郭庄矿井下新型水力压裂技术的应用分析.pdf

1882023 年第 8 期收稿日期 2022-12-30作者简介 贾猛（1981），男，山东肥城人，2010 年毕业于山东科技大学测绘工程专业，本科，工程师，研究方向为煤矿地质灾害防治、自然资源勘探。贾 猛：郭庄矿井下新型水力压裂技术的应用分析郭庄矿井下新型水力压裂技术的应用分析贾 猛（山东能源集团有限公司南美公司地矿公司，山东 邹城 273500）摘 要 为了解决郭庄矿综采作业过程中顶板难以自然垮落,给井下综采带来严重安全隐患的难题，提出了一种新型定向长钻孔双封单卡多点拖动分段水力压裂顶板弱化技术，实现对顶板的超前弱化。实际应用表明，该技术能够有效提高坚硬顶板的裂隙发育程度，可将平均来压步距比优化前降低 62.8%，避免了采空区大面积悬顶导致的井下安全事故。关键词 水力压裂；顶板；超前弱化；裂隙发育 中图分类号 TD327.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.060Application and Analysis of New Type Hydraulic Fracturing Technology in Guozhuang MineJia Meng(Shandong Energy Group Co.,Ltd.Nanmei Company Geological and Mining Company,Shandong Zoucheng 273500)Abstract:In order to solve the problem that the roof is difficult to collapse naturally in the operational process of fully mechanized mining in Guozhuang Mine,which brings serious potential safety hazards to the downhole fully mechanized mining,a new type roof weakening technology of directional long borehole,double sealing,single cassette,multi-point dragging and subsection hydraulic fracturing is proposed to realize the advance weakening of the roof.The practical application shows that this technology can effectively improve the degree of fissure development in hard roof,reduce the average weighting step distance by 62.8%compared to before optimization,and avoid downhole safety accidents caused by large area suspended roof in goaf.Key words:hydraulic fracturing;roof;advance weakening;fissure development郭庄煤矿位于山西省长治市屯留县。郭庄矿井下 51928 综采面煤层的平均厚度为 7.3 m，综采面的长度为 133 m，煤层上侧覆基岩的厚度在41188 m 之间，上侧覆岩从切眼到回撤通道处呈现了逐步增加的趋势。该工作面宽 120 m，日平均进尺达 21 m，属于典型的短工作面开采，而且巷道顶板岩层类型主要是砂岩和砂质泥岩，顶板的结构强度较大，属于典型的硬质顶板结构，在开采以后难以进行自行垮落。回采期间综采面的整体推进速度极快。井下回风巷位置接近 F2 断层区域，煤体的破碎度较高，比较容易发生冒顶和片帮事故。目前煤矿对顶板治理的方式主要是爆破法，虽然整体工艺较为简单，但成本和工程量较高，爆破时的危险系数大，难以满足井下作业效率和安全性的需求。因此项目组和中煤科工集团共同开展技术攻关，结合井下地质情况，提出了一种定向长钻孔双封单卡多点拖动分段水力压裂顶板弱化技术1，通过不动管柱投球分段水力压裂和双封单卡拖动管柱分段压裂设备实现快速压裂。该技术能够促使井下顶板及时垮落，消除了顶板事故和瞬间飓风事故，提升了煤矿井下回采的安全性。1 压力层选择及钻孔布置根据煤矿井下地质特性，识别出需要弱化的关键层，然后在关键层上设置预裂切缝并促使顶板在矿压波动或者综采扰动的作用下垮落一定的高度，从而填充满采空区，对井下覆岩进行可靠支撑，减小上覆动载荷效应。井下顶板垮落高度可按式（1）进行计算2。h=M/（Kp-1）（1）1892023 年第 8 期贾 猛：郭庄矿井下新型水力压裂技术的应用分析式中：M 表示综采高度，m；Kp表示井下岩层的碎胀系数；h 为顶板垮落高度，m。由于井下平均的综采高度为 7300 mm，岩石的碎胀系数为 1.34，因此计算出顶板垮落高度需要21.47 m。井下地质状况比较复杂，因此还需要根据井下钻孔柱状，合理地选择综采面的钻孔位置。施工区域，煤层上侧覆基岩的厚度在 41188 m之间。煤层的直接顶是粉砂岩，平均厚度为 10.9 m；基本顶是细砂岩，平均厚度为 12.6 m；直接底是由泥岩和粉砂岩混合构成的，泥岩的平均厚度为6.1 m，粉砂岩的平均厚度为 5.7 m。结合顶板厚度的要求和井下地压显现规律，最终将钻孔层布置到综采面上部的基本顶层的细砂岩内，离煤层顶板约 22.4 m的位置。共布置压裂钻场 1 个，每个钻孔的直径设置为 95 mm，每个钻孔需要直接钻到直接顶内，二开扩孔为 153 mm，然后下入一个长度 11 m 的套管，按照设计轨迹开 95 mm 的钻孔并一直钻进到底。钻场布置在综采面回风巷，共设置一个钻场，3 个钻孔，钻孔的总长为 445520 m 之间。由于井下综采面的长度仅 133 m，是一个短综采面，因此为了加快压裂施工速度，可以在综采面中间位置设计一个钻孔，钻孔的轨迹和两巷的安全距离设置为66 m。井下钻孔剖面如图 1。图 1 井下钻孔剖面示意图（m）2 分段水力压裂施工钻孔设置完成后开始进行水力压裂，水力压裂施工包括了水力压裂准备阶段、水力压裂封孔试压阶段、水力压裂高压注水分段压裂阶段以及最后的停泵回收阶段3。为了提高井下水力压裂效果和可靠性，项目组联合开发了定向长钻孔双封单卡多点拖动分段水力压裂顶板弱化技术，通过不动管柱投球分段水力压裂和双封单卡拖动管柱分段压裂设备4实现快速压裂。在施工时，首先把压裂工具送到钻孔的指定位置，然后通过双封隔器单卡压裂目标层位段，通过在封隔器中设置的平衡卸压通道，实现高压管柱压裂液和封隔器压裂的平衡传递。利用泵对压裂液加压到 3 MPa，然后封隔器完全坐封，继续再把压裂液的工作压力增加到 4.9 MPa，再打开限流器，对预定的压裂段进行施工，完成多拖分压的第一阶段施工，如图 2（a）。在完成第一阶段施工后，关闭压裂泵并完成孔口排水卸压，封隔器在自身作用下回弹到最初的结构状态，然后通过定向钻机把封隔器拖动到第二阶段注浆压裂的位置。同样按第一阶段的压裂工艺流程，完成对此区域内的第二阶段压裂施工，如图 2（b）。（a）多拖分压的第一阶段施工示意图 （b）多拖分压的第二阶段施工示意图图 2 井下单卡多点拖动分段水力压裂流程图3 水力压裂参数分析在井下设置压裂泵工作状态监测系统，对整个水力压裂过程中的工作压力和工作流量进行实时监测5。井下钻场钻孔施工参数见表 1。表 1 钻孔施工参数汇总表钻孔号距离切眼长度/m钻孔控制层钻孔直径/mm钻孔综采长度/m压裂段数1540细砂岩层9644572540细砂岩层9648673540细砂岩层965209以 1 号钻孔为例，对压裂过程中第一段和第三段的压力技术参数进行分析。在压裂过程中的注水压裂和注水量变化情况如图 3。根据监测结果，在钻孔内的封隔器6设置完成后，开始进行注水压裂。当在第一段（313.01318.79 m）水力压裂的压力达到 30.7 MPa 后，压差滑套开始启动，钻孔中开始出现裂纹。在此后的一段时间内水压开始出现波动，表明在压裂过程中钻孔中的裂纹不断的扩展。第一段的整个压裂周期为 91 min，注水量达到了 35.5 m，工作过程中的最大压降为6.3 MPa。在第三段（248.37254.15 m）压裂时，水压最大为 24.7 MPa，最大注水量为 26.9 m，最大压降为 5.2 MPa，整个压裂周期实际为 68 min。通过对第一段和第三段压力参数的分析，表明该压裂方案在井下压裂的稳定性和均匀性较好，有利于1902023 年第 8 期水力压裂缝隙的均匀扩展。（a）注水压裂变化曲线 （b）注水量变化曲线图 3 钻孔过程中压裂参数变化曲线4 水力压裂效果分析为了确定水力压裂的实际工作效果，利用监测传感器7对水力压裂前后液压支架的支护阻力情况及巷道的来压步距进行对比分析。在同一巷道的未治理区域和压裂治理区域液压支架的支护阻力变化情况如图 4。图 4 不同区域支架压裂分布曲线由实际监测结果可知，在未进行水力压裂治理的区域，液压支架的平均工作阻力在 3034 MPa 之间，而采用水力压裂治理后，区域内液压支架的整体工作阻力则降低到了 26.431.6 MPa 之间。液压支架的支护阻力比未采取措施的区域平均降低了10%。由此可知，采用水力压裂治理后能够使井下岩层内的能量获得充分的释放，降低了在来压时的压力冲击强度。同时对未进行水力压裂区域内的来压步距进行分析，其来压步距在 25.934.1 m 之间，平均来压步距为 30 m。当综采面推进到水力压裂区域后，实测其来压步距在 8.713.6 m 之间，平均来压步距为11.15 m，比采取水力压裂前降低了 62.8%，来压步距变化显著。综采面在未进行水力压裂的区域内，液压支架在支护过程中的动载系数在 1.311.53 之间，平均为 1.42，动载系数较大，而且在回采的过程中综采面来压的范围广、反应剧烈。当推进到水力压裂区域后，液压支架在支护过程中的动载系数降低到了0.921.14 之间，平均仅为 1.03，比优化前降低了27.46%。液压支架的动载系数降低显著，且主要来压分布区域仅为优化前的 60%，说明了采用水力压裂后能够有效地降低井下的来压周期。在整个综采作业区间，综采面未发生明显的巷道变形和煤壁帮鼓现象，对提升井下综采面综采作业效率和安全性具有十分重要的意义。5 结论定向长钻孔双封单卡多点拖动分段水力压裂顶板弱化技术，能够通过不动管柱投球分段水力压裂和双封单卡拖动管柱分段压裂设备实现快速压裂。该技术能够把液压支架的支护阻力降低 10%，将来压步距降低 62.8%，将液压支架的动载系数降低27.46%。【参考文献】1 邹立双，张景钢.石壕煤矿水力压裂影响区域探测技术应用 J.华北科技学院学报，2021，18（03）：19-23.2 李瑞楼，王宁，王珑.近距离煤层工作面坚硬顶板水力压裂应用研究 J.中国矿业，2020，29（S2）：303-307.3 刘英明.定向长钻孔分段水力压裂超前弱化技术J.煤矿安全，2021，52（03）：90-95+100.4 刘念全，陈成.深孔水力压裂在削弱综放工作面巨厚坚硬顶板初次来压强度的应用 J.煤炭与化工，2021，44（03）：32-35.5 刘向忠.水力压裂控制坚硬顶板技术在东曲矿的应用研究 J.煤炭技术，2021，40（05）：28-30.6 李文，王广宏，欧聪，等.不同布孔方式下梳状定向长钻孔水力压裂数值模拟及工程应用 J.煤矿安全，2021，52（05）：72-77.7 陈雷.水力致裂在塔山矿采空区下放顶煤工作面的应用 J.煤炭科学技术，2018，46（S2）：44-47.