水力压裂纵向切槽钻头的研制与试验

2023-01-11王志超

能源与环保 2022年12期

林健，王洋，石垚，王志超

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013; 2.中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013)

水力压裂作为一种有巨大潜力的工程技术，已经广泛应用于石油、页岩气、地应力测量等领域。近年来在煤炭行业，该技术主要应用于高瓦斯突出煤层卸压增透及区域瓦斯治理、坚硬难垮顶板处理、冲击地压防治、高应力巷道围岩卸压等方面[1-8]。

煤矿强烈动压巷道一般是指至少经历一次回采工作面采动全过程影响的巷道。如工作面多巷布置的外围巷道、沿空留巷、同一采区顺序开采的临近巷道等。强烈动压巷道由于受工作面超前和侧向应力峰值叠加迁移以及工作面巷道侧上方悬壁梁存在的影响，巷道围岩变形速度快、变形量大、长时间不能趋于稳定，变形量一般是普通回采巷道的4～6倍[9-11]。此类巷道是目前我国煤矿巷道支护最困难的类型之一，一般采用常规支护甚至各种联合支护都很难有效控制围岩大变形[12-16]。因此，非常有必要对此类巷道采用“卸—支”相结合的手段进行围岩控制。

强烈动压巷道切顶卸压一般是在靠近正在回采工作面一侧的巷道顶板进行。通过人工干预的手段切断工作面侧向悬臂岩梁，减小侧向悬臂梁长度，达到切顶卸压的目的。目前切顶卸压手段主要有深孔爆破、水力压裂等[17-19]，其中水力压裂技术以其成本低、效率高、安全性能好的特点，逐渐在强烈动压切顶卸压中得到推广应用。

目前水力压裂主要分常规水力压裂、定向水力压裂和定向射孔水力压裂[3,20]。常规水力压裂就是在钻孔内直接进行分段压裂，裂缝的起裂和扩展主要沿原岩应力最大主应力平面；定向射孔水力压裂主要应用于石油天然气行业；定向水力压裂则是在钻孔内进行定向切槽，在压裂时裂缝的起裂是人为定向的，裂缝沿定向方向扩展到一定范围后转向最大主应力平面。目前煤矿常用的定向水力压裂是孔内横向切槽的方式。但在强烈动压巷道的切顶卸压中，最佳的裂缝扩展方向应为沿巷道轴线方向，这样就会在巷道深部顶板产生一个平行于巷道轴向的连续的断裂面，有效切断顶板岩层，达到理想的卸压效果。本文正是基于上述原理和构思，研制开发一种孔内纵向切槽钻头，并进行系列试验研究，以期达到理想的强烈动压巷道切顶卸压效果。

1 水力压裂纵向切槽钻头设计

根据钻孔周边应力状态及裂缝起裂和扩展条件，结合强烈动压巷道水力压裂卸压技术要求，确定水力压裂纵向切槽钻头及其结构，如图1所示。

图1 纵向切槽钻头结构示意Fig.1 Structure of longitudinal slotting drilling bit

纵向切槽钻头采用气动双刃纵向切槽，利用垂直交叉轴传动在钻头前端将轴旋转的运动转变为垂直轴线旋转运动，驱动超薄金刚石锯片，在钻孔孔壁上进行轴向连续或间断的切割，锯片的开合由偏心曲柄滑块机构和1个活塞所构成，活塞的轴向位置决定锯片的开与合，在锯片打开的位置具有自锁的功能。传动轴、中心传动齿轮轴均设有中心孔，通过中心孔给锯片提供冷却水进行刀片冷却。

2 纵向切槽钻头切槽试验

2.1 金刚石锯片耐磨性试验

为防止金刚石锯片在井下使用过程中频繁更换锯片的问题出现，对选择的金刚石锯片进行了耐磨性能试验。试验在地面采用手持气动马达带动金刚石锯片切割花岗岩和釉面砖的方式进行。试验时马达转速设置为2 200 r/min，锯片边缘线速度u≈5.7 m/s。切割深度设为5 mm，切割长度500 mm，给进速度为花岗岩50 mm/min，釉面砖为80 mm/min。锯片试验如图2所示，测试数据见表1。表1中，D、D′分别为锯片原始直径和切后直径，t、t′分别为锯片原始厚度和切后厚度。

图2 锯片耐磨性能试验示意Fig.2 Schematic diagram of abrasion resistance test of saw blade

表1 锯片测试数据Tab.1 Test data of abrasion resistance of saw blade

从表1中的数据可以看出，所选用的金刚石锯片在切割深度5 mm、切割长度500 mm的情况下磨损不明显，基本可满足井下400 mm长度多次切割的要求。

2.2 纵向切槽水力压裂实验室试验

利用已做好的圆形水泥桶柱，采用TUX75地质钻机套φ56 mm钻头进行钻孔，将纵向切槽钻头装入孔内预定位置，开动钻机进行切槽作业，切槽长度200 mm。观测钻孔切槽效果，并进行封孔压裂，检验裂缝开启及扩展方向。实验室切槽压裂过程如图3所示。从图3中可以看出，切槽效果明显，水泥柱压裂裂缝开启和扩展基本和切槽方向一致。

图3 实验室纵向切槽压裂试验步骤Fig.3 Laboratory test procedure for longitudinal slotting fracturing

2.3 井下钻孔内纵向切槽试验

为进一步验证纵向切槽钻头的切槽效果，在陕西何家塔煤矿井下进行了钻孔纵向切槽试验，为方便清晰地获得切槽效果图，切槽试验在水力压裂钻孔口部中粒砂岩中进行，切槽效果如图4所示。

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图4 井下钻孔内纵向切槽效果Fig.4 Effect drawing of longitudinal notch in borehole in mine

3 纵向切槽水力压裂井下工业试验

3.1 试验点地质与生产条件

试验地点选取为何家塔煤矿50105工作面运输巷。何家塔煤矿主采5-2煤层，煤层厚度在2.4～3.8 m，平均厚3.1 m，埋深约为180 m。巷道沿煤层顶底板掘进，巷道高3.2 m，宽6.0 m。直接顶为中粒砂岩，中等稳定，厚度0.84～14.28 m。基本顶为粉、细砂岩，中厚层状，厚度40 m以上。直接底为砂质泥岩、泥岩，遇水强度降低，厚度0.65～7.50 m。与50105工作面运输巷相隔净煤柱15 m为50106回风巷，该巷在经受50105工作面回采全动压影响后将作为下一个工作面的回风巷复用。为解决50105工作面运输巷端头支架后方大面积悬顶和50106回风巷留巷变形的问题，矿方在50106运输巷试验水力压裂切顶卸压技术。

3.2 试验方案

水力压裂切顶卸压试验段长300 m，共设计30个钻孔，钻孔布置参数如图5所示。钻孔间距10 m，钻孔长度20 m，开孔处距煤柱侧帮1.0 m，与垂直方向夹角为5°。

图5 水力压裂试验钻孔布置参数Fig.5 Layout parameters of hydraulic fracturing test boreholes

其中，1号—15号钻孔为纵向切槽施工钻孔，并在切槽位置进行压裂；16号—30号钻孔为不切槽直接压裂，与切槽段进行对比试验。1号—15号钻孔切槽位置设计为孔深6、12、18 m的位置，切槽长度400 cm，切槽完成后在对应位置进行压裂；16号—30号钻孔压裂位置与前15个钻孔对应，为孔深6、12、18 m。

3.3 与原有横向切槽工艺对比

原有横向切槽工艺如下：切槽钻头与普通钻杆连接，利用钻机将钻头推送至钻孔底部，利用钻机推进力使钻头刀片张开，利用钻机扭矩使钻头旋转并切槽。当钻孔需要多次开槽时，需采用普通钻头钻进至开槽位置→退出钻头和钻杆，更换切槽钻头，连接钻杆将切槽钻头送至孔底并开槽→退出钻杆和切槽钻头，连接普通钻头并连接钻杆，继续钻进至下次开槽位置→重复更换切槽钻头并在该位置开槽。当需要多次在同一钻孔中开槽时，原有工艺需要多次、重复更换普通钻头和切槽钻头，多次、重复退出和推送钻杆。纵向切槽工艺：与原有工艺相比，当钻孔需要多次开槽时，只需采用普通钻头一次性将钻孔施工完成→更换纵向切槽钻头及配套钻杆，完成切槽。新研制的纵向切槽钻头及其开槽工艺，大幅减少了更换钻头和钻杆的次数，缩短了施工时间，降低了工人劳动强度，切槽施工效率至少提升30%～50%。

4 试验效果

4.1 压裂和扩展效果

1号—15号钻孔共压裂45次，平均泵压为13.7 MPa，压裂曲线如图6所示。压裂过程中，水沿顶板的扩散范围可达10～40 m，主要集中在20～30 m内，扩散方向主要沿巷道轴向，压裂位置越靠近孔口，扩散范围越大，顶板淋水量也越大。

图6 纵向切槽钻孔压裂曲线Fig.6 Fracture curve of drilling with longitudinal notch

16号—30号孔共压裂45次，平均泵压为18.5 MPa，压裂曲线如图7所示。压裂过程中，水沿顶板的扩散范围可达10～30 m，有个别次数扩散范围可达40 m左右。

4.2 压裂卸压效果监测

压裂卸压效果监测内容主要包括3个方面：煤柱应力、邻近巷道变形、采空区垮落情况。煤柱应力共布置了3个测站，如图8所示。其中，测站1监测切槽压裂段，测站2监测不切槽压裂段，测站3监测不压裂段。采用钻孔应力计进行监测，测点深度分别为3、6、9、12 m。50106回风巷变形情况是在图8中3个测站的位置采用“十”字布点的方法进行监测。采空区垮落情况随着工作面的推进记录滞后支架垮落的距离。

(1)煤柱应力监测结果。测站1煤柱应力变化如图9所示。在纵向切槽水力压裂切顶卸压段，煤柱应在变化曲线可分为3个阶段：微调整阶段、剧烈变化阶段和相对稳定阶段。在微调整阶段，测站未受到50105工作面回采影响，煤柱应力处于自我调整状态，调整幅度不大；剧烈变化阶段，煤柱应力受工作面回采影响，煤柱应力剧烈增加，煤柱深度3、6、9、12 m处煤柱应力最大增量分别为1.32、1.02、1.32、1.20 MPa；相对稳定阶段处于回采工作面后方120 m以后，煤柱应力基本保持稳定。

图9 测站1煤柱应力增量Fig.9 Stress increment of coal pillar at station 1

测站2煤柱应力变化如图10所示。

图10 测站2煤柱应力增量Fig.10 Stress increment of coal pillar at station 2

在不切槽水力压裂切顶卸压段，煤柱应力和测站1相同，也分为3个阶段。在剧烈变化阶段，煤柱应力变化更为迅速，应力增量也较测站1明显增大，煤柱深度3、6、9、12 m处煤柱应力最大增量分别为2.13、1.92、1.87、2.28 MPa；相对稳定阶段处于回采工作面后方100 m以后，煤柱应力基本保持稳定。

测站3煤柱应力增量变化如图11所示。在未切顶卸压段，6 m深测点的数据从安装完成后一直处于缓慢下降的状态，推测该测点传感器损坏。而在3、9、12 m深处，煤柱应力最大增量分别为2.9、2.5、3.3 MPa，该段煤柱应力增量整体明显高于切顶卸压段。