水力壓裂（Hydraulic Fracturing）是指裂縫由于其內(nèi)部液體壓力的作用而開裂并擴(kuò)展的過程，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，有時(shí)也稱作水壓致裂或水力劈裂。水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣或地?zé)岬拈_采及增產(chǎn)、放射性廢物的處置、地應(yīng)力的測量等領(lǐng)域。
一、工藝過程與壓裂鉆孔布置
定向水力壓裂技術(shù)工藝是在頂板巖層鉆孔預(yù)制橫向切槽，控制水力壓裂裂縫的擴(kuò)展方向，然后采用小孔徑跨式膨脹型封孔器對(duì)橫向切槽段封孔，最后對(duì)該封孔段注入高壓水，實(shí)施壓裂，使水力裂縫在頂板巖層中大范圍擴(kuò)展，通過多次壓裂作業(yè)，可顯著削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落，縮短初次來壓和周期來壓步距，達(dá)到減小或消除堅(jiān)硬難垮頂板垮落對(duì)工作面回采危害的目的。
工藝過程見圖1所示。首先利用橫向切槽鉆頭在壓裂孔堅(jiān)硬段預(yù)制橫向切槽(見圖1(a))，退出鉆桿，利用智能鉆孔電視成像儀觀察開槽效果。然后利用注水管將跨式膨脹型封隔器推入鉆孔切槽處，連接手動(dòng)泵和膠管，對(duì)封隔器加壓，從而達(dá)到對(duì)橫向切槽段封孔的目的(見圖1(b))。最后，連接高壓注水泵、水壓儀和注水管，對(duì)封隔段進(jìn)行注水壓裂，壓裂過程中，利用水壓儀監(jiān)測泵壓的變化(見圖1(c))
順槽壓裂鉆孔的布置有單側(cè)和雙側(cè)兩種方式（與工作面長度有關(guān)，當(dāng)工作面寬度大于150m時(shí)，通常采用雙側(cè)布置形式；當(dāng)工作面寬度不大于150m時(shí)，通常采用單側(cè)布置），如圖2所示，鉆孔的布置形式根據(jù)工作面的寬度及鉆機(jī)能力而定，雙側(cè)壓裂時(shí)頂板弱化均勻，工作面中部鉆孔位置較高高，符合一般中部垮高大的規(guī)律，且封隔器推進(jìn)距離短，易施工；單側(cè)布置鉆孔要求只在一條順槽鉆孔即可，減少了工作量以及對(duì)生產(chǎn)帶來的影響，但是鉆孔比較長，對(duì)鉆機(jī)要求高，對(duì)孔的直度提出更高的要求，孔的彎曲會(huì)使封孔器推進(jìn)困難，增加施工難度；根據(jù)堅(jiān)硬頂板的厚薄、層位的不同，鉆孔布置還可采用多層布置。鉆孔長度、仰角根據(jù)巖層厚度、強(qiáng)度、地應(yīng)力場和采高確定，鉆孔傾角一般為70°~75°。
通常在工作面切眼向工作面推進(jìn)方向布置壓裂鉆孔，如圖3所示，鉆孔參數(shù)根據(jù)頂板巖層厚度和強(qiáng)度、地應(yīng)力場和采高確定。
孔距與壓裂半徑有關(guān)，一般情況下孔距可選擇壓裂直徑的3／4～2／3。
壓裂效果與頂板水力壓裂高度有直接關(guān)系，離煤層太近或太遠(yuǎn)均不利，而且離煤層的高度是不同的。壓裂區(qū)應(yīng)離煤層5m以上，否則會(huì)造成頂板不易維護(hù)，壓裂區(qū)的上限一般為15～25m，與采高和頂板活動(dòng)規(guī)律相適應(yīng)。
水力壓裂保壓持續(xù)時(shí)間的長短直接影響壓裂效果，根據(jù)大同注水軟化頂板經(jīng)驗(yàn)，在大同礦區(qū)后層砂巖頂板條件下，水量一般注為200～350m3／孔，礫巖孔則多一些，可達(dá)1000m3／孔，具體保壓注入水量根據(jù)現(xiàn)在情況而定，若出現(xiàn)明顯漏水或周圍煤巖有滲水就應(yīng)立即停止注水。
二、預(yù)制橫向切槽
1921年，Griffith就從能量的角度分析了由于裂縫的存在而導(dǎo)致諸如玻璃、陶瓷等脆性材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度要比用分子結(jié)構(gòu)理論所預(yù)期的強(qiáng)度低得多的問題。為了提高低滲油藏的壓裂及增產(chǎn)增注效果，常在目的層段使用定向射孔技術(shù)，射孔是溝通井筒與底層的通道，可以有效減低地層的破裂壓力，從而減低壓裂成本，還具有控制壓裂裂縫擴(kuò)展方向的作用。Hayashi.K等提出在鉆孔預(yù)制人造橫向切槽進(jìn)行地應(yīng)力測量，認(rèn)為在人造橫向切槽端部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，水力裂縫沿此處開始擴(kuò)展，如圖4所示。
基于以上研究，在堅(jiān)硬難垮頂板鉆孔壓裂段預(yù)制人造橫向切槽，可有效控制壓裂效果，同時(shí)還可降低壓裂成本。
因此，研制刀片要求能在單軸抗壓強(qiáng)度為100～150MPa的堅(jiān)硬巖石中預(yù)制橫向切槽，要求其具有很高的強(qiáng)度、剛度，以及良好的耐沖擊性能和耐磨性，預(yù)制切槽的半徑約為鉆孔直徑的2倍。
首先利用大功率地質(zhì)鉆機(jī)、堅(jiān)硬巖石專用鉆頭在需壓裂的堅(jiān)硬頂板上鉆孔；然后換上橫向切槽鉆頭，在鉆孔的底部開一個(gè)直徑約為孔徑一倍的楔形槽，然后利用小孔徑全景鉆孔窺視儀進(jìn)行鉆孔窺視，觀察開槽效果，最后用靜壓水沖洗鉆孔，為下一步封孔做準(zhǔn)備。
三、壓裂段封孔與壓裂
采用小孔徑高壓封孔器對(duì)預(yù)制橫向切槽鉆孔段實(shí)施封孔，然后開啟高壓泵進(jìn)行壓裂，工藝如圖5所示。該壓裂系統(tǒng)主要由以下幾部分組成；靜壓水進(jìn)水管路、高壓水泵、水泵壓力表、蓄存壓裂介質(zhì)水和油的儲(chǔ)能器、流量計(jì)、手動(dòng)泵、手動(dòng)泵壓力表、快速連接的高壓供水膠管、水壓儀、封孔器、壓裂鋼管（管壁打孔）；其中：
封孔器：由中心管和封隔器膠筒組成兩個(gè)水路通道。中心管注入高壓水，通向壓裂段，通過水的高壓壓裂巖孔；而封隔器與中心管形成的空間，存儲(chǔ)高壓水用以密封壓裂段。通過連桿將兩支封隔器相連，巖孔壓裂段處于兩支封隔器之間。試驗(yàn)時(shí)，先要用手動(dòng)泵通過高壓膠管給封隔器膠筒與中心管間隙加壓，密封巖孔壓裂段，不使壓裂段高壓水外泄。封隔器連桿拉住兩只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器與巖孔沒有相對(duì)位移。封隔器配有專用試壓筒。用以檢驗(yàn)裝配好的封隔器的密封性能，驗(yàn)證封隔器是否達(dá)到額定密封壓力要求；
注水管：注水管連接處用“O”型圈密封，拆裝方便，密封可靠，使測試效率大為提高。注水管作用主要有兩個(gè)，其一，作為連接構(gòu)件將連接好的封隔系統(tǒng)送至鉆孔的預(yù)定位置；其二，作為加壓通道對(duì)封隔的鉆孔段進(jìn)行壓裂；
高壓水泵：其作用是給壓裂段注入高壓水實(shí)施壓裂。高壓泵的參數(shù)由地應(yīng)力場、頂板巖層的強(qiáng)度、需要的流量和巷道空間確定；
儲(chǔ)能器：一種帶活塞的蓄能器，活塞將油水分開，又能傳遞泵壓；
水壓儀：為實(shí)時(shí)監(jiān)控測試過程，顯示、記錄和分析測試結(jié)果，開發(fā)研制了SY-1水壓致裂數(shù)據(jù)采集儀。SY-1型水壓致裂地應(yīng)力測量儀利用進(jìn)口硅應(yīng)變式壓力傳感器作為測量信號(hào)源，實(shí)時(shí)記錄壓力變化曲線，將采集結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，得出地應(yīng)力數(shù)值。該儀器系礦用本質(zhì)安全型。具有防水、防潮，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，性能可靠，后處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，適用于煤礦井下的惡劣備件。
封孔方法是先將橡膠封孔器置于預(yù)定封孔位置，即將壓裂鋼管段置于預(yù)裂縫處，然后用手動(dòng)泵向封孔器注水加壓到9～12MPa，使封孔器膠管膨脹撐緊孔壁，由于封孔器采用的自平衡結(jié)構(gòu)，故能承受很高的水壓，保證高壓水可使預(yù)裂縫起裂并不斷擴(kuò)展，達(dá)到弱化頂板目的。
高壓壓裂是利用高壓水泵來提供高壓水，然后通過高壓膠管、注水鋼管以及壓裂鋼管進(jìn)行壓裂，通過高壓水泵的壓力表或水壓儀的壓力曲線監(jiān)測預(yù)裂縫的起裂。預(yù)裂縫起裂后水壓會(huì)有所下降，繼而進(jìn)入保壓階段，在這個(gè)階段，裂縫擴(kuò)展的同時(shí)伴隨著新裂縫的產(chǎn)生，保證頂板巖層充分弱化和軟化。
四、壓裂效果監(jiān)測
水力壓裂效果的監(jiān)測可采用物探的方法，如地質(zhì)雷達(dá)，瞬變電磁等方法，成本比較高；可在壓裂孔周圍布置觀測孔，壓裂過程中如果觀測孔有水冒出，可大致確定壓裂的范圍，同時(shí)還在觀測孔中通過窺視儀觀測壓裂后裂縫的方向；可進(jìn)行全面、系統(tǒng)的、礦壓監(jiān)測，包括頂板位移與離層、支架受力狀況、頂板來壓步距，巷道圍巖位移、支護(hù)體受力，煤柱應(yīng)力分布，通過處理與分析礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)水力壓裂控制頂板的效果。
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