饒興江

(畢節(jié)中城能源有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 552109)

0 引言

水力壓裂技術(shù)起源于波蘭，是以水作為動(dòng)力，使煤體裂隙暢通的一種措施，常用于堅(jiān)硬難垮頂板及沖擊地壓防治[1-3]。水力壓裂增透技術(shù)是在水力壓裂技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸，即通過鉆孔向煤層壓入高壓水，當(dāng)水壓入的速度遠(yuǎn)超過煤層的自然吸水能力時(shí)，由于流動(dòng)阻力增加，進(jìn)入煤層的液體壓力逐漸上升，超過煤層上方的巖壓時(shí)，煤層內(nèi)原來(lái)的閉合裂隙就會(huì)被壓開形成新的流通網(wǎng)絡(luò)，煤層滲透性就會(huì)增加。當(dāng)壓入的液體被排出時(shí)，壓開的裂隙就為煤層瓦斯的流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。郭臣業(yè)[4]基于煤層控制水力壓裂概念，提出了高承壓上向孔和近水平孔的封孔方法，形成了壓裂水分布范圍探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)；康紅普[5]通過空心包體應(yīng)力計(jì)測(cè)量了水力壓裂前后鉆孔附近地應(yīng)力的變化，得出壓裂后鉆孔附近煤層的主應(yīng)力增量值、傾角、方位角均發(fā)生改變；吳擁政[6]針對(duì)煤柱護(hù)巷支護(hù)技術(shù)問題，提出了定向水力壓裂卸壓留巷技術(shù)；馮彥軍[7]通過研究表明，采用跨式膨脹型封隔器對(duì)堅(jiān)硬巖層可實(shí)現(xiàn)分段壓裂，水力壓裂效果明顯。

針對(duì)肥田煤礦9#煤層瓦斯壓力大、含量高，鉆孔工程量巨大，掘進(jìn)速度緩慢，嚴(yán)重制約了礦井的生產(chǎn)接替等問題，在肥田煤礦103底板瓦斯抽放巷內(nèi)對(duì)9#煤層實(shí)施條帶水力壓裂增透試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

肥田煤礦是畢節(jié)中城能源有限責(zé)任公司所屬煤礦之一，位于織金縣少普鄉(xiāng)[8]。該礦具有瓦斯含量高、瓦斯壓力大、煤層透氣性差、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，頂板大多為深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，含菱鐵質(zhì)結(jié)核或菱鐵礦薄層，伴有大羽羊齒等植物化石；底板大多為灰色或深灰色泥巖，少見粉砂巖，含菱鐵質(zhì)結(jié)核或鮞粒，層內(nèi)裂隙發(fā)育。9#煤層瓦斯壓力3.38 MPa，瓦斯含量11.5 m3/t，透氣性系數(shù)為0.016 mD，堅(jiān)固性系數(shù)為0.38，屬于典型的松軟低透氣性煤層，礦井瓦斯鑒定結(jié)果為煤與瓦斯突出礦井。

2 水力壓裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)與施工

2.1 壓裂地點(diǎn)的選擇

根據(jù)肥田煤礦9#煤層的開采、掘進(jìn)情況，并結(jié)合礦井瓦斯分布特征，選定在肥田煤礦103底板瓦斯抽放巷內(nèi)對(duì)9#煤層實(shí)施條帶水力壓裂增透試驗(yàn)。壓裂鉆孔為煤層底板鉆孔，擬壓裂區(qū)域與瓦斯抽放巷垂距約37 m，無(wú)大斷層或其他地質(zhì)構(gòu)造。煤層底板以灰色或深灰色泥巖為主，含少量粉砂巖，層內(nèi)裂隙發(fā)育。

2.2 壓裂參數(shù)確定

破裂壓力的計(jì)算：

Pb=3×σmin-σmax+σt[9]

式中：Pb—巖層破裂壓力，MPa；σmin—為水平最小主應(yīng)力，MPa；σmax—為水平最大主應(yīng)力，MPa；σt—巖體抗拉強(qiáng)度，MPa。

通過巖石三軸壓縮試驗(yàn)和巴西圓盤劈裂試驗(yàn)并結(jié)合水平主應(yīng)力結(jié)算公式[10]可以求得煤層底板最大水平主應(yīng)力σmax，最小水平主應(yīng)力σmin和巖體抗拉強(qiáng)度σt，結(jié)合各管路阻力損失之和最終算得泵注壓力為10 MPa左右。

注水量的確定：

Vs=KVt=Kabh[11]。

式中：Vs—單孔注水量，m3；Vt— 注水影響體體積，m3；K—影響體孔隙率；a—影響體長(zhǎng)度，m；b—影響體寬度，m；h—影響體高度，m。

通過計(jì)算可知單孔注水量為18 m3左右。

壓裂設(shè)備的選擇：根據(jù)試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和煤層底板巖石物理學(xué)性質(zhì)，壓裂設(shè)備主要由壓裂泵、水箱、高壓管路和監(jiān)控系統(tǒng)組成，具體泵組安裝位置、控制柜布置位置如圖1所示。瓦斯?jié)舛葌鞲衅靼惭b在距壓裂孔回風(fēng)側(cè)5 m位置處。

圖1 設(shè)備及管路連接示意圖

壓裂鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)：結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)資料及巷道布置情況，布置壓1號(hào)、壓2號(hào)、壓3號(hào)共3個(gè)水力壓裂試驗(yàn)鉆孔，壓裂半徑按30 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，壓裂鉆孔間距為50 m，其中壓1#開孔位置距103底板巷迎頭位置約200 m。3個(gè)鉆孔的具體參數(shù)見表1，鉆孔布置位置如圖2所示。本次試驗(yàn)使用內(nèi)徑φ25 mm，壁厚5 mm的壓裂管，經(jīng)計(jì)算最小封孔長(zhǎng)度為22.4 m，預(yù)選壓裂地點(diǎn)均滿足最小封孔長(zhǎng)度的要求，具備實(shí)施壓裂的可行性。

圖2 壓裂鉆孔布置剖面圖

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號(hào)壓裂孔94230巷道左幫位置46°51542號(hào)壓裂孔9423046°5154鉆孔終孔距離煤層頂0.2～0.5 m,不穿透煤層3號(hào)壓裂孔9423046°5154

2.3 壓裂施工

壓裂施工分為4個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、壓力上升階段、鉆孔破裂及延伸階段、停泵保壓排水階段。2015年9月18日，首先檢查壓裂泵體、各管路、閘閥等的連接問題，隨后試壓5 min，無(wú)明顯異常發(fā)生，完成壓裂前準(zhǔn)備工作。10時(shí)12分開始對(duì)1號(hào)孔進(jìn)行注水壓裂，開泵后泵注壓力緩慢上升至10 MPa左右，而后穩(wěn)定波動(dòng)，最大達(dá)12.3 MPa，壓裂至12時(shí)02分時(shí)，巡查發(fā)現(xiàn)巷道內(nèi)側(cè)距1號(hào)孔10 m的廢孔開始出水，12時(shí)20分時(shí)此孔出水量增大且伴有響聲，于是停泵排水結(jié)束本次壓裂，本次壓裂累計(jì)注水量約40 m3。

壓裂過程中泵組出口壓力變化曲線如圖3所示，通過對(duì)圖3分析可知，水力壓裂試驗(yàn)開始注水后，隨著注水時(shí)間的增長(zhǎng)，鉆孔內(nèi)的壓力不斷增高；當(dāng)水壓增長(zhǎng)到12.2 MPa時(shí)，煤層出現(xiàn)破裂，注入的水全部充填到裂隙之中，壓力曲線呈現(xiàn)出鋸齒形變化；隨著注水時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，煤巖體內(nèi)裂隙不斷增大，完成了水力壓裂的目的；在停泵排水之后，裂隙逐漸閉合。通過分析可知，水力壓裂時(shí)裂縫經(jīng)歷了“閉合-張開-增大-閉合”的過程，注水壓力的每一次上升與下降都間接反映了煤層內(nèi)裂隙的變化情況。

圖3 1#壓裂孔壓裂過程中壓力變化曲線

3 水力壓裂效果考察

3.1 壓裂效果考察

壓裂后煤層含水率和瓦斯含量：施工前3號(hào)壓裂孔原始煤體瓦斯含量為13.01 m3/t，含水率0.75%。經(jīng)過水力壓裂后，沿煤層走向距離壓裂孔40 m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量降低了1～5 m3/t，含水率增高最大約8個(gè)百分點(diǎn)，較原始煤體含水率提高近11倍；沿煤層傾向距離壓裂孔30 m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量降低了1～2 m3/t，含水率增高最大約1個(gè)百分點(diǎn)，與原始煤體含水率相比提升了約1.8倍。

壓裂后煤層瓦斯壓力：2號(hào)測(cè)壓孔煤層瓦斯壓力測(cè)試曲線如圖4所示。在測(cè)壓工作進(jìn)行到第五天時(shí)，壓力表壓力值達(dá)到0.71 MPa，之后連續(xù)觀測(cè)4 d壓力值不再發(fā)生變化，在拆表時(shí)釋放出的都是氣體，即本次瓦斯壓力未受到水壓的影響。本次水力壓裂9#煤后，測(cè)壓鉆孔測(cè)得的最大的瓦斯壓力為0.71 MPa，相比原始煤體瓦斯壓力3.38 MPa出現(xiàn)了大幅度降低。

圖4 測(cè)壓曲線示意圖

壓裂后煤層透氣性考察：煤層瓦斯自然流量是計(jì)算透氣性系數(shù)的重要參數(shù)，以3號(hào)壓裂孔為考察孔，測(cè)試并記錄了壓裂后9#煤層的瓦斯自然流量變化，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 壓裂后煤體瓦斯自然流量測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出壓裂后9#煤層瓦斯自然流量最大達(dá)1.45 L/min，且衰減較慢，可見壓裂后煤體透氣性得到了增強(qiáng)，根據(jù)肥田煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)告可知，9#未經(jīng)水力壓裂的原始煤層透氣性系數(shù)為0.683 25 m2/MPa2·d，通過計(jì)算得出壓裂后煤層透氣性系數(shù)λ為1.572 94 m2/MPa2·d，是原始煤層透氣性系數(shù)的2.3倍，9#煤層經(jīng)過水力壓裂后煤層透氣性顯著提高。

3.2 抽采效果考察

煤層原始區(qū)域與壓裂區(qū)域10 m間距考察區(qū)間瓦斯抽采濃度和單孔抽采量對(duì)比曲線如圖5和圖6所示。

圖5 壓裂前后煤層瓦斯抽采濃度對(duì)比曲線

圖6 壓裂前后煤層瓦斯單孔抽采純量對(duì)比曲線

壓裂區(qū)域10 m間距考察區(qū)間抽采鉆孔接抽100天時(shí)，瓦斯抽采平均濃度為21.31%，單孔濃度最大達(dá)95%，瓦斯平均抽采濃度是原始區(qū)域煤層瓦斯平均抽采濃度(15.32%)的1.39倍。接抽120天時(shí)，考察區(qū)間平均單孔瓦斯抽采純量為0.023 72 m3/min，最大達(dá)0.052 11 m3/min，而未進(jìn)行壓裂煤層同樣接抽120天時(shí)平均單孔瓦斯抽采純量?jī)H為0.013 59 m3/min，壓裂后的單孔瓦斯抽采純量較未進(jìn)行壓裂區(qū)域提升近1.24倍，該考察區(qū)間經(jīng)過水力壓裂后煤層瓦斯抽采效果得到顯著提升。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，120天內(nèi)該區(qū)間累計(jì)抽采瓦斯8.198萬(wàn)m3，殘余瓦斯含量5.01 m3/t，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，該區(qū)域煤層瓦斯抽采效果已達(dá)標(biāo)，鉆孔工程量較原始鉆孔布置方式減少50%，實(shí)現(xiàn)了單孔瓦斯抽采純量平均提高100%以上，穿層瓦斯抽采鉆孔工程量減少量不少于50%，大大降低了礦井煤層增透消突及瓦斯治理成本。

4 結(jié)論

(1)從施工過程可以看出實(shí)際最高注水壓力為12.2 MPa，壓力曲線的每一次鋸齒形波動(dòng)都反映了煤層裂隙閉合與張開的過程。

(2)水力壓裂后，9#煤層透氣性系數(shù)λ的值為1.572 94 m2/MPa2·d，是原始煤層透氣性系數(shù)的2.3倍，經(jīng)過水力壓裂后煤層透氣性顯著提高。

(3)水力壓裂后，煤層內(nèi)瓦斯含量瓦斯壓力大幅降低，含水率顯著提高，其中沿煤層走向距離壓裂孔40 m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量降低1～5 m3/t，含水率增高最大，較原始煤體含水率提高近11倍，與原始煤體瓦斯壓力3.38 MPa相比，瓦斯壓力最大可以降低2.67 MPa。

(4)水力壓裂后，瓦斯平均抽采濃度是原始區(qū)域煤層瓦斯平均抽采濃度(15.32%)的1.39倍，單孔瓦斯抽采純量較未進(jìn)行壓裂區(qū)域提升近1.24倍，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，120天內(nèi)該區(qū)間累計(jì)抽采瓦斯8.198萬(wàn)m3。鉆孔工程量較原始鉆孔布置方式減少50%，實(shí)現(xiàn)了單孔瓦斯抽采純量平均提高100%以上，大大降低了礦井煤層增透消突及瓦斯治理成本。