卸压、增透两头抓——同步水力压裂技术

同步水力压裂技术的原理是利用多个压裂孔之间诱导应力的叠加效应，增加水力压裂裂缝的转向效果，最终在同样的施工参数条件下形成更为复杂的裂隙系统，进而提高油气采收。在技术原理上，同步水力压裂一方面可使得两口及以上的相邻压裂井实现平行交互作业，节约作业时间；另一方面多口井同步对储层进行压裂时，裂缝扩展过程之间的相互作用产生更为复杂的缝网，增加水力压裂影响的区域面积。

多孔同步分段压裂是在单孔分段压裂的基础上，将同一时间的压裂钻孔数量提高至3个以上，由于分段压裂的渗失水量很小，即使在多孔同步压裂时也不会造成渗失水流量大于注入水流量的情况。多孔同步分段压裂如图1所示。

图1 多孔同步分段水力压裂

结合15212工作面现场实际情况，压裂孔的间距设计为40m，施工6个压裂孔，整个压裂区域为240m，孔深80m，孔径94mm，在压裂孔之间，每隔5 m施工1个考察孔，待压裂孔及考察孔施工完毕，开始在压裂孔进行压裂。在压裂过程中，考察孔需接入抽采管路，并且安装好自动排渣防水设备；压裂过程中观测考察孔瓦斯浓度变化、流量变化、煤壁及孔口是否有压裂水流出等。根据现场压裂情况对压裂半径、压裂参数、压裂时间等进行优化调整，压裂布置如图 2 所示。

图2 水力压裂参数考察钻孔布置平面图

根据该矿提供的地质资料可知，该矿属于水平应力场，主导地应力为水平压应力，最大主应力的梯度为2.67MPa/100m，本次试验工作面埋深达到了400 m，计算得出最大主应力为29.37MPa，最小主应力为17.2MPa，煤体的孔隙压力为0.45MPa，抗拉强度为1.3 MPa，计算得出该煤体的单孔起裂压力为23.74MPa。

实际水力压裂过程中，由于克服沿程阻力、位能、接头漏水、管路变径以及多处拐弯等因素影响，实际注水压裂要大于煤体起裂压力，将单孔钻孔最终注水压力设计为30MPa。

本次设计压裂半径15m，孔径为94mm，煤层孔隙率为4.93%，预计压裂影响半径为20m，水力压裂每个钻孔注水量为69.22m³，实际按70~90m³进行设计。

为保证高压水能在压裂孔里全面渗入，采用FKJW-230/1.6 矿用封孔器用于保障钻孔封孔效果。FKJW-230/1.6 矿用封孔器专门用作“两堵一注”带压注浆封孔。KJW 通用型矿用封孔单段囊袋长度810 mm，单段囊袋宽度230mm，囊袋最大爆破压力≥3 MPa，工作压力为1.5~2MPa，囊袋自由膨胀外径≥130mm，瓦斯抽采钻孔使用孔径为50~130mm，如图 3 所示。

图3 FKJW-230/1.6矿用封孔器

为保证水力压裂效果和钻孔的安全，本次借鉴国内其他矿井采用顺层钻孔进行水力压裂时封孔工艺，结合试验区域煤巷瓦斯排放带宽度、顺层压裂钻孔倾角、煤层厚度、煤层普氏系数等因素，封孔深度设计为25~30m，采用“两堵一注”的封孔方法。

将 6 个压裂孔分成两组。1号、2号、3号压裂孔为一组，4号、5号、6号压裂孔为另外一组。在此3个压裂孔对应的高压胶管位置连接上三通，之后选取小段高压胶管接上孔口位置，启动压裂泵，往压裂孔注入高压水。以第一组压裂孔为例,按下列步骤进行：将3个压裂孔的管路连接好之后，刚开始以较低压力将水注入到3个压裂孔中，使水充满压裂孔，到注入到压裂孔中的水流量降低时，在压裂过程中缓慢地升高压力，继续注入高压水，为防止因1个压裂孔废孔而使得其他同组压裂孔受到不利影响，采用“变流量，多次注水”的方式，使得压入的高压水在多个压裂孔得以均匀分配，即采用动态流量注水方法，将压裂泵组I、II、III和IV这4个档位来回切换。开始先用第IV档位，每5min升高1个档位，之后保压10min，后面又用5min升高档位，4个档位交替进行，克服压裂孔连通较大裂隙通道造成无法憋压的现象，压裂布置如图4所示。

图4 煤层同步水力压裂过程示意

压裂前测得，该区域工作面煤层原始瓦斯含量为8.41~12.86 m³/t，工作面瓦斯含量平均为10.68m³/t，该区域进行同步水力压裂后，以考察孔为抽采钻孔，考察孔经过60d的瓦斯接抽，测得接抽后工作面煤体瓦斯含量为3.56~5.23m³/t，平均瓦斯含量为4.45m³/t，较煤层原始瓦斯含量平均降低了6.23m³/t，瓦斯抽采已达标。同步水力压裂影响区域内平均绝对瓦斯压力降至0.42MPa，较原始绝对瓦斯压力1MPa，降低至0. 58MPa。

在该工作面区域内之前进行的单孔常规水力压裂，与同步水力压裂一样，不再单独施工抽采钻孔，考察孔直接进行60d的瓦斯抽采，测得单孔压裂瓦斯含量为6.68~8.52m³/t,平均为7.55m³/t,较原始瓦斯含量降低3.13m³/t，平均瓦斯压力为0.72MPa，较原始绝对瓦斯压力降低0.28MPa。在该工作面区域内，单孔压裂与同步水力压裂相比，在同等抽采60d里，依旧有部分区域未能达到瓦斯抽放的要求，需继续强化瓦斯抽采。

而对于未采取水力压裂措施的区域，在抽采钻孔间距为3m 的条件下，瓦斯抽采 60 d 内，平均瓦斯含量为9.64m³/ t，相对于原始瓦斯含量，仅降低1.04m³/t，瓦斯压力为0.84MPa，降低0.16 MPa，连续抽采120d，平均瓦斯含量为8.23m3/t，瓦斯压力为0.75m³/t，抽采依旧未能达标。相对于单孔水力压裂、普通钻孔瓦斯抽采，无论是在缩短抽采时间及降低钻孔工程量，还是在瓦斯含量降低及煤层卸压方面，同步水力压裂较常规压裂效果更好。

该区段水力压裂排水结束后，通过施工本煤层瓦斯抽采孔对 30d的单孔瓦斯抽采浓度及纯量进行定期监测，并与常规水力压裂、未压裂的本煤层抽采数据作对比分析。在同等长度的工作面煤层，同步水力压裂区域、单孔水力压裂区域，瓦斯抽采时进行单独计量，作为压裂措施前后对比考察钻孔平均单孔瓦斯抽采情况。

之后进行单孔平均抽采瓦斯浓度和瓦斯纯量考察，并与相同工作面的常规水力压裂、未压裂区域抽采数据作对比分析，煤层区域抽采瓦斯浓度及纯量对比曲线如图5和图6所示。

图5 煤层区域抽采瓦斯浓度对比曲线图

图6 煤层区域单孔抽采瓦斯纯量对比曲线

由图5和图6可知，在同等抽采30d时间里,，同步水力压裂影响区域内，该段瓦斯抽采平均浓度达到 44.21%，而之前的常规水力压裂影响区域内瓦斯抽采平均浓度为28. 65%，普通钻孔瓦斯抽采平均浓度为10. 23%，对于瓦斯抽采浓度来说，同步水力压裂分别为常规水力压裂1.54倍、未压裂区域4.32倍。

根据瓦斯计量装置，同步水力压裂影响范围内，单孔平均瓦斯抽采纯量为 0.052 m³/ min，常规水力压裂为0.036m³/min，而未压裂区域单孔平均瓦斯抽采纯量为0.0065m³/min，相比之下，同步水力压裂的单孔瓦斯抽采纯量为常规水力压裂1.44倍、未压裂区域8倍。这些抽采数据表明,水力压裂在该煤层条件下可以提高瓦斯抽采效果,但采用同步水力压裂效果更佳。

1) 在分析油气同步水力压裂原理的基础上，结合现场实际情况，将其用于煤矿井下，现场3个压裂孔串联同时压裂的方法实现大排量高压水的注入，同时经过测定压裂孔及考察孔水力压裂后的瓦斯含量，单孔瓦斯抽采浓度和纯量，与常规水力压裂及未压裂普通抽采钻孔的数据相比，同步水力压裂后抽采瓦斯浓度及纯量明显提升。

 2) 随着煤层开采深度的不断增加，在水力压裂增透作业中，实行同步水力压裂注入是深部煤层增透的一种可行方法，大幅缩短了瓦斯抽采时间，节约了瓦斯抽采钻孔工程量，效果明显，但对其具体压裂相关参数,还需要继续深入研究。