王珂

（山西煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗(yàn)中心，太原 030012）

本煤層鉆孔水力壓裂增透技術(shù)研究

王珂

（山西煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗(yàn)中心，太原 030012）

為了解決五陽煤礦煤層瓦斯含量高、煤層透氣性低、瓦斯抽采效率低下的問題，在7806上巷進(jìn)行了水力壓裂增透現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)本次壓裂選擇合適的配套設(shè)備，對(duì)水力壓裂的工藝流程進(jìn)行合理的分析說明，提出了一種新型的封孔方法“傾斜布袋式帶壓封孔技術(shù)”。該封孔技術(shù)滿足壓裂孔的封孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)2號(hào)孔進(jìn)行了重復(fù)壓裂，對(duì)于3號(hào)孔進(jìn)行了一次壓裂，壓裂后2號(hào)鉆孔自然瓦斯流量是壓前的3.79倍，瓦斯流量衰減系數(shù)降低56.65%，煤層透氣性系數(shù)為壓前的5.69倍，3號(hào)鉆孔瓦斯流量是壓前的3.57倍，瓦斯流量衰減系數(shù)降低69.04%，壓后煤層透氣性系數(shù)是壓前的5.08倍；最后確定了本次水力壓裂半徑不小于11.7 m。

低透氣性煤層；鉆孔；水力壓裂；瓦斯抽采

大量試驗(yàn)和理論研究表明，隨著煤層開采深度的增加，地應(yīng)力不斷增加，煤層透氣性系數(shù)隨之減小，從而制約了煤層瓦斯的抽采效果，并在很大程度上影響了礦井的正常接替[1-3]。五陽礦井正面臨著這樣的問題，開采深度向深部延伸，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量與地應(yīng)力大體呈線性增加，瓦斯災(zāi)害成為制約該礦安全、高效生產(chǎn)的第一因素，現(xiàn)行的瓦斯治理措施已難以滿足高效生產(chǎn)的需求，迫切需要一種新型區(qū)域和局部治理工藝，以徹底改變目前抽采困難、采掘接替緊張的局面。水力壓裂正是為了滿足這一需求而誕生的一種集區(qū)域和局部瓦斯治理為一體的新工藝。該工藝將地面煤層氣開發(fā)的成熟技術(shù)移植到井下，針對(duì)不同的煤體結(jié)構(gòu)采用不同的壓裂方案，以達(dá)到增透、提高抽采效率、縮短抽采時(shí)間的目的。

1 礦井概況

山西潞安五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內(nèi)，根據(jù)礦井生產(chǎn)能力及煤層賦存條件，五陽煤礦現(xiàn)在僅開采3號(hào)煤層，目前共布置2個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，即76和78采區(qū)。每個(gè)采區(qū)布置1個(gè)綜采放頂煤工作面和4個(gè)掘進(jìn)工作面。采煤方法為走向長壁后退式采煤法，生產(chǎn)方式為綜采放頂煤。頂板管理方法為全面跨落法管理頂板。

本試驗(yàn)所在的7806工作面位于+600 m水平的78采區(qū)，絕對(duì)涌出量9.0 m3/min，瓦斯時(shí)常超限，對(duì)采掘生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響，且會(huì)出現(xiàn)小型瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。

2 水力壓裂增透原理

水力壓裂是利用高壓水進(jìn)入煤體，在煤體的孔隙-裂隙中借助煤壁弱面的支撐作用，高壓水克服鉆孔壁的摩擦阻力作用，壓入速度大于水的濾失速度時(shí)，高壓水的內(nèi)水壓力增大，達(dá)到煤壁的抗拉強(qiáng)度后，在裂隙尖端形成應(yīng)力集中，使裂隙張開，并進(jìn)入下一級(jí)弱面，產(chǎn)生更多的人為裂隙，使裂隙相互貫通并形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，增大煤體透氣性，增加煤體吸附瓦斯的解吸作用，提高瓦斯抽采效果，降低了瓦斯含量及煤層所含的瓦斯壓力[4-6]。

3 水力壓裂試驗(yàn)情況

3.1 壓裂地點(diǎn)

通過井下實(shí)地考察并結(jié)合參數(shù)測試結(jié)果及現(xiàn)場施工條件，選定7806上巷作為井下鉆孔水力壓裂的試驗(yàn)地點(diǎn)，本次壓裂試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)壓裂孔和3個(gè)檢驗(yàn)孔，鉆孔布置位置示意，見圖1。

圖1 鉆孔布置位置示意圖

3.2 壓裂設(shè)備及工藝

煤層水力壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、流量計(jì)、壓力表、封孔器等組成，煤礦井下鉆孔水力壓裂設(shè)備系統(tǒng)，見圖2。

圖2 煤礦井下鉆孔水力壓裂設(shè)備系統(tǒng)

本次壓裂選用傾斜布袋式帶壓封孔技術(shù)，該方法的思路基于加壓水泥漿滲入抽采孔壁裂隙，封閉裂隙提高封孔質(zhì)量，防止鉆孔漏氣，提高抽采濃度和抽采效果，壓裂鉆孔施工完成后，對(duì)瓦斯壓力、瓦斯含量及自然瓦斯流量進(jìn)行測試，計(jì)算出壓前百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)和煤層透氣性系數(shù)，壓裂過程中，嚴(yán)格按照壓裂規(guī)程及安全技術(shù)措施進(jìn)行施工，對(duì)不同的時(shí)刻的注水壓力值及注水流量進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，壓裂鉆孔附近布置甲烷傳感器，并時(shí)刻觀察壓裂區(qū)域的瓦斯?jié)舛?、煤壁有無漏水及煤壁有無片幫及移動(dòng)現(xiàn)象，壓裂進(jìn)行以后，先對(duì)壓裂孔進(jìn)行自然流量測試，并在壓裂鉆孔附近施工檢驗(yàn)孔，對(duì)壓前壓后的瓦斯參數(shù)變化情況進(jìn)行對(duì)比，分析壓裂的效果。水力壓裂工藝，見圖3。

圖3 水力壓裂工藝圖

3.3 壓裂過程

3.3.13 號(hào)鉆孔水力壓裂

2013年8月12日，進(jìn)行3號(hào)鉆孔水力壓裂試驗(yàn)，11∶50開始，13∶47結(jié)束，歷時(shí)117 min，總注入水量約42 m3。本次壓裂因安全銷被切斷而被迫終止。壓裂結(jié)束后，現(xiàn)場技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)距3號(hào)壓裂孔約80 m處的底抽巷頂板漏水，表明煤層裂隙已經(jīng)延伸并連通，本次壓裂成功。3號(hào)鉆孔壓裂施工曲線（不包括洗孔過程），見圖4。

圖4 3號(hào)鉆孔水力壓裂施工曲線

3.3.2 2號(hào)鉆孔水力壓裂

1）2 號(hào)鉆孔一次壓裂。2013年8月14日，進(jìn)行2號(hào)鉆孔水力壓裂試驗(yàn)，12∶00開始，14∶37結(jié)束，歷時(shí)157 min，總注入水量約58.8 m3。2號(hào)鉆孔壓裂施工曲線（不包括洗孔過程），見圖5。

圖5 2號(hào)鉆孔一次壓裂施工曲線

2）2號(hào)鉆孔二次壓裂。為進(jìn)一步提高水力壓裂效果，2013年8月15日，進(jìn)行了2號(hào)鉆孔二次水力壓裂試驗(yàn)，12∶06開始，14∶37結(jié)束，歷時(shí)157 min，總注入水量約62 m3。2號(hào)鉆孔二次壓裂施工曲線（不包括洗孔過程），見圖6。

圖6 2號(hào)鉆孔二次壓裂施工曲線

3.4 水力壓裂效果分析

2號(hào)、3號(hào)鉆孔壓前壓后百米鉆孔瓦斯流量用曲線圖來表示，見圖7。

圖7 2號(hào)、3號(hào)鉆孔壓裂前后瓦斯流量曲線圖

可以看出：對(duì)2號(hào)壓裂孔而言，其壓裂前自然瓦斯流量平均值為14.04 L/min，3號(hào)壓裂孔壓前的自然瓦斯流量為8.07 L/min，2號(hào)壓裂孔壓裂后自然瓦斯流量平均值為53.11 L/min，3號(hào)壓裂孔壓裂后自然瓦斯流量為28.84 L/min。采用井下鉆孔水力壓裂技術(shù)，2號(hào)鉆孔自然瓦斯流量為壓前的3.79倍，3號(hào)鉆孔瓦斯流量為壓前3.57倍，由于本次封孔嚴(yán)密壓前及壓后瓦斯?jié)舛攘烤^高，基本達(dá)到純量，故不對(duì)其自然濃度進(jìn)行比較。

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明，對(duì)于2號(hào)壓裂孔而言，壓裂后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)降低56.65%，鉆孔極限瓦斯排放量是壓前的6.15倍；對(duì)于3號(hào)壓裂孔而言，壓裂后鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)降低69.04%，鉆孔極限瓦斯排放量是壓前的1.63倍。

就壓裂前后煤層透氣性系數(shù)而言，對(duì)于2號(hào)壓裂孔而言，壓裂后煤層透氣性系數(shù)為壓前的5.69倍；對(duì)于3號(hào)壓裂孔而言，壓裂后煤層透氣性系數(shù)是壓前的5.08倍。

通過對(duì)檢驗(yàn)孔的瓦斯流量、抽采量及打鉆出水情況可以推測，本次水力壓裂的壓裂半徑至少大于11.7 m。

4 結(jié)論

當(dāng)注水壓力為27～30 MPa時(shí)，水力壓裂鉆孔在煤層走向方向上的影響半徑可達(dá)到11.7 m以上，壓裂以后煤層的瓦斯流量、透氣性能都得到了明顯提高，鉆孔的流量衰減系數(shù)得到一定程度的降低，從而降低或消除了一定范圍內(nèi)的突出隱患。壓裂過程使煤體水分增加，對(duì)改善井下作業(yè)環(huán)境、控制粉塵濃度有一定作用。

[1]林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1988.

[2]趙陽升，楊棟，胡耀青，等.低滲透煤儲(chǔ)層氣開采有效技術(shù)途徑的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（5）：455-458.

[3]孫炳興，王兆豐.水力壓裂增透技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（11）：78-81.

[4]趙慶珍，馮海朝，王鵬.水力割縫對(duì)工作面煤壁與頂板穩(wěn)定性的影響研究[J].山西煤炭，2010，30（6）：41-43.

[5]張國華.本煤層水力壓裂致裂機(jī)理及裂隙發(fā)展過程[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[6]李學(xué)臣.提高單一透氣性煤層抽放效果的增透途徑[J].煤礦安全，2011，42（4）：90-92.

Permeability Enhancement Technology by Hydraulic Fracturing for Boreholes in Single Coal Seam

WANG Ke
(Shanxi Mine Safety Products Testing Center,Taiyuan 030012,China)

To solve such problems as high content of gas,low permeability,and low efficiency of gas drainage,a permeability enhancement experiment was conducted at the upper roadway of No.7806.Corollary equipment and process of the hydraulic fracturing were explained.The paper proposes a new borehole sealing method,inclined sack-type pressurized sealing technology,which could satisfy the quality standards for the fracturing boreholes.No.2 borehole was fractured twice and No.3 borehole once.After fracturing No.2 borehole,its gas flow increased at 3.79 times,attenuation coefficient reduced by 56.65%, and permeability coefficient increased at 5.69 times compared the gas flow before fracturing.For No.3 borehole,its gas flow increased at 3.57 times,the attenuation coefficient reduced by 69.04%,and the permeability coefficient increased at 5.08 times.Finally,hydraulic radius is determined to be greater than or equal to 11.7m.

low permeability coal seam;borehole;hydraulic fracturing;gas drainage

TD712

A

1672-5050（2015）03-0031-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.011

（編輯：樊敏）

2015-03-10

王珂（1975-），女，山西陽泉人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)管理工作。