中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西西安 710054
摘要：王峰矿煤层瓦斯含量高、煤层碎软且透气性差。梳状孔水力压裂技术钻孔工程量小、成孔性好，可以有效改善煤层透气性，提高瓦斯抽采效率。利用Baker Huges压裂模拟软件Mshale模块，结合工作面煤层地质条件，和钻孔施工技术，设计压裂孔参数，泵注程序。根据模拟结果在3号煤层顶板粉砂岩施工长钻孔，开煤层分支孔，间距40m，累计注水874.79m³，压裂保压结束，连续监控钻孔瓦斯抽采参数，与常规穿层钻孔水力冲孔技术相比，百米钻孔瓦斯抽采量提高12倍多，显著提高瓦斯抽采水平。
关键词：碎软煤层，压裂模拟，顶板梳状孔，水力压裂
0 引 言
王峰煤矿位于韩城矿区的东北部，矿井设计年生产能力为4.00Mt/a，主要可采煤层2、3、11号煤层。矿区生产条件复杂，煤层碎软，透气性差，瓦斯吸附量大，瓦斯灾害严重[1]。常规煤层钻孔抽放瓦斯存在打钻难，钻孔利用率低，钻孔瓦斯衰减快，泄压范围小等缺点，矿井安全生产受到威胁[2]。
Meyer软件是Meyer & Associates, Inc.公司开发，用于水力压裂酸化、酸压、泡沫压裂/酸化等。MShale压裂模块可以计算缝高缝长，优化压裂设计，展示裂缝模型。
煤矿井下水力压裂技术依托定向长钻孔能够精准定位目的层位，改造煤岩体结构，增加煤层透气性，梳状定向钻孔技术，选择在施工条件好的层位打主孔，分支孔覆盖目的层位，进行压裂瓦斯抽采，是一种广泛运用到井工煤炭开采瓦斯治理技术[3][4]。
1 试验区概况
王峰井田构造形态总体为走向NE、倾向NW的单斜构造，地层倾角平缓，一般4～5°，东北角倾角较大为14°左右，在单斜构造形态的背景上存在宽缓的波状起伏。井田地质构造属简单。与井田相邻的桑树坪煤矿、下峪口煤矿等生产矿井均属煤与瓦斯突出矿井。
矿区王峰井田内各煤层瓦斯分带均处于甲烷带，2号煤层瓦斯平均含量为4.32m3/t；3号煤层瓦斯含量平均含量为12.86m3/t；11号煤层瓦斯平均含量为11.08m3/t。煤层瓦斯含量具有随煤层埋深的增加而增大的趋势，井田内还存在局部瓦斯含量明显增大、变小的现象。
3号煤层主斜井开拓过程中，煤层瓦斯压力3.0MPa，瓦斯含量13.74m3/t。煤层平均厚4.89m，厚度变化较小，结构简单。顶底岩性主要为粉砂岩、泥岩及粉砂岩。煤质属中灰、高热值、低硫、中磷的贫煤和无烟煤。
2 压裂模拟
井下煤层水力压裂施工制约因素较多，碎软煤层成孔难，压裂泵泵注压力有限。根据王峰矿施工条件，设定泵注程序。压裂段缝长影响范围可达到90m。煤层碎软，分支孔开孔间距适宜控制在50m范围左右。
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3 水力压裂工程
3.1钻孔设计方案
3号煤体松软，煤层瓦斯含量高、压力大，顺煤层钻孔钻遇煤层后会出现瓦斯喷孔、顶钻、卡钻等问题。设计在距3号煤层顶板施工1个主孔、4个分支孔。主孔1号孔开孔点距离主斜井井口2711m，粉砂岩顶板距离煤3~5m，，孔身采用二开结构，设计孔长270m。分支孔采用后退式向下开分支法,每个分支孔长35m，分支孔间距40m，钻孔见煤后终孔，钻孔总长度约410m，孔径120mm。钻孔轨迹剖面图，如图.1所示。
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图1. 王峰矿3号煤层1号钻孔轨迹剖面图
3.2水力压裂设计与施工
王峰矿井3号煤层顶板定向长钻孔施工，主孔开孔磁方位角207.4°，倾角-6.4°，孔长261m，1-1分支孔21m，1-2分支孔32m，1-3分支孔12m，1-4分支孔18m。累计工程量344m。主孔实钻轨迹全部在3号煤层顶板岩层内，距离煤层约为0.7~2.0m。
3号煤层顶板定向钻孔水力压裂方式为整体压裂，采用套管+封隔器封孔方式，设计封隔器下入深度为50~90m。压裂液选择为清水。压裂层破裂压力为6.29~7.68MPa。根据模拟结果整体压裂注水量设计860m3。
水力压裂施工过程中累计注水量874.79m3、最大注入压力9.4MPa，累计开泵注水时间37h30min。 钻孔保压观测，孔内压力经历了“压力骤降→压力缓慢下降→压力平稳”三个阶段。钻孔压力衰减曲线如图2所示。
图2 王峰煤矿3号煤层1号钻孔压力衰减曲线图
4压裂工程效果分析
4.1井下水力压裂施工压力曲线特征分析
井下水力压裂通过监测泵注压力及流量，判识裂缝的发展形态。王峰矿3号煤层1号钻孔注水压裂过程中，各班次泵注压力曲线整体呈“锯齿状”上下波动、并伴随多次的泵注压力明显下降，为碎软低渗煤层顶板钻孔水力压裂的典型压力曲线。
4.2钻孔瓦斯抽采数据分析
煤层保压放水结束后对1号定向长钻孔进行联网抽采。钻孔瓦斯抽采过程中，监测钻孔混合抽采量、瓦斯抽采浓度（实测）及瓦斯抽采负压等瓦斯抽采参数。瓦斯抽采数据与水力冲孔强化抽采数据对比见表1。采取顶板定向长钻孔水力压裂强化抽采措施的百米钻孔瓦斯抽采量是采取穿层钻孔水力冲孔措施的12.48倍。
表1 王峰矿同区域不同强化抽采措施瓦斯抽采效果对比表
5结论
（1）煤层顶板梳状孔工艺，钻探工期短、成孔率高、钻探风险小是一种适用于煤层井下钻孔施工的成熟技术。
（2）煤层顶板梳状孔水力压裂注水压裂过程中，王峰煤矿主斜井水力压裂作业地点相关区域地点未出现严重的片帮、顶板漏水和瓦斯超限等异常现象。梳状孔水力压裂增透技术相比较传统增透技术有明显优势。
参考文献
[1]王建利,陈冬冬,贾秉义. 韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践[J].煤田地质与勘探，2018,v.46;No.268(04):17-21.
[2]陈功华,张雷林,石必明. 青龙煤矿回采工作面瓦斯综合治理技术研究[J]. 煤炭技术,2017,v.36;No.284(08):146-148.
[3]达晖. 煤矿井下分段水力压裂梳状定向长钻孔钻进技术研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程),2018,v.45;No.384(05):8-12.
[4]陈功华,张雷林,石必明. 青龙煤矿回采工作面瓦斯综合治理技术研究[J]. 煤炭技术,2017,v.36;No.284(08):146-148.