接測定。試驗區(qū)煤層平均破裂壓力梯度范圍1.190×10-2～3.849×10-2MPa/m，壓裂施工區(qū)2號煤層平均埋深620m，計算得2號煤層破裂壓力7.5～24.3MPa。依據(jù)煤層厚度、孔隙率、壓裂影響范圍等參數(shù)計算壓裂液用量，設(shè)計煤層孔壓裂液用量240m3，底板孔壓裂液用量770m3。

　　2.3采設(shè)備確定

　　2.3.1設(shè)備選型

　　選用中煤科工集團(tuán)的BYW65/400型壓裂泵組。水力壓裂成套設(shè)備由壓力泵、水箱、高壓管匯、遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)等組成，具有壓力高、流量穩(wěn)定、可遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行時間長等特點(diǎn)，可保證施工過程中工作人員的安全。為了保證水力壓裂封孔效果，采用井下水力壓裂快速封孔裝備。該裝備能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的封孔效果，提高施工效率，并且具有壓裂后可取出重復(fù)利用等特點(diǎn)。

　　2.3.2設(shè)備組成包括壓裂管柱、封隔器、壓差滑套、單流閥和引鞋5個部分。壓裂管柱高壓管柱采用31/2加厚油管加工，外徑89mm，內(nèi)徑58mm，單根長度3.0m。封隔器根據(jù)鉆孔孔徑和壓裂工藝選擇封隔器，選其總長為1620mm，最大外徑為86mm，通徑為50mm，工作壓力達(dá)70MPa，耐溫能達(dá)到120℃。壓差滑套壓差滑套總長為460mm，最大外徑為96mm，通徑為42mm，工作壓力達(dá)70MPa，耐溫能達(dá)到120℃。單流閥單流閥總長為269mm，最大外徑為96mm，通徑為35mm。引鞋引鞋單件總長為179mm，最大外徑為105mm，工作壓力小于70MPa。

　　3水力壓裂施工方案

　　3.1水力壓裂工程施工流程

　　水利壓裂施工包括壓裂前準(zhǔn)備和水力壓裂施工2個過程。壓裂前準(zhǔn)備，包括壓裂場地布置、壓裂用電器設(shè)備配備、井下供水、供電、通風(fēng)、壓裂設(shè)備進(jìn)場組裝、壓裂設(shè)備試車等;編制水力壓裂安全技術(shù)措施;水力壓裂工程施工，包括送工具串(含封隔器、滑套工具)、孔口設(shè)備安裝、壓裂鉆孔封孔、壓裂設(shè)備操作流程、壓力、流量監(jiān)測、巷道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、壓裂結(jié)束判識等。

　　3.2水力壓裂位置確定

　　根據(jù)現(xiàn)場情況，水力壓裂泵組平臺位于209輔運(yùn)巷5號與6號鉆場之間，后期由于209輔運(yùn)巷3號煤鉆場施工。2020年3月23日開始壓裂施工，2020年6月6日完成5個本煤層壓裂孔及1個底板壓裂孔施工。

　　3.3本煤層水力壓裂方案本煤層水力壓裂采用“裸眼坐封水力壓裂工藝技術(shù)”，在不下入套管的前提下，設(shè)計鉆探軌跡、跟蹤采樣，成孔后分析最佳坐封位置進(jìn)行裸眼坐封，實踐證明坐封效果良好。本煤層設(shè)計6個鉆孔，1個為煤層孔，5個為頂板孔。

　　3.4底板分段水力壓裂方案

　　底板孔共設(shè)計267m，分4段進(jìn)行壓裂。根據(jù)分段鉆孔軌跡及鉆探施工情況，采用“單封雙卡”拖動式分段壓裂技術(shù)。底板孔分段壓裂設(shè)計。

　　4現(xiàn)場施工及效果檢驗

　　4.1場施工情況

　　在209工作面5-6聯(lián)巷內(nèi)鉆場進(jìn)行本煤層及底板壓裂抽采技術(shù)，本煤層及底板壓裂鉆孔分別采用整體壓裂和分段壓裂。其中設(shè)計水力壓裂煤層及底板鉆孔分別為5個和1個，對應(yīng)編號為M5、M6、M1、M2、M3和D1。通過連續(xù)統(tǒng)計，煤層壓裂高壓力處于7.8～19MPa之間，壓裂液總用量1557.5m3;底板孔最高注水壓力22MPa，壓裂液用量775m3。

　　4.2采效果M5壓裂孔各時間段水樣特征，根據(jù)M5孔連續(xù)抽采1h的水樣可以看出，抽采出的水經(jīng)歷了“清水—渾濁—含雜質(zhì)渾濁—清澈”4個階段。同時檢測排水過程中煤層壓裂孔均出現(xiàn)瓦斯涌出濃度較高(大于1%)的情況，說明壓裂效果良好。通過高壓將抽采區(qū)域的瓦斯吸出，抽采出水樣顏色達(dá)到透明時逐漸降低抽采壓力，分別連續(xù)抽采1h后，孔內(nèi)壓力經(jīng)歷了“壓力驟降—壓力緩慢下降—壓力平穩(wěn)”3個階段。以M2號壓裂孔為例，M2瞬時停泵壓力8.4MPa，65min后降為5.8MPa，截至下一工作日16:00，壓力降低至1.2MPa，此后一 直穩(wěn)定在1.2MPa。通過探測可知，頂?shù)装�、煤層瓦斯含量分別減少了40%、68%，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低了41%，表明施工效果達(dá)到了預(yù)期。

　　5通過對二號煤礦地質(zhì)條件的觀察及生產(chǎn)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)209工作面共有4個完整的儲氣巖層。提出并試驗“煤層+底板”定向抽采技術(shù)，煤層采用整體壓裂方式，底板采用分段水力壓裂方式，并最終確定出具體壓裂參數(shù)。通過在井下現(xiàn)場試驗，各孔連續(xù)抽采1h內(nèi)水樣經(jīng)歷了4種變化特征，樣水清澈后調(diào)整鉆孔相適應(yīng)的壓力，保證抽采的連續(xù)性。通過對不同區(qū)域的瓦斯監(jiān)測，瓦斯?jié)舛绕骄?降低了50%，達(dá)到了預(yù)期效果。該方法在礦井內(nèi)具有推廣價值，有助于保證礦井的安全生產(chǎn)。

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