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        地面壓裂與井下鉆孔對(duì)接聯(lián)合抽采技術(shù)

        2019-08-05 01:44:48馬錢錢
        煤礦安全 2019年6期

        馬錢錢

        (1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

        我國(guó)煤層地質(zhì)條件復(fù)雜,80%以上的高瓦斯煤層屬于低透氣性煤層。對(duì)于不具備開采保護(hù)層條件的單一高瓦斯低透氣性煤層,單純依靠常規(guī)瓦斯抽采技術(shù)存在抽采難度大、效果差等缺點(diǎn),需要研究適宜的增透、促抽新技術(shù);在當(dāng)前礦井高產(chǎn)高效發(fā)展要求下,高瓦斯低透氣性煤層較長(zhǎng)的抽采達(dá)標(biāo)周期制約了礦井先進(jìn)的綜采綜掘設(shè)備能力的發(fā)揮,因此,需要進(jìn)一步提高瓦斯抽采效率,實(shí)現(xiàn)抽掘采有序銜接,保障礦井安全與高產(chǎn)高效[1]。隨著煤與瓦斯共采理論的推廣應(yīng)用,我國(guó)在“地面”和“井下”瓦斯抽采方面,分別形成了較為成熟的地面井抽采利用工程成套技術(shù),以及以千米定向鉆孔技術(shù)為代表的井下鉆孔抽采技術(shù)。在高瓦斯低透氣性煤層礦區(qū)形成了“地面井+井下鉆孔(巷道)抽采”的立體瓦斯抽采格局[2-3]。地面井抽采技術(shù)和井下鉆孔抽采技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn),在技術(shù)上可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),而如何實(shí)現(xiàn)地面和井下抽采技術(shù)在時(shí)空上的有效結(jié)合和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),需要展開探索和研究,為此提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采相結(jié)合的瓦斯抽采技術(shù)。

        1 地面壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理

        煤層水力壓裂包括煤體裂縫起裂和裂縫延伸2個(gè)方面,當(dāng)注水壓力超過(guò)煤體的起裂壓力時(shí),其發(fā)生破裂。已有研究表明:水力壓裂裂縫基本在煤層中擴(kuò)展,形成水平裂縫,裂縫延伸方向主要受地應(yīng)力場(chǎng)控制,多平行于地層最大水平主應(yīng)力方向或垂直于斷層走向,縫寬隨裂縫擴(kuò)展而變小。煤層水力壓裂是水壓主裂縫與分支裂縫交替擴(kuò)展延伸的過(guò)程,最終形成主裂縫與分支裂縫交叉的裂縫網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

        1.1 水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響因素分析

        煤層水力壓裂裂縫的起裂和擴(kuò)展主要與煤巖內(nèi)在本質(zhì)因素(力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力場(chǎng))以及外部工藝因素(泵注壓力、注水流量和注水時(shí)間)有關(guān)。在實(shí)際壓裂過(guò)程中,主要靠外部工藝因素來(lái)影響裂縫的擴(kuò)展效果。壓裂過(guò)程注水壓力不是一個(gè)恒定值,而是1條隨著注水時(shí)間變化的曲線,可以近似地將該曲線對(duì)應(yīng)的峰值注水壓力當(dāng)作起裂壓力。由于注水壓力與注水流量和注水時(shí)間直接相關(guān),主要研究注水流量和注水時(shí)間對(duì)壓裂效果的影響。

        1.2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展數(shù)值分析

        運(yùn)用顆粒離散元PFC2D數(shù)值模擬軟件,建立50 m×50 m 的模型,設(shè)計(jì)不同注水參數(shù)(5.076~17.676 m3/h等量遞增的8組不同注水流量;400~700 s等量遞增的7組不同的注水時(shí)間)組合成56組數(shù)值計(jì)算方案,模擬分析不同注水參數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響,對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出的注水參數(shù)與壓裂半徑的數(shù)值關(guān)系數(shù)值模型如圖1。

        圖1 數(shù)值模型圖

        基于多組壓裂數(shù)值模擬結(jié)果,分析得到注水時(shí)間、注水流量的壓裂半徑隨注水時(shí)間變化曲線及散點(diǎn)圖(圖 2)。

        壓裂半徑與注水時(shí)間、注水流量均存在很好的線性關(guān)系。根據(jù)相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論:壓裂半徑可以擬合成與注水流量和注水時(shí)間線性相關(guān)的關(guān)系式。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到壓裂半徑與注水參數(shù)的函數(shù)關(guān)系:

        式中:L 為壓裂半徑,m;Q 為注水流量,m3/h;t為注水時(shí)間,s。

        圖2 注水時(shí)間、注水流量與壓裂半徑的關(guān)系圖

        2 地面壓裂井下裂縫影響范圍研究

        2.1 實(shí)驗(yàn)室煤層水力壓裂數(shù)值模擬

        建立150 m×120 m的模型,底部設(shè)置壓裂孔,數(shù)值計(jì)算模型如圖3。采用控制流量的注水加壓方式,初始水壓p0取2 MPa。壓裂模擬參數(shù)見表1,煤層物理力學(xué)參數(shù)按照壓裂井實(shí)際煤層地質(zhì)選取。

        圖3 數(shù)值計(jì)算模型

        表1 壓裂模擬參數(shù)

        水力壓裂模擬裂紋展布如圖4。由圖4可知,模擬得出的壓裂裂縫大致呈1條直線,沿著最大水平地應(yīng)力力方向擴(kuò)展,壓裂裂縫延伸長(zhǎng)度為99.8 m。

        2.2 地面壓裂井下影響范圍現(xiàn)場(chǎng)考察

        圖4 水力壓裂模擬裂紋展布圖

        通過(guò)巷道和鉆孔揭露壓裂井周圍的排渣見砂情況,定點(diǎn)軌跡追蹤裂縫延展方向和范圍,實(shí)測(cè)壓裂裂縫大致呈1條直線,且主要沿著煤層與頂板間形成裂縫,微小裂隙分支較少,直線方向?yàn)橹髁严斗较?,裂縫寬0.06 m,長(zhǎng)半軸方向的影響范圍約94 m。

        2.3 地面壓裂井下影響范圍預(yù)計(jì)分析

        通過(guò)地面壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究,提出了煤體水力壓裂壓裂半徑與注水流量、注水時(shí)間關(guān)系的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,并基于實(shí)際水力壓裂過(guò)程,將選定的注水參數(shù)(注水流量 108.6 m3/h,注水時(shí)間為 1.13 h)代入壓裂半徑與注水參數(shù)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算,得出壓裂半徑為99.50 m,其與井下實(shí)際測(cè)得的壓裂半徑94 m非常接近。

        對(duì)實(shí)際水力壓裂過(guò)程進(jìn)行數(shù)值摸擬得出的結(jié)果為沿著最大主應(yīng)力方向水力壓裂裂縫延伸99.8 m,同樣與井下實(shí)際測(cè)得的壓裂半徑94 m非常接近。

        綜上所述,對(duì)于壓裂半徑,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值、數(shù)值模擬結(jié)果以及解析解三者差別不大,基于顆粒離散元方法的水力壓裂數(shù)值模擬能較好地反映水力壓裂裂紋擴(kuò)展特性。

        3 地面和井下抽采技術(shù)時(shí)空關(guān)系

        地面井抽采技術(shù)具有安全、設(shè)備能力大、覆蓋煤層范圍大、不占用井下巷道空間、機(jī)動(dòng)性好和利用率高等優(yōu)點(diǎn),但其適用煤層條件苛刻,排采成功率低,成本高。井下瓦斯抽采技術(shù)具有適用范圍廣,易精確控制目標(biāo)抽采區(qū)域,與井下采掘作業(yè)銜接緊密,成本低的優(yōu)點(diǎn),但其受井下作業(yè)空間限制,抽采范圍小且勞動(dòng)強(qiáng)度高。為實(shí)現(xiàn)2種抽采技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采結(jié)合方式,發(fā)揮地面壓裂的壓力高、規(guī)模大的優(yōu)勢(shì),對(duì)目標(biāo)煤層區(qū)域強(qiáng)力增透,同時(shí),利用井下抽采的精確控制和緊密銜接的特點(diǎn)強(qiáng)化瓦斯抽采?!跋炔伎缀髩毫选钡慕Y(jié)合方式要在空間上實(shí)現(xiàn)地面壓裂井井位布置與礦井巷道、鉆孔布置相協(xié)調(diào);“先壓裂后布孔”的結(jié)合方式要在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)地面壓裂與煤層鉆孔工程協(xié)調(diào)一致[6-7]。

        3.1 井下抽采鉆孔與壓裂井井底空間關(guān)系

        井下對(duì)接鉆孔布孔設(shè)計(jì)是井上下聯(lián)合抽采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)預(yù)計(jì)的壓裂裂縫延伸方向及范圍、已掘巷道位置,確定鉆孔的終孔位置,將鉆孔布置在預(yù)計(jì)安全壓裂影響范圍外,確保巷道壁或鉆孔不被壓穿。

        根據(jù)地面壓裂井下裂縫影響范圍研究結(jié)果,預(yù)計(jì)壓裂主裂縫為平行主應(yīng)力方向的直線,壓裂影響范圍為以主裂縫為長(zhǎng)軸的橢圓,長(zhǎng)半軸長(zhǎng)約100 m。設(shè)計(jì)壓裂前對(duì)接鉆孔終孔點(diǎn)與壓裂井井底的距離大于100 m,并留20 m安全距。

        鉆孔終孔與壓裂井井底相對(duì)位置如圖5,在距離抽采鉆孔120、180、200 m處分別施工3口地面壓裂井,進(jìn)行不同安全距離的鉆孔抽采效果對(duì)比。不同安全距離鉆孔瓦斯抽放參數(shù)見表2。

        圖5 鉆孔終孔與壓裂井井底相對(duì)位置圖

        表2 不同安全距離鉆孔瓦斯抽放參數(shù)

        由表2可知,在不同的安全距離條件下施工井下對(duì)接鉆孔,對(duì)目標(biāo)煤層的增透促抽效果差異明顯,安全距離為180、200 m以上鉆孔抽采效果相當(dāng),而安全距離為120~180 m的鉆孔區(qū)域受壓裂影響較大,鉆孔抽采效果明顯提高,預(yù)抽時(shí)間大大縮短。

        在3口壓裂井覆蓋的巷道掘進(jìn)期間,實(shí)測(cè)了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值[8-10],經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出防突指標(biāo)K1(大于0.4)的占比為7.8%,而正常區(qū)域巷道掘進(jìn)時(shí)測(cè)得的K1(大于0.4)的占為40%~50%。可見,在地面井壓裂和井下鉆孔抽采的雙重作用下,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)大小明顯減小,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性降低。

        地面壓裂井與井下對(duì)接鉆孔空間位置關(guān)系至關(guān)重要,對(duì)接鉆孔終孔點(diǎn)應(yīng)布置在距離壓裂井井底120~180 m范圍內(nèi),此時(shí),地面壓裂和井下抽采實(shí)現(xiàn)了空間上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),聯(lián)合抽采效果最好,超過(guò)180 m后,地面壓裂對(duì)井下對(duì)接鉆孔抽采的影響較小,聯(lián)合抽采效果不明顯。

        3.2 地面壓裂和井下抽采鉆孔銜接時(shí)間關(guān)系

        地面壓裂后,裂縫將經(jīng)歷“擴(kuò)張-保持-閉合”3個(gè)階段,煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)也相應(yīng)的經(jīng)歷“打破-動(dòng)態(tài)平衡-穩(wěn)定”3個(gè)階段,在時(shí)間銜接上,井下鉆孔施工要在壓裂后形成相對(duì)穩(wěn)定的“動(dòng)態(tài)平衡”階段完成。

        為此進(jìn)行“先壓裂后布孔”試驗(yàn),通過(guò)考察同種布孔參數(shù),不同滯后時(shí)間下鉆孔施工難易程度、成孔率、鉆孔流量、濃度等參數(shù),研究確定井下鉆孔施工滯后地面壓裂的合理時(shí)間。

        在滯后地面壓裂不同時(shí)間向壓裂井底施工定向長(zhǎng)鉆孔,對(duì)鉆孔滯后地面井壓裂0~2個(gè)月、2~4個(gè)月以及4個(gè)月以上3種情況進(jìn)行考察,滯后壓裂不同時(shí)間的鉆孔施工情況和鉆場(chǎng)抽采情況見表3。

        表3 滯后壓裂不同時(shí)間的鉆孔施工情況和鉆場(chǎng)抽采情況

        綜合比較井下鉆孔滯后地面壓裂3種情況,滯后2~4個(gè)月時(shí),鉆孔長(zhǎng)時(shí)間維持較高的抽采濃度和百米鉆孔流量,抽采效率顯著提高,很好地利用了地面壓裂對(duì)井下抽采的有利影響,能夠?qū)崿F(xiàn)抽采效益最大化。地面壓裂后2~4個(gè)月內(nèi)是最佳的井下鉆孔銜接抽采時(shí)間,

        4 結(jié)論

        1)提出了“先布孔后壓裂”和“先壓裂后布孔”2種地面壓裂與井下抽采相結(jié)合的瓦斯治理辦法。

        2)分析并確定了裂縫起裂和延展的因素,給出了地面壓裂裂縫擴(kuò)展理論計(jì)算方法,即壓裂半徑L與注水流量Q和注水時(shí)間t的數(shù)學(xué)關(guān)系式:L=0.62Q+8.383×10-3t-0.448,為地面壓裂造縫、布孔設(shè)計(jì)等提供理論支撐。

        3)對(duì)實(shí)際水力壓裂過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬得出水力壓裂裂縫沿著最大主應(yīng)力方向延伸99.8 m,模擬預(yù)計(jì)的壓裂半徑與實(shí)測(cè)的壓裂半徑94 m相近,說(shuō)明數(shù)值模擬具有很好的適用性。

        4)地面壓裂作業(yè)與井下抽采鉆孔合理的時(shí)間和空間銜接參數(shù)為:采用“先布孔后壓裂”的結(jié)合方式,對(duì)接鉆孔終孔點(diǎn)布置宜在距離壓裂井井底120~180 m范圍內(nèi);采用“先壓裂后布孔”的結(jié)合方式,井下鉆孔布置宜滯后地面壓裂2~4個(gè)月,即在裂縫保持階段施工鉆孔。

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