蔡永樂,趙滿生

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 陽(yáng)泉 045000；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)保安煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045021)

我國(guó)煤儲(chǔ)層具有低滲透性的特點(diǎn)，為了增加煤儲(chǔ)層透氣性，提高井下瓦斯抽采效果，目前，煤礦工作者采用了水力壓裂[1-3]、水力割縫[4-5]、水力沖孔[6]、松動(dòng)爆破[7-8]、CO2致裂[9-10]等增透技術(shù)。其中，水力壓裂因其工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、增透效果較好，在重慶市、山西省陽(yáng)泉市和河南省焦作市等地得到廣泛應(yīng)用，成為近年來研究的熱點(diǎn)之一。但水“欺軟怕硬”的特點(diǎn)加之煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性導(dǎo)致水力壓裂時(shí)容易形成一些改造盲區(qū)，進(jìn)而影響了后期瓦斯抽放效果，同時(shí)可能增加煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。為了更好地解決這一問題，引入地面煤層氣井重復(fù)壓裂技術(shù)，闡述了井下重復(fù)水力壓裂的技術(shù)原理和一般工藝流程。根據(jù)保安煤礦煤層及地質(zhì)構(gòu)造特征，進(jìn)行了底板抽放巷道內(nèi)重復(fù)水力壓裂關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，并考察了現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)水力壓裂應(yīng)用效果,以期為相似煤層及地質(zhì)條件下井下重復(fù)水力壓裂提供依據(jù)。

1 井下重復(fù)水力壓裂增透原理及工藝流程

1.1 井下重復(fù)水力壓裂增透技術(shù)原理

井下水力壓裂的基本原理將壓裂液(清水)高壓注入煤巖層，克服最小主應(yīng)力和煤巖體的破裂壓力，使得煤層中原有的裂縫充分張開、延伸、相互溝通，達(dá)到導(dǎo)流的目的。

所謂重復(fù)水力壓裂，就是在一次壓裂完成后，間隔不太長(zhǎng)的時(shí)間采用類似的工藝技術(shù)進(jìn)行兩次及以上的水力壓裂。一次壓裂時(shí)，把井下施工的鉆孔作為一個(gè)密閉系統(tǒng)，采用高壓泵作為主要?jiǎng)恿ρb置，把事先準(zhǔn)備好的液體以一定的排量通過高壓管路注入鉆孔中，鉆孔的壓力開始上升，當(dāng)達(dá)到煤層的破裂壓力時(shí)，在煤層中形成新的裂縫。繼續(xù)注入，液體將沿著這些新的裂縫繼續(xù)向前延伸。隨著裂縫延伸距離的增加，施工阻力將增加，形成新的裂縫的難度加大。同時(shí)，煤裂隙中水量不能無限增加。當(dāng)增加到一定程度時(shí)，壓裂改造范圍內(nèi)煤裂隙中的水幾乎達(dá)到飽和，繼續(xù)施工失去了改造煤儲(chǔ)層的意義，一次壓裂結(jié)束。由于井下空間有限，一次壓裂的液量相對(duì)較少，裂縫延伸不夠充分；同時(shí)一次壓裂后形成了新的裂縫，應(yīng)力得到了部分釋放，不同方向上裂縫形成大小的差異導(dǎo)致其應(yīng)力釋放大小的不同，進(jìn)而導(dǎo)致煤層所受的最大、最小水平應(yīng)力差的大小發(fā)生了一定的變化。間隔較短時(shí)間采用相似工藝壓裂時(shí)，一方面可能促進(jìn)裂縫進(jìn)一步拓展延伸或新的裂縫形成，另一方面壓裂形成的新裂縫方位發(fā)生一定的變化，進(jìn)而擴(kuò)大了水力壓裂改造的范圍。

1.2 井下重復(fù)水力壓裂的一般工藝流程

井下重復(fù)水力壓裂一般工藝流程見圖1。

圖1 重復(fù)水力壓裂流程圖

1) 井下鉆孔施工。根據(jù)煤層空間展布、構(gòu)造發(fā)育情況、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等確定鉆孔參數(shù)(開鉆位置、鉆孔傾角、方位角、孔深、孔徑等)并打鉆。

2) 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)。在施工鉆孔地點(diǎn)下風(fēng)口10～20 m處安裝可自動(dòng)記錄瓦斯?jié)舛鹊耐咚固筋^。

3) 壓裂設(shè)備地面檢驗(yàn)。井下壓裂設(shè)備在運(yùn)移到井下前進(jìn)行檢驗(yàn)，確保壓裂泵能滿足正常工作所需的壓力和流量，確保高壓管路和供水管之間密閉完好。

4) 運(yùn)送設(shè)備到井下指定地點(diǎn)。拆卸設(shè)備，運(yùn)移壓裂設(shè)備到施工作業(yè)地點(diǎn)。

5) 連接壓裂設(shè)備。確保井下水、電能滿足施工作業(yè)要求，連接壓裂設(shè)備(壓裂泵、水箱、封隔器、高壓管路、注水管、電控柜、儀表、高壓閥門等)；確保供水管路水能滿足施工過程中供水要求。

6) 管路密封性檢驗(yàn)。放置注水管、封隔器到孔內(nèi)設(shè)計(jì)深度，并用孔口錨固裝置固定，確保牢固，保證施工安全試壓，確保各管路的連接口處密封完好。

7) 壓裂施工并主要參數(shù)實(shí)時(shí)記錄。當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行正常時(shí)，開啟壓裂設(shè)備，按壓裂泵注程序進(jìn)行施工,并實(shí)時(shí)記錄壓力、流量、瓦斯?jié)舛戎档取?/p>

8) 停泵。當(dāng)注水量等主要參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，停泵。

9) 洗孔。把高壓軟管送到孔底，采用邊洗邊抽的方式進(jìn)行整個(gè)壓裂孔的沖洗。

10) 配置壓裂液后二次壓裂。配置所需的壓裂液,然后連接管路試壓后根據(jù)二次壓裂設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行二次壓裂。

11) 二次沖孔后封孔瓦斯流量監(jiān)測(cè)。二次沖洗孔完畢后，用聚胺脂或其他封孔材料封孔，測(cè)瓦斯流量。為了對(duì)一次壓裂效果和二次壓裂效果進(jìn)行對(duì)比，在一次壓裂完成后，可進(jìn)行瓦斯流量監(jiān)測(cè)，以便與二次壓裂對(duì)比。

2 保安煤礦井下重復(fù)水力壓裂設(shè)計(jì)

2.1 保安煤礦地質(zhì)概況

保安煤礦位于沁水煤田陽(yáng)泉礦區(qū)西部，為煤與瓦斯突出礦井。初期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9 Mt/a，主采太原組8#煤層、9#煤層、15#煤層，本次重復(fù)水力壓裂作業(yè)巷道為15108底抽巷，目標(biāo)壓裂煤層為15#煤層。15#煤層位于太原組下部，上距9#煤層平均60.33 m，煤層厚度3.25～5.55 m，平均4.00 m。巖性綜合柱狀圖見圖2，15#煤層大多不含夾矸，局部含夾矸，夾矸厚度0.01～0.36 m，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖。頂板為K2灰?guī)r，頂板灰?guī)r不含水，對(duì)壓裂影響不大。底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖。屬穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。15#煤層自然成分甲烷77.77%～96.53%，甲烷含量4.97～12.00 m3/t。

圖2 巖性綜合柱狀圖

2.2 保安煤礦井下重復(fù)水力壓裂關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

煤礦井下瓦斯抽采一般采用高位鉆場(chǎng)和開設(shè)底抽巷兩種方式進(jìn)行。高位鉆場(chǎng)一般可抽采空區(qū)和除本煤層外的臨近煤層中的瓦斯；而底抽巷一般只抽采本煤層及臨近煤層瓦斯。相比而言，前者抽采范圍更廣，但施工量大，建設(shè)、維護(hù)周期長(zhǎng)；后者巷道掘進(jìn)量少，施工見效快，對(duì)本煤層及臨近煤層瓦斯抽采效果明顯。本次主要對(duì)底抽巷內(nèi)壓裂鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括泵注壓力設(shè)計(jì)、壓裂設(shè)備的選型、注入液量設(shè)計(jì)等。

2.2.1 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1.1 泵注壓力的確定

在壓裂中壓裂泵的泵注壓力Pb表示為式(1)。

Pbmax>Pb=Pg+Pz+Ps+Pmp(1)

式中：Pg為管路阻力，MPa；Pz為重力阻力，MPa；Ps為濾失壓力，MPa；Pmp為煤層破裂壓力，MPa。

其中管路阻力表達(dá)為式(2)。

(2)

式中：i為第i根通路；j為第j個(gè)接口或管喉；ρ為流體密度，kg/m3。

重力阻力表達(dá)為式(3)。

pz=ρg(h2-h1)(3)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；h1出水口標(biāo)高，m；h2鉆孔內(nèi)最高點(diǎn)標(biāo)高，m。

濾失壓力可通過式(4)進(jìn)行計(jì)算。

Ps=aPb(4)

式中：Ps為濾失壓力，MPa；Pb為泵入壓力，MPa；a為壓力濾失系數(shù)，取3%。

考慮到煤層孔隙壓力和上覆巖層壓力，煤體的破裂壓力可表述為式(5)。

p0>min(3-λ)p+Rt,(3λ-1)p+Rt+

p+η(p-pp)(5)

式中：pp為煤層孔隙壓力，MPa；η為地層因數(shù)，MPa；P為上覆巖層壓力，MPa；Rt為煤體的抗拉強(qiáng)度，MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)。

巖石部分力學(xué)參數(shù)見表1。經(jīng)初步計(jì)算，煤層起裂壓力在25～30 MPa，泵注壓力在35～40 MPa。

表1 巖石部分力學(xué)參數(shù)

2.2.1.2 壓裂設(shè)備的選型確定

目前，井下壓裂設(shè)備過大，搬遷比較困難，且受到井下作業(yè)環(huán)境的限制。為了滿足壓裂需要，同時(shí)能適應(yīng)井下場(chǎng)地，本次水力壓裂增透試驗(yàn)設(shè)備包括：3JKBYL400-70型泵組、壓裂封孔管、高壓膠管、高壓閥門、高濃度光學(xué)瓦檢儀、DGC瓦斯含量測(cè)定儀、鉆機(jī)、壓裂鉆孔封孔水泥、DN15注漿管、DN100抽放管路、孔板、壓差計(jì)、礦用電纜(泵組400 kW)、瓦斯抽采管等配套設(shè)備。其中3JKBYL400-70型泵組可進(jìn)行拆卸組裝，工序較簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，數(shù)據(jù)收集方便，可適應(yīng)井下復(fù)雜多變的環(huán)境。

2.2.1.3 注入液量設(shè)計(jì)

根據(jù)壓裂影響半徑、煤層厚度、煤的孔隙度來計(jì)算所需注入液量，注入液量可表示為式(6)。

Q=πR2hω(6)

式中：h為煤層厚度，m；R為壓裂影響半徑，m；ω為煤體孔隙度。

其中，壓裂影響半徑為16～18 m，煤厚4 m，孔隙度2%。經(jīng)計(jì)算，該次壓裂孔煤層注水量為60～80 m3。

對(duì)于重復(fù)水力壓裂，參考第一次水力壓裂參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.2.2 壓裂鉆孔布置

本次15108底抽巷沿中線掘進(jìn)，并進(jìn)行重復(fù)水力壓裂施工。煤層露頭存在起伏，該巷道與煤層露頭垂直距離為20±3 m。壓裂孔的壓裂半徑重疊，引起煤體過于松軟，從而影響正常的采動(dòng)以及采動(dòng)過程中煤巷的支撐和維護(hù)，為了增大有效壓裂半徑的影響范圍，結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)資料及巷道布置情況，布置水力壓裂試驗(yàn)鉆孔，鉆孔布置見圖3，鉆孔參數(shù)見表2。

圖3 壓裂鉆孔布置圖

孔號(hào)鉆孔直徑/mm方位角/(°)開孔位置傾角/(°)見煤長(zhǎng)度/m終孔深度/m備注1#壓裂鉆孔95-90距15108底抽巷開435 m324651見煤5 m2#壓裂鉆孔9590距15108底抽巷開435 m313945見煤6 m修改3#壓裂鉆孔95-90距15108底抽巷開618.6 m324752見煤5 m

注：此處方位角為與巷道中心線夾角。

鉆孔的開孔位置應(yīng)盡量選擇在鉆場(chǎng)內(nèi)；鉆孔施工參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)執(zhí)行，保證鉆孔平直、孔形完整。鉆孔進(jìn)入煤層時(shí)必須干式作業(yè)，嚴(yán)禁用水打，并在巷道或鉆孔口采取噴霧降塵措施。在鉆孔施工中，應(yīng)準(zhǔn)確記錄鉆孔參數(shù)、鉆孔見各煤層時(shí)的長(zhǎng)度，鉆孔在煤層中的長(zhǎng)度，以及鉆孔開孔時(shí)間、見煤時(shí)間及其它情況(包括噴孔煤量、瓦斯涌出量等)。隨著后續(xù)壓裂鉆孔繼續(xù)施工，由于壓裂鉆孔參數(shù)局限，在壓風(fēng)停風(fēng)、斷電等可控因素干擾下，出現(xiàn)鉆頭掉落現(xiàn)象，對(duì)施工進(jìn)度造成一定影響，故在后續(xù)鉆孔施工中須加強(qiáng)風(fēng)電等動(dòng)力供應(yīng)。

2.2.3 封孔

水力壓裂鉆孔施工完成后，開始進(jìn)行鉆孔封孔，本次壓裂鉆孔封孔工藝采用多次封孔工藝進(jìn)行壓裂孔封孔。首先下放壓裂鐵管，壓裂鐵管前段為一根2 m、帶堵頭的篩管，后接2根1.5 m的篩孔管，篩孔管后下放26根1.5 m長(zhǎng)的封孔鐵管，各接頭均使用管鉗擰緊，孔口露出1 m左右。封孔鐵管下放到位后，下放19根2 m/根的DN15無縫鋼管，返漿管下放至煤層，孔口露出0.5 m。然后下放2根2 m/根的注漿管。下放到位后孔口使用聚氨酯進(jìn)行封堵，待聚氨酯凝固30 min后，通過注漿管注入1袋水泥(水灰比0.8～0.9)。待水泥沉淀20 min后，打開注漿管孔口閥門，使水泥漿液面與注漿管保持水平。水泥漿凝固1 d后，通過注漿管向孔內(nèi)注漿。注入5袋水泥后，壓裂鐵管開始返漿，注漿管并未返漿。返漿管前段并未加花管，由于鉆孔成孔后鉆孔內(nèi)有巖粉，在返漿管下放過程中巖粉、煤粉堵塞返漿管。再次通過返漿管注入水泥漿時(shí)，預(yù)計(jì)注入返漿管25 m左右時(shí)，注漿泵不能繼續(xù)向返漿管注入水泥，停止注漿，完成壓裂孔封孔工作。

2.2.4 巷道加固

由于保安煤礦15108工作面底抽巷地壓大，巷道圍巖較為破碎，故在進(jìn)行水力壓裂前需要在壓裂周邊5 m范圍內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加固。注漿封孔工作完成后，開始對(duì)巷道進(jìn)行加固。在巷道原有錨網(wǎng)索支護(hù)的前提下，在壓裂孔沿巷道方向前后各5 m范圍內(nèi)采用補(bǔ)打錨索的方式加強(qiáng)支護(hù)，提高壓裂孔周邊的受力能力，見圖4。

圖4 巷道錨索加固剖面圖

2.3 水力壓裂過程

以3#鉆孔壓裂過程為例，說明重復(fù)壓裂過程。在初次壓裂過程中，泵注壓力在16～34 MPa之間，15108底抽巷未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，頂板及加固錨索未出現(xiàn)滴水現(xiàn)象。整個(gè)壓裂過程共持續(xù)4.25 h，注水量為67 t。35 d后，進(jìn)行二次壓裂，壓裂過程持續(xù)4.6 h，泵注壓力25～31 MPa，注水量為75 t。詳細(xì)井下重復(fù)水力壓裂施工參數(shù)見表3。

表3 井下重復(fù)水力壓裂施工參數(shù)

2.4 重復(fù)水力壓裂施工建議

重復(fù)水力壓裂的主要目的是擴(kuò)大壓裂范圍，提高壓裂范圍內(nèi)煤的透氣性。是否有進(jìn)行二次壓裂的必要，一方面取決于所壓裂煤層的透氣性是否已經(jīng)達(dá)到了最大，另一方面取決于壓裂的范圍能否進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)煤層的煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主時(shí)，受壓裂設(shè)備能力限制，一般情況下，一次壓裂后煤層的透氣性達(dá)不到最大。對(duì)于這類煤儲(chǔ)層，建議進(jìn)行重復(fù)壓裂，使煤層進(jìn)一步破裂，增加煤層的透氣性。

當(dāng)煤層主要為碎裂煤時(shí)，一次壓裂后，在壓裂孔口附近煤層的透氣性幾乎達(dá)到了最大，若要進(jìn)行二次壓裂，需要使壓裂管向孔底進(jìn)一步運(yùn)移，這樣來改變壓裂煤層位置，增加壓裂改造范圍。

當(dāng)煤層主要為碎粒煤時(shí)，最好在圍巖中進(jìn)行壓裂，實(shí)現(xiàn)卸圍巖應(yīng)力的目的。巖性應(yīng)是泥質(zhì)砂巖或砂巖，距煤層的距離一般不超過8 m。

當(dāng)煤層主要以糜棱煤為主時(shí)，這類煤使用水力壓裂效果可能不太好，建議不在這樣的煤層中進(jìn)行水力壓裂。

當(dāng)不會(huì)引起瓦斯超限時(shí)，重復(fù)壓裂的時(shí)間間隔一般2～5 d，過長(zhǎng)可能帶來設(shè)備搬遷相對(duì)麻煩。一般情況下，二次壓裂液量要略小于一次壓裂液量。本次所用的壓裂設(shè)備排量相對(duì)較小，今后應(yīng)改進(jìn)壓裂設(shè)備，提高壓裂時(shí)排量，效果可能更好。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

1) 水力壓裂影響范圍通過考察鉆孔施工過程中煤樣煤層含水率和煤層瓦斯含量測(cè)定。打鉆過程中，采用孔口接粉的方式取煤樣，使用DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置測(cè)試煤樣的瓦斯含量。采用同樣的瓦斯含量快速測(cè)試方式，在原始煤體取樣測(cè)得煤層瓦斯含量為15 m3/t，經(jīng)過水力壓裂后，距離壓裂孔30 m位置處煤層瓦斯含量降低了3～5 m3/t，水力壓裂后距離壓裂孔35 m位置處鉆孔含水率達(dá)到9.5%，含水率明顯提高。據(jù)此判斷水力壓裂影響范圍達(dá)到35 m以上。

2) 壓裂區(qū)域與未壓裂區(qū)域單孔抽采純量和抽采濃度對(duì)比曲線見圖5。從圖5中可看出：在60 d抽采時(shí)間內(nèi)，未壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采純量和抽采濃度平均為0.0024 m3/min和6.2%，壓裂區(qū)域平均為0.0051 m3/min和11.2%，分別提升1.13倍和0.81倍，瓦斯抽采效果提升顯著。

圖5 壓裂區(qū)域與未壓裂區(qū)域單孔抽采純量和抽采濃度對(duì)比曲線

3) 未壓裂煤體透氣性系數(shù)為0.007861 m2/(MPa2·d)，壓裂后為0.317582 m2/(MPa2·d)，提高40倍以上。

4) 水力壓裂后百米流量衰減系數(shù)由原始煤體百米流量衰減系數(shù)0.024減小到0.021，降低了12.5%。

4 結(jié) 論

1) 通過保安煤礦井下重復(fù)水力壓裂試驗(yàn)，形成了適用于該礦底板抽放巷的重復(fù)水力壓裂關(guān)鍵技術(shù)與流程。

2) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施重復(fù)水力壓裂試驗(yàn)表明，煤層水力壓裂影響半徑達(dá)到35 m以上；煤層透氣性系數(shù)提高40倍以上；瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量分別提高1.12倍和0.81倍。試驗(yàn)表明重復(fù)水力壓裂能夠有效提高井下瓦斯抽采效果，值得煤礦瓦斯災(zāi)害防治中推廣應(yīng)用。

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