謝長虹

(松藻煤電有限責任公司渝陽煤礦，重慶 401448)

我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，透氣性系數(shù)在10－3～10－4md 數(shù)量級上，瓦斯抽放困難，嚴重威脅煤礦的生產(chǎn)安全［1－2］。因此煤儲層的低滲特征是煤礦瓦斯抽采的瓶頸，提高煤儲層的滲透性是解決問題的關鍵。在煤礦井下進行水力壓裂時，除具有增透作用以外，在頂板處理、防突、防沖、降塵、防自燃等方面均有顯著作用，并已開始在我國大中型煤礦中廣泛應用，取得了一定的效果。

渝陽煤礦煤層瓦斯含量大，煤層透氣性系數(shù)低，井下鉆孔抽采效果差，嚴重制約了瓦斯治理和防突效果。為提高煤層的透氣性和提高抽采效果，在N3704 西瓦斯巷(下)實施穿層鉆孔水力壓裂，以求提高7 號煤層的瓦斯抽采效率，進而通過解放7 號煤層對主采8 號煤層形成保護作用，改善由于瓦斯制約而不利于生產(chǎn)的被動局面，積極探索通過水力壓裂治理瓦斯的新途徑。

1 虛擬儲層壓裂原理及可行性分析［3－8］

高壓水注入煤層中存在2 種情況:一是進入具有彈性的原生結構煤和碎裂煤，二是進入塑性的碎粒煤和糜棱煤。

高壓水在彈性煤體中的壓裂過程，主要依賴于煤體的彈性作用以及弱面的支撐作用。而塑性煤體或者突出煤在壓裂過程中由于塑性煤顆粒的流動，將在裂縫前端出現(xiàn)封堵現(xiàn)象。塑性煤體在封堵和壓實的雙重作用下，新形成的“壓裂裂縫”壁上會形成一層壓實帶，這些壓實帶最終造成煤層氣更難產(chǎn)出。碎粒煤與糜棱煤均屬于塑性煤的范疇。因此對于碎粒煤與糜棱煤在壓裂過程中無法產(chǎn)生有效裂縫，不適于水力壓裂。

在煤層壓裂效果很差的情況下，可以把排氣通道放在煤層的頂板或底板(虛擬儲層)，來改善煤層氣的開采效果，從而達到提高煤層氣的采出率的目的。其基本方法是對煤層及其圍巖同時進行壓裂改造，由于圍巖的可壓裂性強，壓裂后圍巖中裂隙在橫向和縱向上延伸更遠更深，煤儲層中的氣體除了鉆孔周圍的氣體可以通過壓裂的煤層進入鉆孔，遠離鉆孔的煤層氣主要通過煤層與圍巖的接觸面處泄放流入圍巖，然后再順圍巖被壓裂的裂隙通道流到鉆孔中被抽采?！疤摂M產(chǎn)層”開發(fā)煤層氣減小了對脆弱煤層滲透率的傷害，規(guī)避了煤層的高塑性和低滲透性對開采煤層氣帶來的不利影響。

渝陽煤礦煤體類型主要以碎粒煤和糜棱煤為主，根據(jù)井下水力壓裂適用性，本次壓裂將壓裂鉆孔施工至煤層頂板，探索虛擬儲層壓裂工藝的適用性。

2 壓裂地點及鉆孔設計

根據(jù)目前渝陽煤礦礦井采、掘情況，壓裂地點定為N3704 西瓦斯巷(下)，壓裂鉆孔為穿層鉆孔，壓裂目標煤層所在地層為龍?zhí)督M，煤系地層主要有砂巖類、泥質(zhì)巖類及煤組成。

為了準確地獲取煤層參數(shù)，并檢驗壓裂效果及測試抽采半徑，共布置標準孔2 個、壓裂孔1 個、檢驗孔15 個，各孔位置見圖1。

圖1 鉆孔布置示意

本次封孔采用水泥砂漿封孔，原則上封孔深度在應力集中帶以深即可。應力集中帶的位置可通過測試鉆孔鉆屑量的方式確定，而封孔深度可根據(jù)掘進迎頭及巷幫的應力集中帶確定。

在總結歷次水力壓裂封孔長度及深度的基礎上，結合裂隙方向、地應力場方向、鉆孔方向及7號煤層的層位的關系，得此次的壓裂封孔由孔口封孔至7 號煤層底板。封孔示意圖見圖2。

3 壓裂數(shù)據(jù)分析

渝陽煤礦N3704 西瓦斯巷(下)穿層鉆孔水力壓裂分2 個階段進行，壓裂的有效時間為10.5h。其中第一階段壓裂持續(xù)時間為278min，總注入水量為22.74m3;第二階段持續(xù)350min，注水量為87.3 m3。

圖2 封孔示意

第1 次煤巖層產(chǎn)生破裂時間為第111min，此時壓力從45.1MPa 突降至36.1MPa，流量從1.2m3/h 升至2.6m3/h，因在此之后的15min 內(nèi)壓力和流量都未再有大的變化，所以判定此時形成了一條小型裂縫。為了增大裂縫，降低了壓力閥的開度，形成了泵組壓力超限，泵組跳電停止運轉，所產(chǎn)生的裂縫閉合。泵組重新啟動后，在壓力達到42MPa 時，此裂縫重新開啟，并在第157min 時裂縫充填飽和，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為壓力升高，流量降低。

第2 次煤巖層產(chǎn)生破裂是在第164min，此時壓力由40.8MPa 降至36.1MPa，流量由0.9m3/h升至16.1m3/h，此種狀態(tài)持續(xù)55min，在此期間調(diào)高注水流量，但效果不明顯，說明此時形成了一條較大的裂縫，但向裂縫里注水的阻力很大。

在第一階段已形成大裂縫基礎上，第二階段注水壓裂過程于10min 后，壓力達到37.2MPa，流量達到16.6 m3/h，此狀態(tài)持續(xù)296min，壓力波動為2MPa，流量波動在1.5m3/h。壓裂中表現(xiàn)出的穩(wěn)定且較高的壓力，可能由兩方面原因造成:一為破裂面為煤巖層交界面，壓裂中高壓水一直沿著此面延深;二為注水后產(chǎn)生的裂縫內(nèi)的瓦斯的高反作用力。圖3 所示為水力壓裂全過程中施工壓力與流量曲線。

圖3 水力壓裂全過程施工壓力與流量曲線

由圖3 可知，水力壓裂過程中最高壓力值為50.3 MPa。壓裂曲線部分段表現(xiàn)為鋸齒狀，表明整個過程中產(chǎn)生了許多的微型裂縫，其將會增大煤層的透氣性(壓裂結束后，由壓裂孔放出的水量約為22.7m3)。

4 壓裂效果考察

4.1 壓裂半徑考察

4.1.1 確定沿煤層傾向的壓裂范圍

在施工檢驗孔過程中，檢1 與檢2 均發(fā)生在鉆進至8 號層時發(fā)生噴孔現(xiàn)象，由于其位于巖溶裂縫帶內(nèi)，故該兩孔的動力現(xiàn)象不能說明位于壓裂范圍內(nèi)。沿7 號煤層的傾向上，在壓裂孔以北60m 處的檢3 號孔施工過程中見水。據(jù)上述情況可以確定壓裂孔以北的壓裂有效半徑為60～70m。

在壓裂孔向南的方向上，處于壓裂孔以南60m處的標準1 孔在水力壓裂過程被高壓注水將連接在孔口測試參數(shù)的壓力表壓壞，而在距壓裂孔以北70m 處施工檢8 孔時，無異常現(xiàn)象，故判定壓裂孔以北的壓裂有效半徑也為60～70m。

4.1.2 確定沿煤層走向的壓裂范圍

在距壓裂孔以西55m 處檢14 孔施工中，并無異常現(xiàn)象，而在施工距壓裂孔以西30m 的檢9 孔時，出現(xiàn)了在全巖層里抱鉆現(xiàn)象，故判定壓裂孔以西壓裂有效半徑為30～55m。

施工距壓裂孔以東60m 處的檢12 孔至7 號煤層頂板時，有水流出，在施工距壓裂孔以東70m處的檢13 孔時，施工至7 號煤時未見有水，撤卸鉆桿至8 號煤時有水滴出，故得出壓裂孔以東的有效壓裂半徑為60～70m。

4.2 抽采參數(shù)對比

渝陽煤礦水力壓裂抽采數(shù)據(jù)的對比，主要以時間為依據(jù)，將抽采時間相互接近的孔作為對比孔，即將N3704 西瓦斯巷(下)的檢1、檢3、檢6、檢8 孔以及壓裂孔與N3702 東瓦斯(下)的8 號、9 號瓦斯孔進行抽采數(shù)據(jù)對比。N3702 東瓦斯巷(下)的日平均抽采數(shù)據(jù)見表1。

表1 N3702 東瓦斯巷(下)日平均抽采數(shù)據(jù)

N3704 西瓦斯巷(下)的檢1、檢3、檢6、檢8、壓裂孔與N3702 東瓦斯巷(下)的8 號孔、9 號孔的日平均抽采數(shù)據(jù)對比，見表2、表3。

表2 日平均抽采量對比

表3 平均瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

由上述數(shù)據(jù)可知，無論是混合量還是純量，N3704 西瓦斯巷(下)各孔的數(shù)據(jù)都比N3702 東瓦斯巷(下)8 號瓦斯孔和9 號瓦斯孔的大。在混合量上，與8 號瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為5.2～22倍，與9 號瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為1.7～7.3 倍;在純量上，與8 號瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為4.5～22.6 倍，與9 號瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為6.6～33.3 倍;在瓦斯?jié)舛壬?，與8 號瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為0.6～1.7 倍，與9 號瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為2.6～8.1 倍。

5 結論

(1)在渝陽煤礦進行的井下水力壓裂試驗基本形成了適應于該礦井的穿層鉆孔水力壓裂工藝，對煤層內(nèi)瓦斯實施采前預抽，為日后回采打好安全基礎。

(2)通過本試驗，研究總結了煤體前方應力集中帶分布特征，為煤礦井下鉆孔水力壓裂封孔深度的確定奠定了基礎。通過對比，基本形成了適合井下水力壓裂的封孔工藝。

(3)通過現(xiàn)場井下鉆孔水力壓裂試驗的壓裂試驗研究分析、壓裂后效果檢驗，表明煤礦井下鉆孔水力壓裂對于提高抽采瓦斯量是非常有效的。

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