趙學(xué)良

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

兩淮、重慶、云貴等礦區(qū)[1-4]煤層松軟、透氣性差，瓦斯含量及壓力大，通過底抽巷施工穿層鉆孔，并在底抽巷內(nèi)布置壓裂設(shè)備進(jìn)行煤層水力壓裂，取得了較好的效果。在晉城礦區(qū)，通過地面壓裂[5-6]對煤層增透，地面壓裂發(fā)揮場地優(yōu)勢，排量大、壓裂影響范圍廣。地面壓裂后采用正壓排采的方式開發(fā)利用煤層瓦斯，井下壓裂進(jìn)行的是小排量、分段壓裂，壓裂后采用的是負(fù)壓抽采瓦斯[7-10]。以寺河礦廢棄預(yù)抽井為壓裂通道，通過耐高壓管路連接地面大型壓裂設(shè)備對井下100～150 m鉆孔進(jìn)行一次性整段壓裂試驗，驗證井地聯(lián)合壓裂技術(shù)可行性。

1 井地聯(lián)合壓裂區(qū)域及技術(shù)概況

寺河礦西井區(qū)煤層絕對瓦斯涌出量10.9～22.8 m3/min，在開采煤層的下部10 m布置巖巷，在巖巷鉆場內(nèi)使用千米鉆機向上施工鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽以掩護(hù)上部煤層巷道掘進(jìn)。為了提高瓦斯抽采效率，復(fù)用該區(qū)域已經(jīng)廢棄的地面預(yù)抽井，在地面預(yù)抽井及巖巷內(nèi)布置壓裂管路，連接地面壓裂設(shè)備與本煤層長鉆孔，對煤層長鉆孔進(jìn)行壓裂。井地聯(lián)合壓裂系統(tǒng)示意圖如圖1。

2 井地聯(lián)合壓裂關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1 壓裂裝備及材料介紹

煤層的起裂壓力一般為20～30 MPa，井地聯(lián)合壓裂管路長，局部阻力及摩擦阻力大，對地面壓裂設(shè)備能力及連接管路要求高，所選的壓裂裝備及管路參數(shù)見表1和表2。

圖1 井地聯(lián)合壓裂系統(tǒng)示意圖

表1 壓裂及輔助設(shè)備車輛名稱及數(shù)量

表2 耐高壓管路技術(shù)參數(shù)

2.2 井下長鉆孔施工及封孔工藝

在煤層下部巖巷使用千米鉆機向上施工穿層鉆孔進(jìn)入待開采煤層。

1）鉆孔具體施工過程。直徑165 mm組合鉆頭開孔至12 m，然后退桿→直徑200 mm鉆頭擴孔至4 m→孔內(nèi)放入直徑193 mm封孔管、注漿封孔、水泥凝固后安裝防噴孔裝置→直徑99 mm鉆頭正常鉆進(jìn)至鉆孔設(shè)計深度→直徑165 mm鉆頭擴孔至鉆進(jìn)深度。鉆孔施工區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，并考慮與其他鉆孔的距離，確保壓裂時不串孔、不卸壓、不壓穿。

2）鉆孔內(nèi)下管及封孔過程。鉆孔分為巖孔段和煤孔段，為確保鉆孔壓裂時不漏液，確定鉆孔的封孔長度為65 m，壓裂鉆孔內(nèi)下入65 m長的直徑89 mm耐高壓管，單根耐高壓管長度為4 m，采用接箍連接，為保證孔內(nèi)管路的居中度及管路的順利移動，管路最前端安裝穩(wěn)斜，每4 m安裝1個直徑153 mm的扶正器，φ20 mm注漿管隨耐高壓管一起下入孔內(nèi)（注漿管共下2根，30 m 1根、60 m 1根）。注漿順序：先進(jìn)行30 m注漿管注漿，待60 m的注漿管返漿后，再進(jìn)行60 m注漿管進(jìn)行注漿，直至直徑89 mm耐高壓管返出漿為止。

2.3 高壓管路對接工藝

1）孔口裝置安設(shè)及管路安裝。封孔水泥漿凝固后，接孔口裝置。壓裂過程中通過不同的閥門組合控制壓裂過程，壓裂孔口閥門連接示意圖如圖2，1#閥門用于控制長鉆孔施工過程中及完成后與抽采系統(tǒng)的連接，3#閥門控制壓裂后排液，4#閥門連接壓力表，2#閥門、5#閥門控制著壓裂鉆孔與壓裂系統(tǒng)的對接。壓裂前，2#閥門關(guān)閉，1#閥門打開并連接抽采系統(tǒng)，壓裂過程中，1#閥門和3#閥門關(guān)閉，2#閥門、4#閥門、5#閥門打開，監(jiān)測壓裂過程中的孔口壓力；壓裂完成后保壓，待管內(nèi)壓力降到一定程度，打開3#閥門排液；排液完成后，撤掉3#閥門、4#閥門、5#閥門，1#閥門、2#閥門接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采。

圖2 壓裂孔口閥門連接示意圖

2）管路固定。為防止高壓壓裂過程中管路晃動，直井段管路通過水力錨及封隔器固定，巖巷段管路每隔一定距離用地錨固定，巖孔段管路通過長距離封孔來保壓及固定。在管路拐彎的地方，通過一定角度的耐高壓彎頭對接，減小摩阻并提升拐彎處抗壓能力。

2.4 井地聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)本次壓裂特點，在地面與井下都布置有微震監(jiān)測點，在壓裂過程中進(jìn)行井地聯(lián)合微震監(jiān)測，提高微震監(jiān)測定位精度。此次微震測點的布置原則主要包括：①地面觀測點以壓裂為中心，布置網(wǎng)狀觀測網(wǎng)絡(luò)，觀測點的平面范圍盡可能包圍破裂位置；②在地面應(yīng)根據(jù)實際情況，盡可能多地布置觀測點；③地面觀測點盡量選擇在基巖出露的溝谷地方，減少地面低速帶影響，減小微震波能量損失；④地面觀測點盡可能布置在不同的高程上。

為確保各頻率段的微震信號都被接收，選擇3個頻段的縱波檢波器進(jìn)行對比，分別是10 Hz高靈敏度檢波器、4.5 Hz縱波檢波器、100 Hz縱波檢波器，在每個觀測點均安裝3種檢波器。

地面檢波器采用埋置的安裝方法，在每個物理觀測點挖1個約0.5～1.5 m深的土坑，將3種檢波器（YTZ3-Z礦用本安型地震數(shù)據(jù)采集儀）插入坑中，再用土將檢波器埋實，與微震采集站（ZTG3-Z三分量傳感器）連接好。井下檢波器采用錨桿連接安裝法，檢波器通過檢波器轉(zhuǎn)接頭與錨桿連接，錨桿相當(dāng)于檢波器尾椎。

3 2 次井地聯(lián)合壓裂試驗及效果考察

為驗證井地聯(lián)合壓裂系統(tǒng)可靠性，第1次壓裂采用的是清水壓裂，在第1次成功壓裂的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了第2次加砂壓裂。

3.1 壓裂過程分析

第1次壓裂壓裂鉆孔巖層段長度92 m，煤層段長度為102 m。第1次壓裂曲線如圖3。

圖3 第1次（清水）壓裂曲線圖

由圖3可知：地面泵車啟動7 min后，壓力上升至13.3 MPa，排量上升至4.09 m3/min，此時煤層破裂。在壓裂穩(wěn)定階段，壓裂壓力（平均值）經(jīng)過15.52、17.87、19.93 MPa 3個顯著變化階段，排量隨之經(jīng)過4.05、4.56、4.99 m3/min 3個顯著變化。整個壓裂過程持續(xù)210 min，有效壓裂過程140 min，累計壓入液量623.25 m3，壓裂系統(tǒng)穩(wěn)定。

第2次壓裂鉆場與第1次壓裂鉆場之間相距270 m，避開了第1次壓裂的影響范圍，第2次壓裂鉆孔巖層段長度90 m，煤層段長度為150 m。第2次壓裂曲線如圖4。

圖4 第2次（加砂）壓裂曲線圖

由圖4可知：地面泵車啟動11 min后，壓力上升至17.49 MPa，排量上升至4.59 m3/min，煤層破裂。26 min后壓力上升至22.96 MPa，排量上升至5.26 m3/min，壓裂過程穩(wěn)定。壓裂至112 min，開始加砂作業(yè)，平均砂比從3.66%分階段穩(wěn)定提升至12.2%。整個壓裂過程持續(xù)215 min，有效壓裂過程190 min，累計壓入液量998.67 m3，壓入砂量35.89 m3，壓裂系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 壓裂影響范圍的確定

根據(jù)測點布置原則，結(jié)合測區(qū)的實際地形、地物條件，第1次壓裂監(jiān)測一共布置物理測點24個，其中地面16個，井下8個。地面測點采用G838手持亞米級高精度GPS數(shù)據(jù)采集器測量各物理點坐標(biāo)，井下巷道內(nèi)測點采用卷尺測量。第2次壓裂監(jiān)測一共布置物理測點24個，其中地面13個，井下11個。

通過井地聯(lián)合微震監(jiān)測，第1次壓裂影響范圍：以壓裂中心，東西延伸約110 m，南北延伸約80 m，高差約10 m，主要分布在煤層中。第2次壓裂的影響范圍：東西延伸約117 m，南北延伸約258 m，高差約15 m，主要在煤層中。

3.3 壓裂區(qū)域抽采效果分析

第1次壓裂完成后，在壓裂影響區(qū)域內(nèi)只有壓裂鉆孔1個抽采鉆孔；第2次壓裂完成后，分別在距離壓裂鉆孔40、110 m的煤層中施工1#抽采孔和2#抽采孔，第2次壓裂影響范圍內(nèi)共計施工鉆孔煤層段長度為390 m。在未壓裂區(qū)域施工1個對比孔，對比孔煤層段長度470 m。將各鉆孔接入抽采系統(tǒng)，各鉆孔的百米鉆孔抽采數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 鉆孔抽采數(shù)據(jù)對比表

由表3可知：未壓裂煤層中百米鉆孔抽采量0.74 m3/min，抽采濃度49.3%。第1次壓裂鉆孔百米鉆孔抽采量是未壓裂煤層的5.22倍，達(dá)到3.86 m3/min，抽采濃度提高了0.2倍，達(dá)到59.3%；第2次壓裂（加砂）區(qū)域內(nèi)百米鉆孔抽采量是未壓裂煤層的7.01倍，達(dá)到5.19 m3/min；抽采濃度提高了0.44倍，達(dá)到71.13%。除此之外，壓裂區(qū)域的鉆孔有效抽采時間延長，鉆孔抽采總量相應(yīng)地提高3.08～17.4倍，壓裂后抽采效果比未壓裂好。第2次壓裂區(qū)域內(nèi)百米鉆孔抽采量是第1次壓裂區(qū)域的1.34倍，抽采濃度提高20%，說明加砂壓裂比清水壓裂效果更好。第2次壓裂區(qū)域范圍內(nèi)，距離壓裂鉆孔越遠(yuǎn)鉆孔抽采效果越好，說明壓裂過程存在水驅(qū)氣現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）合理選擇壓裂設(shè)備及管路，在壓裂過程中，在最高壓裂壓力22.96 MPa，最大排量5.36 m3/min，最大砂比12.2%條件下，整個壓裂過程穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)管路漏液等意外狀況，證實井地聯(lián)合壓裂的可行性。

2）通過井地聯(lián)合微震監(jiān)測，得到2次壓裂影響范圍。

3）通過分析各鉆孔的百米鉆孔抽采量、平均抽采濃度、累計抽采量、抽采時間4個指標(biāo)，得到壓裂區(qū)域鉆孔抽采效果遠(yuǎn)優(yōu)于未壓裂區(qū)域，加砂壓裂區(qū)域鉆孔抽采效果優(yōu)于清水壓裂區(qū)域鉆孔抽采效果。