陳 建，賈秉義，董瑞剛，孫四清，趙繼展

(1.淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)分公司潘三煤礦，安徽 淮南 232052)

受多期構(gòu)造運(yùn)動影響，碎軟低滲煤層在我國廣泛發(fā)育，在應(yīng)力作用下，煤層破碎，裂縫不發(fā)育，連通性較差，導(dǎo)致煤層滲透性較差，瓦斯抽采困難。隨著礦井開采深度的增加，地應(yīng)力條件更趨復(fù)雜，瓦斯抽采難度進(jìn)一步加大[1，2]。水力壓裂技術(shù)被證明是增加煤層透氣性，改善煤層瓦斯抽采效果的有效技術(shù)途徑[3，4]，目前已經(jīng)在地面煤層氣、油氣田和頁巖氣開發(fā)中廣泛應(yīng)用[5，6]。相關(guān)科研人員將地面水力壓裂設(shè)備改造升級以后引入了煤礦井下，并已經(jīng)在全國多個礦區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。目前煤礦井下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了底板穿層鉆孔水力壓裂[7]、底板穿層定向長鉆孔整體壓裂[8]、本煤層順層定向長鉆孔整體壓裂[9]、定向長鉆孔分段壓裂等[10]，并且取得了不錯的應(yīng)用效果，初步證明了水力壓裂增透技術(shù)在煤礦井下瓦斯防治領(lǐng)域的應(yīng)用前景。但是受限于煤礦井下作業(yè)空間、水力壓裂施工設(shè)備能力，施工工藝等條件，目前煤礦井下水力壓裂用壓裂液均為清水，尚未開展水力壓裂加骨料增透相關(guān)研究。而清水壓裂形成的裂縫在地應(yīng)力和巖層自重的作用下會逐漸閉合，導(dǎo)致壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯抽采流量衰減速度快，水力壓裂效果維持時間較短。

目前地面常用的水力壓裂加骨料增透裝備體積大，功率高，系統(tǒng)連接復(fù)雜，對施工條件要求較高，無法直接應(yīng)用于煤礦井下。為了探索適合煤礦井下的水力壓裂加骨料增透技術(shù)，筆者選取淮南礦區(qū)潘三煤礦進(jìn)行煤礦井下水力壓裂加骨料增透試驗(yàn)，以期為煤礦井下水力壓裂技術(shù)提供新的思路和方法。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

潘三煤礦構(gòu)造形態(tài)總體為一單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)镹WW-SEE，地層傾角一般5°～10°，呈淺部陡—深部緩的趨勢。因受區(qū)域性南北擠壓作用，井田斷裂構(gòu)造極為發(fā)育。潘三煤礦主采煤層為13-1煤和11-2煤，均為煤與瓦斯突出煤層。17102(3)工作面位于礦井一水平東四采區(qū)，標(biāo)高-680～-724m。開采13-1煤層，煤層厚度為3.2～6.2m，平均厚度4.0m，黑色，弱玻璃光澤，局部塊煤內(nèi)生裂隙較發(fā)育，夾鏡煤條帶，屬半亮～半暗型煤。煤層賦存穩(wěn)定，總體上呈單斜狀，東高西低，煤(巖)層產(chǎn)狀210°～273°∠6°～11°，平均8°。煤層直接頂發(fā)育一層灰～深灰色的泥巖，局部含砂，性脆，中下部富含植化石碎片。煤層直接底發(fā)育有3m厚的灰色泥巖，中間偶夾有0.6m左右的細(xì)砂巖；直接底下部發(fā)育12煤層，厚度0.2～0.8m；12煤層下部主要發(fā)育有平均7.2m的砂質(zhì)泥巖及14.5m的細(xì)砂巖。17102(3)工作面附近共有斷層20條，其中落差大于3m的7條，大于5m的2條。試驗(yàn)區(qū)域13-1煤層瓦斯含量為8.4m3/t，實(shí)測瓦斯壓力2.6～2.8MPa，煤層透氣性系數(shù)0.022m2/(MPa2·d)。13-1煤層f值約為0.26～0.52，屬典型的碎軟、低透氣性、高瓦斯突出煤層，較難抽放。

相關(guān)學(xué)者[3，11，12]對于碎軟低滲煤層的增透機(jī)理進(jìn)行了探討研究，但尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。

2 水力壓裂加骨料增透機(jī)理探討

煤層瓦斯的運(yùn)移產(chǎn)出包含解吸、擴(kuò)散和滲流等一系列復(fù)雜過程，煤層瓦斯抽采的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)煤基質(zhì)表面瓦斯連續(xù)不斷解吸并快速向鉆孔空間流動。煤層瓦斯連續(xù)有效解吸需達(dá)到2個基本條件：第一，降低儲層壓力(卸壓)，打破煤層內(nèi)瓦斯吸附-解吸平衡狀態(tài)，只有持續(xù)不斷的降低儲層壓力，瓦斯才能連續(xù)解吸；第二，存在瓦斯運(yùn)移的良好通道，即煤巖體滲透性較好，能為解吸出的瓦斯提供從高濃度區(qū)擴(kuò)散至低濃度區(qū)并有效流動的條件。對于受構(gòu)造破壞嚴(yán)重的碎軟煤層，由于其孔徑小，孔隙連通性差，而孔容和比表面積又較大，在沒有外部影響的情況下，瓦斯的擴(kuò)散滲流難度較大[13，14]。

水力壓裂技術(shù)是地面油氣田、煤層氣、頁巖氣開發(fā)的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是將流體以大于地層慮失速率的排量注入地層，當(dāng)流體的注入壓力大于地層破裂壓力時地層破裂形成裂縫，同時在主裂縫周邊形成次一級的裂縫，使原有裂縫系統(tǒng)相互溝通，從而達(dá)到改善地層透氣性，降低瓦斯運(yùn)移難度，實(shí)現(xiàn)瓦斯強(qiáng)化抽采的目的[15，16]。對于巖層和中硬煤層，水力壓裂能夠在較大范圍產(chǎn)生裂縫，形成局部空間內(nèi)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂有效半徑內(nèi)的煤層滲透率提高，改善了煤層內(nèi)瓦斯流動能力，因此其瓦斯涌出量較未壓裂煤層顯著提高。但是采用清水壓裂形成的裂縫在地應(yīng)力和巖層自重的作用下，裂縫會逐漸閉合，導(dǎo)致瓦斯抽采效率降低，影響水力壓裂施工效果。而對于碎軟低滲煤層來說，由于煤層整體處于塑性狀態(tài)，高壓水進(jìn)入此類煤體時，可描述為“高壓水?dāng)D脹—穿刺—再擠脹”這一過程的反復(fù)循環(huán)[11，12]，如圖1所示。由于煤體破碎嚴(yán)重，已經(jīng)不存在原生的規(guī)則裂隙，水力壓裂并不能形成新的裂縫，而是在煤體中擠壓形成一條通道，若采用清水壓裂，通道周邊的煤體在壓實(shí)作用和水敏效應(yīng)下導(dǎo)致煤層滲透性進(jìn)一步降低，影響水力壓裂施工效果。而在壓裂液中加入支撐劑，支撐劑可以增加碎軟煤層顆粒的不均勻性，避免煤層由于壓實(shí)作用而導(dǎo)致的滲透性降低，保障碎軟煤層水力壓裂施工效果。

圖1 碎軟煤層高壓力水力壓裂穿刺過程

3 水力壓裂加骨料增透工程設(shè)計(jì)及施工

3.1 水力壓裂加骨料施工參數(shù)設(shè)計(jì)

在潘三煤礦-817m東翼軌道大巷24#、25#鉆場向17102(3)工作面運(yùn)輸巷施工2個水力壓裂加骨料試驗(yàn)鉆孔，鉆孔編號分別為Y17和Y18。鉆孔與巷道夾角為90°，孔徑為94mm，Y17孔設(shè)計(jì)孔深為85.5m，見13-1煤深度為79.4～85.5m；Y18孔設(shè)計(jì)孔深為71.2m，見13-1煤深度為65～71.2m。水力壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

本次煤礦井下水力壓裂加骨料增透試驗(yàn)選用支撐劑為超低密度聚合物，規(guī)格為20～40目，該支撐劑粒度均勻，密度約為1.27kg/m3。壓裂液為清水。

3.2 水力壓裂加骨料鉆孔封孔

水力壓裂鉆孔封孔是水力壓裂加骨料增透試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，對試驗(yàn)成敗具有重要影響。目前，煤礦井下水力壓裂采用的封孔方法主要是膠囊封孔器封孔和密封材料封孔兩大類技術(shù)。由于本次試驗(yàn)鉆孔為底板穿層鉆孔，鉆孔傾角較大，封孔深度較深，封孔段較長，因此本次主要采用水泥砂漿材料封孔。具體封孔工藝為：鉆孔施工完成后，全孔下入封孔管，封孔管最前端位于煤層中間位置，孔底預(yù)留13-1煤層揭露位置作為壓裂室。其中封孔管最前端至見煤點(diǎn)前3m內(nèi)為篩管，其余為實(shí)管。封孔管為?40mm無縫鋼管，注漿管為軟管，采用“一堵兩注”方式進(jìn)行帶壓注漿封孔，壓裂鉆孔封孔工藝如圖2所示。

圖2 加骨料壓裂鉆孔封孔工藝

1)返漿管下至?40mm篩管外2m處，同時孔底1m返漿管為篩管式，便于返漿，在孔口以內(nèi)2m段，纏繞棉紗，并灌注聚氨酯膨脹封孔料，作為堵頭。

2)第一次注漿，待外堵頭處聚氨酯發(fā)酵凝固后，按水灰比0.8∶1配置水泥漿液，用注漿泵將調(diào)好的水泥漿液通過孔口的注漿管注入孔內(nèi)，待封孔管返水泥停止注漿。

3)12h后，仍按水灰比0.8∶1從返漿管二次注漿，注漿壓力不低于4MPa，封孔完成后，打開護(hù)孔管閥門，將管內(nèi)漿液排出，凝固72h以上。

3.3 水力壓裂加骨料施工流程

本次煤礦井下水力壓裂加骨料增透試驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓裂泵組、遠(yuǎn)程控制開關(guān)、氣動控制閥門組及高壓加骨料裝置組成，如圖3所示。其中，壓裂泵組采用2臺BRW200/56型壓裂泵并聯(lián)，單泵流量為200L/min，額定壓力56MPa。高壓加骨料裝置由內(nèi)徑?194mm的圓柱形鋼質(zhì)腔體(壁厚30mm)、?19mm的高壓進(jìn)出口、?31.5mm加砂口、?31.5mm泄壓口焊接組成，裝置容積25.6L，額定壓力60MPa，如圖4所示。

1—水箱；2—壓裂泵；3—防爆電機(jī)；4—電纜；5—中保開關(guān)；6—高壓膠管；7—壓裂管路；8—監(jiān)控系統(tǒng)；9—閥門；10—過壓保護(hù)；11—泄壓閥門；12—壓力、流量探頭；13—電磁閥門；14—平板車；15—高壓保護(hù)膠管；16—回流管路；17—高壓加骨料裝置圖3 水力壓裂加骨料系統(tǒng)

圖4 高壓加骨料裝置結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)系統(tǒng)工作流程為：由壓裂泵組提供流量為400L/min、最高壓力為56MPa的壓裂液，經(jīng)過高壓加骨料裝置與骨料混合后，通過高壓管匯及護(hù)孔管進(jìn)入鉆孔進(jìn)行加骨料壓裂。單次加骨料壓裂完成后，通過高壓閥門遠(yuǎn)程控制裝置，關(guān)閉孔口閥門組進(jìn)行保壓，打開高壓加骨料裝置卸壓閥門進(jìn)行卸壓，按設(shè)計(jì)量再次加入骨料，通過遠(yuǎn)程閥門控制開關(guān)打開孔口閥門組，開啟壓裂泵組進(jìn)行循環(huán)加骨料壓裂。通過高壓閥門和泵組遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程可控、定量加注骨料的壓裂施工，保證了施工安全，確保加注壓裂液與骨料比例，保障施工效果。

由于加砂裝置位于壓裂泵組與鉆孔之間，因此高壓水砂只經(jīng)過高壓加砂裝置的一個出口，且與地面加砂壓裂相比，煤礦井下水力壓裂加骨料增透試驗(yàn)砂比較低，對裝置的磨蝕程度有限。再者該裝置整體上為對稱結(jié)構(gòu)，高壓水進(jìn)口和高壓水砂出口可以調(diào)換使用，同樣可以增加裝置的使用壽命。

3.4 水力壓裂加骨料施工

Y17壓裂鉆孔水力壓裂加骨料施工累計(jì)用時7個班次，最大泵注壓力29.1MPa。累計(jì)注入壓裂液213m3，其中前置液92.1m3，攜骨料液106.9m3，頂替液14m3，累計(jì)注入超低密度聚合物176.5kg，支撐劑配比0.16%。Y18壓裂鉆孔水力壓裂加骨料施工累計(jì)用時4個班次，最大泵注壓力30.1MPa。累注入壓裂液92.6m3，其中前置液30.06m3，攜骨料液55.54m3，頂替液7m3，累計(jì)注入超低密度聚合物110.25kg，支撐劑配比0.20%。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。Y17壓裂鉆孔泵注壓力曲線如圖5所示。

表2 水力壓裂加骨料施工情況統(tǒng)計(jì)

圖5 Y17鉆孔整體監(jiān)測壓力變化情況

煤巖層臨界破裂壓力等于孔壁破裂處的應(yīng)力集中加上煤巖石的抗張強(qiáng)度[18]。經(jīng)計(jì)算試驗(yàn)區(qū)域破裂壓力為11.6MPa。鄰近礦井采用注入壓降試井測試方法測得13-1煤層破裂壓力在11.20～11.49MPa之間。由圖5可知，加骨料壓裂施工泵注壓力整體大于13MPa，最大分別達(dá)到29.1MPa和30.1MPa，且部分時間點(diǎn)壓力波動幅度較大。這是因?yàn)樵谇爸靡盒纬闪芽p通道后，攜砂液攜帶支撐劑進(jìn)入到已形成的裂縫中，隨著支撐劑的增多，裂縫被逐漸堵塞，在鉆孔周圍形成封堵帶，使得孔內(nèi)壓力上升。當(dāng)孔內(nèi)壓力達(dá)到煤層裂隙再次開啟的條件時，繼續(xù)注入攜砂液使煤層裂隙迅速開啟、擴(kuò)展、延伸。隨著鉆孔加骨料壓裂的持續(xù)進(jìn)行，煤層重復(fù)發(fā)生上述破裂行為，使得裂隙不斷向鉆孔周邊更遠(yuǎn)距離煤層擴(kuò)展、延伸。

4 增透效果分析

4.1 與未壓裂鉆孔對比

Y17壓裂鉆孔監(jiān)測抽采數(shù)據(jù)43d，日抽采瓦斯純量5.39～37.75m3，換算成百孔瓦斯純量0.3745～2.6214m3/min，平均1.3112m3/min。Y18壓裂鉆孔監(jiān)測抽采數(shù)據(jù)66d，日抽采瓦斯純量2.64～50.18m3，換算成百孔瓦斯抽采純量為0.1836～3.4847m3/min，平均1.7057m3/min。收集了16個與Y17壓裂鉆孔位于同一區(qū)域的常規(guī)穿層抽采鉆孔的抽采數(shù)據(jù)，換算成百孔瓦斯抽采純量為0.1703～0.4968m3/min，平均0.3581m3/min?？芍獕毫雁@孔百孔瓦斯抽采純量是常規(guī)未壓裂鉆孔的2～15倍。

4.2 不同支撐劑比例抽采效果對比

Y17壓裂鉆孔的支撐劑加注比例為0.17%，Y18壓裂鉆孔的支撐劑加注比例為0.2%。抽采數(shù)據(jù)分析表明，加注比例更高的Y18壓裂鉆孔，最高百孔瓦斯抽采量為3.49m3/min，抽采66d后穩(wěn)定百孔瓦斯抽采純量為2.57m3/min，平均百孔瓦斯抽采純量1.71m3/min，而加注比例低的Y17壓裂鉆孔，最高百孔瓦斯抽采量為2.62m3/min，抽采43d后穩(wěn)定百孔瓦斯抽采純量為2.02m3/min，平均百孔瓦斯抽采純量1.31m3/min，不同骨料比例百孔抽采流量對比見表3。

表3 不同骨料比例百孔抽采流量對比

由表3可知，Y18壓裂鉆孔百孔最高瓦斯抽采純量、穩(wěn)定瓦斯抽采純量、平均瓦斯抽采純量分別是Y17壓裂鉆孔的1.33、1.27和1.31倍，初步表明在相同類型和相同規(guī)格支撐劑的條件下，加大支撐劑比例，有助于提高水力壓裂加骨料增透效果。

5 結(jié) 論

1)選用超低密度聚合物為支撐劑，運(yùn)用后置加骨料工藝，在淮南礦區(qū)潘三煤礦進(jìn)行了2個底板穿層鉆孔的水力壓裂加骨料增透試驗(yàn)。加砂量分別為176.5kg和110.25kg，支撐劑比分別是0.17%和0.2%。實(shí)現(xiàn)了煤礦井下高壓端加骨料增透技術(shù)的突破，為煤礦井下瓦斯強(qiáng)化抽采提供了新方法。

2)與常規(guī)未壓裂鉆孔對比，水力壓裂加骨料增透鉆孔百孔瓦斯抽采純量是常規(guī)未壓裂鉆孔百孔瓦斯抽采純量的2～15倍。

3)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果初步表明，在支撐劑類型和規(guī)格相同的條件下，加大支撐劑比例，有助于提高水力壓裂加骨料增透效果。