水力压裂(Hydraulic Fracturing)是指裂缝由于其内部液体压力的作用而开裂并扩展的过程,由于应用领域的不同,有时也称作水压致裂或水力劈裂。水力压裂技术广泛应用于石油、天然气或地热的开采及增产、放射性废物的处置、地应力的测量等领域。
一、工艺过程与压裂钻孔布置
定向水力压裂技术工艺是在顶板岩层钻孔预制横向切槽,控制水力压裂裂缝的扩展方向,然后采用小孔径跨式膨胀型封孔器对横向切槽段封孔,最后对该封孔段注入高压水,实施压裂,使水力裂缝在顶板岩层中大范围扩展,通过多次压裂作业,可显著削弱顶板的强度和整体性,使采空区顶板能够分层分次垮落,缩短初次来压和周期来压步距,达到减小或消除坚硬难垮顶板垮落对工作面回采危害的目的。
工艺过程见图1所示。首先利用横向切槽钻头在压裂孔坚硬段预制横向切槽(见图1(a)),退出钻杆,利用智能钻孔电视成像仪观察开槽效果。然后利用注水管将跨式膨胀型封隔器推入钻孔切槽处,连接手动泵和胶管,对封隔器加压,从而达到对横向切槽段封孔的目的(见图1(b))。最后,连接高压注水泵、水压仪和注水管,对封隔段进行注水压裂,压裂过程中,利用水压仪监测泵压的变化(见图1(c))
顺槽压裂钻孔的布置有单侧和双侧两种方式(与工作面长度有关,当工作面宽度大于150m时,通常采用双侧布置形式;当工作面宽度不大于150m时,通常采用单侧布置),如图2所示,钻孔的布置形式根据工作面的宽度及钻机能力而定,双侧压裂时顶板弱化均匀,工作面中部钻孔位置较高高,符合一般中部垮高大的规律,且封隔器推进距离短,易施工;单侧布置钻孔要求只在一条顺槽钻孔即可,减少了工作量以及对生产带来的影响,但是钻孔比较长,对钻机要求高,对孔的直度提出更高的要求,孔的弯曲会使封孔器推进困难,增加施工难度;根据坚硬顶板的厚薄、层位的不同,钻孔布置还可采用多层布置。钻孔长度、仰角根据岩层厚度、强度、地应力场和采高确定,钻孔倾角一般为70°~75°。
通常在工作面切眼向工作面推进方向布置压裂钻孔,如图3所示,钻孔参数根据顶板岩层厚度和强度、地应力场和采高确定。
孔距与压裂半径有关,一般情况下孔距可选择压裂直径的3/4~2/3。
压裂效果与顶板水力压裂高度有直接关系,离煤层太近或太远均不利,而且离煤层的高度是不同的。压裂区应离煤层5m以上,否则会造成顶板不易维护,压裂区的上限一般为15~25m,与采高和顶板活动规律相适应。
水力压裂保压持续时间的长短直接影响压裂效果,根据大同注水软化顶板经验,在大同矿区后层砂岩顶板条件下,水量一般注为200~350m3/孔,砾岩孔则多一些,可达1000m3/孔,具体保压注入水量根据现在情况而定,若出现明显漏水或周围煤岩有渗水就应立即停止注水。
二、预制横向切槽
1921年,Griffith就从能量的角度分析了由于裂缝的存在而导致诸如玻璃、陶瓷等脆性材料的实际断裂强度要比用分子结构理论所预期的强度低得多的问题。为了提高低渗油藏的压裂及增产增注效果,常在目的层段使用定向射孔技术,射孔是沟通井筒与底层的通道,可以有效减低地层的破裂压力,从而减低压裂成本,还具有控制压裂裂缝扩展方向的作用。Hayashi.K等提出在钻孔预制人造横向切槽进行地应力测量,认为在人造横向切槽端部会产生应力集中,水力裂缝沿此处开始扩展,如图4所示。
基于以上研究,在坚硬难垮顶板钻孔压裂段预制人造横向切槽,可有效控制压裂效果,同时还可降低压裂成本。
因此,研制刀片要求能在单轴抗压强度为100~150MPa的坚硬岩石中预制横向切槽,要求其具有很高的强度、刚度,以及良好的耐冲击性能和耐磨性,预制切槽的半径约为钻孔直径的2倍。
首先利用大功率地质钻机、坚硬岩石专用钻头在需压裂的坚硬顶板上钻孔;然后换上横向切槽钻头,在钻孔的底部开一个直径约为孔径一倍的楔形槽,然后利用小孔径全景钻孔窥视仪进行钻孔窥视,观察开槽效果,最后用静压水冲洗钻孔,为下一步封孔做准备。
三、压裂段封孔与压裂
采用小孔径高压封孔器对预制横向切槽钻孔段实施封孔,然后开启高压泵进行压裂,工艺如图5所示。该压裂系统主要由以下几部分组成;静压水进水管路、高压水泵、水泵压力表、蓄存压裂介质水和油的储能器、流量计、手动泵、手动泵压力表、快速连接的高压供水胶管、水压仪、封孔器、压裂钢管(管壁打孔);其中:
封孔器:由中心管和封隔器胶筒组成两个水路通道。中心管注入高压水,通向压裂段,通过水的高压压裂岩孔;而封隔器与中心管形成的空间,存储高压水用以密封压裂段。通过连杆将两支封隔器相连,岩孔压裂段处于两支封隔器之间。试验时,先要用手动泵通过高压胶管给封隔器胶筒与中心管间隙加压,密封岩孔压裂段,不使压裂段高压水外泄。封隔器连杆拉住两只封隔器,保持封隔器平衡,使封隔器与岩孔没有相对位移。封隔器配有专用试压筒。用以检验装配好的封隔器的密封性能,验证封隔器是否达到额定密封压力要求;
注水管:注水管连接处用“O”型圈密封,拆装方便,密封可靠,使测试效率大为提高。注水管作用主要有两个,其一,作为连接构件将连接好的封隔系统送至钻孔的预定位置;其二,作为加压通道对封隔的钻孔段进行压裂;
高压水泵:其作用是给压裂段注入高压水实施压裂。高压泵的参数由地应力场、顶板岩层的强度、需要的流量和巷道空间确定;
储能器:一种带活塞的蓄能器,活塞将油水分开,又能传递泵压;
水压仪:为实时监控测试过程,显示、记录和分析测试结果,开发研制了SY-1水压致裂数据采集仪。SY-1型水压致裂地应力测量仪利用进口硅应变式压力传感器作为测量信号源,实时记录压力变化曲线,将采集结果传送给计算机进行处理计算,得出地应力数值。该仪器系矿用本质安全型。具有防水、防潮,结构简单,操作方便,性能可靠,后处理功能强大等特点,适用于煤矿井下的恶劣备件。
封孔方法是先将橡胶封孔器置于预定封孔位置,即将压裂钢管段置于预裂缝处,然后用手动泵向封孔器注水加压到9~12MPa,使封孔器胶管膨胀撑紧孔壁,由于封孔器采用的自平衡结构,故能承受很高的水压,保证高压水可使预裂缝起裂并不断扩展,达到弱化顶板目的。
高压压裂是利用高压水泵来提供高压水,然后通过高压胶管、注水钢管以及压裂钢管进行压裂,通过高压水泵的压力表或水压仪的压力曲线监测预裂缝的起裂。预裂缝起裂后水压会有所下降,继而进入保压阶段,在这个阶段,裂缝扩展的同时伴随着新裂缝的产生,保证顶板岩层充分弱化和软化。
四、压裂效果监测
水力压裂效果的监测可采用物探的方法,如地质雷达,瞬变电磁等方法,成本比较高;可在压裂孔周围布置观测孔,压裂过程中如果观测孔有水冒出,可大致确定压裂的范围,同时还在观测孔中通过窥视仪观测压裂后裂缝的方向;可进行全面、系统的、矿压监测,包括顶板位移与离层、支架受力状况、顶板来压步距,巷道围岩位移、支护体受力,煤柱应力分布,通过处理与分析矿压监测数据,评价水力压裂控制顶板的效果。
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