低滲厚煤層水力壓裂增滲技術(shù)研究與應(yīng)用

張永紅

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000)

低滲厚煤層水力壓裂增滲技術(shù)研究與應(yīng)用

張永紅

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000)

為增強(qiáng)保安煤礦15#低滲厚突出煤層的透氣性，提高穿層鉆孔瓦斯的抽采效果，改善煤礦生產(chǎn)接替困難的現(xiàn)狀，采用工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)低滲厚煤層的水力壓裂增透技術(shù)及工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：15#煤層水力壓裂影響半徑高達(dá)40m，透氣性顯著增強(qiáng)，抽放濃度提高3倍以上，抽放純量提高4倍以上，掘進(jìn)速度提高2.5倍以上；形成了一整套包括壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)、壓裂鉆孔封孔、注水壓裂增透、壓裂效果考察、煤巷條帶瓦斯抽采、煤巷掘進(jìn)等適合陽泉礦區(qū)厚煤層的水力壓裂增滲技術(shù)。

低滲厚煤層；水力壓裂；增透；微縫網(wǎng)

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司15#煤為突出煤層，煤層平均厚度4.2m，瓦斯壓力1.31～2.5MPa，瓦斯含量15m3/t，煤層含水率1.4%，透氣性系數(shù)0.0017～0.062m2/MPa2·d，屬于難抽煤層。煤巷掘進(jìn)區(qū)域防突措施采用底抽巷加穿層鉆孔預(yù)抽條帶瓦斯，底抽巷、鉆孔施工周期長、工程量大，導(dǎo)致煤巷掘進(jìn)速度緩慢，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)接替，急需開展新的低滲厚煤層增透技術(shù)解決以上問題。本文通過保安煤礦15#低滲厚煤層底抽巷條帶水力壓裂增透試驗(yàn)，對(duì)壓裂工藝、壓裂參數(shù)、壓裂設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行應(yīng)用考察分析，為其他類似條件礦井低滲厚煤層水力壓裂增滲技術(shù)研究與應(yīng)用提供參考。

1 低滲厚煤層水力壓裂機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)

松軟突出煤層水力壓裂塑性致裂理論區(qū)別于中、硬煤層彈性起裂理論，根據(jù)松軟煤層微縫網(wǎng)循環(huán)延展塑性固化水力壓裂增透機(jī)理，松軟煤層水力壓裂遵循多波峰屈服—韌性起裂—微縫網(wǎng)同步擴(kuò)展—新縫網(wǎng)循環(huán)延展—塑形流變保持—微縫網(wǎng)固化的演變機(jī)理。低滲厚煤層水力壓裂增透工藝使用煤礦井下專用高壓力、大流量注水泵，向厚煤層壓入高壓水，當(dāng)高壓水的壓力大于目標(biāo)煤層破裂壓力且注水流量大于壓裂影響范圍內(nèi)煤體的漏失率時(shí)，厚煤層內(nèi)微裂隙張開、貫通，煤層內(nèi)形成全層微縫網(wǎng)。采用高壓水保壓工藝，進(jìn)一步促使微縫網(wǎng)向煤層全層發(fā)育并保持。當(dāng)壓入的液體排出時(shí)，壓裂形成的微縫網(wǎng)為瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造良好的條件，提高抽放效果，降低突出危險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率[1-2]。

整個(gè)低滲厚煤層水力壓裂過程可以分為以下五個(gè)階段：①準(zhǔn)備階段：高壓水迅速充滿鉆孔及周圍裂隙，微裂隙逐漸失穩(wěn)；②裂縫產(chǎn)生階段：在高壓水作用下，厚煤層中存在的多種裂隙弱面破裂；③初步形成微縫網(wǎng)：在高壓水作用下，厚煤層內(nèi)裂隙繼續(xù)張開、擴(kuò)展和延伸，初步形成微縫網(wǎng)；④形成全層微縫網(wǎng)：高壓水注入完成后保壓，高壓水促使厚煤層內(nèi)微縫網(wǎng)向全煤層繼續(xù)發(fā)育，在煤層內(nèi)形成微縫網(wǎng)全覆蓋；⑤形成瓦斯流動(dòng)通道：高壓水排出后，厚煤層內(nèi)形成的全層微縫網(wǎng)與措施孔連通，形成新的瓦斯流動(dòng)通道[3]。高壓水力壓裂后煤層透氣性增加，實(shí)質(zhì)上是通過水力壓裂使厚煤層全層產(chǎn)生了多裂隙連通的微縫網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯運(yùn)移提供通道，進(jìn)而改善瓦斯解吸環(huán)境[4]。

低滲厚煤層水力壓裂增透關(guān)鍵技術(shù)主要包括[5-9]：①試驗(yàn)地點(diǎn)選擇：不存在宏觀透水裂隙，煤層頂板底板親水性差，能夠保證高壓水在煤層內(nèi)流動(dòng)、保持；②參數(shù)設(shè)計(jì)：注水流量選擇應(yīng)大于水力壓裂影響范圍內(nèi)煤層水的漏失率，同時(shí)應(yīng)保證注水壓力低于管匯系統(tǒng)、壓裂鉆孔等的承載能力；③封孔工藝：封孔時(shí)應(yīng)保證鉆孔的承載能力高于高壓水壓力，同時(shí)壓裂管的篩管段全部位于厚煤層內(nèi)，且不與煤層頂板、底板相通；④保壓工藝：壓裂結(jié)束后，關(guān)閉高壓閥門使煤層內(nèi)高壓水向全煤層內(nèi)流動(dòng)，最終形成厚煤層全層微縫網(wǎng)；⑤安全保障：成立壓裂技術(shù)攻關(guān)組，由礦長擔(dān)任組長，制定相應(yīng)的安全技術(shù)保障措施。

2 水力壓裂增透試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

保安煤礦15108底抽巷距上部15#煤23.5m，頂板巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，通過向上施工5m×5m網(wǎng)格穿層鉆孔預(yù)抽15108工作面回風(fēng)順槽、15110工作面進(jìn)風(fēng)順槽及兩側(cè)15m范圍條帶內(nèi)煤層瓦斯，達(dá)到消突目的。試驗(yàn)區(qū)段煤層瓦斯壓力2.4MPa，煤層厚度4.2m，煤層透氣性系數(shù)0.003518m2/MPa2·d，瓦斯含量15.3m3/t。該區(qū)域底抽巷頂板完整且支護(hù)可靠，不存在宏觀透水裂隙；煤層頂、底板親水性差，因此15108底抽巷具備進(jìn)行厚煤層水力壓裂增滲試驗(yàn)條件。

2.2 壓裂鉆孔布置

掘進(jìn)工作面100m后，在已施工預(yù)抽鉆孔80m前的巷道內(nèi)向上施工水力壓裂孔。在巷道原有錨網(wǎng)索支護(hù)的前提下，通過補(bǔ)打錨索的方式對(duì)壓裂孔沿巷道方向前后各5m范圍內(nèi)的煤巖層進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，提高壓裂孔周邊的承受能力。壓裂孔孔徑95mm，終孔位置在巷道中心線外30m。壓裂孔施工見煤5m后停鉆，且不穿透煤層。壓裂鉆孔參數(shù)見表1，壓裂鉆孔布置情況見圖1。

表1 壓裂鉆孔施工參數(shù)

圖1 壓裂鉆孔布置圖

2.3 壓裂鉆孔封孔

為保證厚煤層水力壓裂在煤層內(nèi)擴(kuò)展，壓裂鉆孔封孔采用多次注漿封孔工藝，見圖2所示。鉆孔內(nèi)下放壓裂管、返漿管、注漿管，管接頭應(yīng)連接可靠，返漿管和壓裂管的最前端為篩管，防止注漿過程中巖粉、煤粉堵塞返漿管；其中返漿管篩管段底端進(jìn)入煤層底板1.5m以上，壓裂管篩管段底端進(jìn)入煤層底板2.5m以上?？卓谑褂镁郯滨ミM(jìn)行封堵，然后注漿。第一次注漿通過注漿管進(jìn)行，返漿管返漿，待水泥漿沉淀、凝固24h后再通過返漿管注漿，待壓裂管返漿后停止注漿。水泥漿凝固72h后，可進(jìn)行高壓水力壓裂。

圖2 壓裂孔封孔示意圖

2.4 水力壓裂試驗(yàn)

壓裂設(shè)備使用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的BYW450/70型煤礦井下壓裂泵組進(jìn)行壓裂，泵組與壓裂孔連接管路采用耐壓100MPa的六層鋼絲纏繞的高壓膠管?，F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備完成后進(jìn)行1#～6#壓裂孔的壓裂試驗(yàn)。

以1#壓裂孔壓裂試驗(yàn)為例?，F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作完成后，開始進(jìn)行高壓水力壓裂試驗(yàn)。1#孔水力壓裂過程中，泵注壓力在22～29MPa之間波動(dòng)，注水量100t左右時(shí)，停止水力壓裂，整個(gè)壓裂過程共持續(xù)6h，預(yù)計(jì)水力壓裂影響范圍30～40m之間，壓力曲線見圖3所示。

圖3 1#壓裂孔壓裂過程中壓力曲線

6個(gè)壓裂孔壓裂過程中，泵組運(yùn)行穩(wěn)定，15108底抽巷內(nèi)并未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。1#壓裂孔壓裂過程中，距離壓裂孔60m左右的地勘孔出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間約30min，壓裂期間巷道瓦斯未超0.5%，噴出瓦斯約98m3；其他壓裂孔壓裂過程中未出現(xiàn)異常。補(bǔ)打的8m加固錨索有滴水現(xiàn)象，而巷道掘進(jìn)過程中使用的6m錨索未出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。

2.5 高壓水保壓

由于水力壓裂后煤體內(nèi)的水仍有較高的壓力，此時(shí)高壓水仍然能使煤體繼續(xù)產(chǎn)生裂縫，同時(shí)使壓裂過程中產(chǎn)生的微縫網(wǎng)得到較好的保持，故壓裂結(jié)束后應(yīng)關(guān)閉孔口高壓閥門，在煤體內(nèi)保持一定的高壓水。另外，高壓水保壓也有利于降低水力壓裂后瓦斯流量衰減系數(shù)，提高壓裂后的瓦斯抽采效果。同樣以1#壓裂孔為例，如圖4所示，保壓初期，1#壓裂孔內(nèi)高壓水壓力22.3MPa；14h后壓力下降至14.5MPa；5d后壓力下降至6.1MPa左右；10d后壓力下降至5.3MPa，之后高壓水壓力不再變化。此時(shí)高壓水在煤層內(nèi)不再具備造縫能力，煤體內(nèi)已形成全煤層的微縫網(wǎng)，故保安煤礦厚煤層底抽巷水力壓裂保壓時(shí)間應(yīng)不低于10d。

圖4 1#壓裂孔保壓過程中壓力曲線

3 水力壓裂效果考察

水力壓裂工作保壓、排水結(jié)束后，在壓裂孔周邊施工5m×5m間距的鉆孔。鉆孔施工時(shí)，先施工距離水力壓裂鉆孔影響范圍遠(yuǎn)端的鉆孔，即首先施工距離壓裂孔70m位置處鉆場(chǎng)的鉆孔。鉆孔施工過程中，在距15#煤層5m左右時(shí)使用壓風(fēng)打鉆，采用孔口接粉的方式取樣測(cè)試煤層瓦斯含量、含水率等參數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 壓裂后壓裂區(qū)域瓦斯含量及含水率

原始煤層瓦斯含量15.0m3/t，煤層含水率1.4%。通過分析表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水力壓裂后，距離壓裂孔50m位置處煤層瓦斯含量提高了2m3/t左右，含水率基本保持不變；但壓裂孔40m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量降低了1.68～5.59m3/t，煤層含水率提高了0.9%～2.3%，可判定高壓水力壓裂影響范圍達(dá)到40m。因此水力壓裂影響范圍內(nèi)由壓裂孔口向外煤層瓦斯含量升高，證明高壓水力壓裂對(duì)煤層瓦斯具有驅(qū)替作用。

考察鉆孔施工完成后，接入抽放系統(tǒng)進(jìn)行抽放，將壓裂區(qū)域與未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域60天內(nèi)的抽采濃度和單孔抽采量進(jìn)行對(duì)比，見圖5所示。

圖5 壓裂區(qū)域與未壓裂區(qū)域抽采效果對(duì)比

從以上數(shù)據(jù)分析可見，接抽60d內(nèi)，經(jīng)過水力壓裂區(qū)域煤層瓦斯抽采平均濃度為20.04%；而未進(jìn)行壓裂區(qū)域，接抽60d內(nèi)的瓦斯抽采平均濃度為僅6.22%，水力壓裂后的瓦斯抽采濃度是原始區(qū)域煤層瓦斯抽采濃度的3.2倍。接抽60d內(nèi)，經(jīng)過水力壓裂區(qū)域煤層單孔瓦斯抽采純量平均為9.99L/min；而未進(jìn)行壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采純量平均僅為2.35L/min，水力壓裂后的單孔瓦斯抽采純量是未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采純量的4.25倍，抽采效果提升明顯，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間大幅度縮短。

4 結(jié)論

保安煤礦低滲厚煤層條帶水力壓裂增透試驗(yàn)主要取得了以下成果：

(1)獲得了適用于陽泉礦區(qū)的低滲厚煤層穿層鉆孔水力壓裂多次注漿封孔工藝，保證水力壓裂在厚煤層內(nèi)形成全煤厚的微縫網(wǎng)；

(2)獲得了低滲厚煤層水力壓裂增透施工工藝、高壓水保壓工藝、壓裂影響考察方法；

(3)水力壓裂對(duì)煤層瓦斯具有驅(qū)替效應(yīng)，水力壓裂影響半徑外存在瓦斯含量升高區(qū)；

(4)保安煤礦厚煤層壓裂后，影響半徑達(dá)到40m以上，透氣性明顯提高，抽放濃度提高3倍以上，抽放純量提高4倍以上。由于微縫的存在，壓裂區(qū)域的掘進(jìn)速度也大大提高。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

StudyonHydraulicFracturingforIncreasedPermeabilityofCoalSeamStripe

ZHANG Yonghong

(Baoan coal mine of Shanxi coal transportation sale group,Yangquan 045000,China)

In order to enhance the permeability of No.15 thick outburst coal seam,improve the effect of gas drainage through hole drilling,polish up the status quo of difficult coal mine production,adopting the method of industrial test and numerical analysis,experimental research study on hydraulic fracturing technology and craftwork of low permeability and thick coal seam has been done.The results show that the hydraulic fracturing radius of No.15 coal seam is 40m,enhancing the permeability,increasing the drainage concentration more than 3 times,advancing driving speed more than 2.5 times,and forming a set of permeability increasing technology including design parameters of hydraulic fracturing,hole sealing,the anti-reflection of water injection,fracturing effect,gas drainage in coal roadway,coal roadway driving for thick coal seam in Yangquan mining area.Keywordslow permeability and thick coal seam;hydraulic fracturing;increased permeability;micro seam network

2017-04-24

國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)資助項(xiàng)目(2016ZX05067004-001)

張永紅(1971—)，男，工程師，研究方向：煤礦通風(fēng)。

1003-1251(2017)04-0086-05

TD712

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