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        水力壓裂增滲技術(shù)在低透氣性煤層的應(yīng)用

        2022-02-10 07:47:52霍晶晶
        山東煤炭科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:順層封孔裂孔

        霍晶晶

        (潞安化工寺家莊公司,山西 昔陽 045300)

        在低透氣性煤層瓦斯抽采中,常規(guī)鉆孔布置及參數(shù)進(jìn)行預(yù)抽采往往難以滿足要求。順層鉆孔水力壓裂技術(shù)是利用高壓水的沖擊力在煤層中鉆取順層鉆孔[1],高壓水壓入致裂。圖1 為順層鉆孔設(shè)備及管路連接示意圖。低透氣性煤層井下順層壓裂工藝在應(yīng)用中,為滿足井下防爆、多量程穿層壓裂等要求,需采用大流量泵體[2]。起裂所需壓力大于裂紋擴(kuò)展壓力,起裂后裂紋一般在弱面繼續(xù)擴(kuò)展[3]。

        圖1 順層鉆孔設(shè)備及管路連接示意圖

        順層鉆孔區(qū)段煤層瓦斯預(yù)抽更適應(yīng)低透氣性單一煤層突出礦井防突實(shí)際[4]。為滿足寺家莊礦井下實(shí)際工況,在15301 工作面開展改進(jìn)水力壓裂的封隔器串聯(lián)封孔工藝,優(yōu)化改進(jìn)水力壓裂在順層條件下的實(shí)際生產(chǎn)工藝,消除瓦斯治理盲區(qū)的相關(guān)工程實(shí)驗(yàn),并建立順層鉆孔水力壓裂技術(shù)在瓦斯抽采方面的影響效果評價(jià)體系。

        1 順層鉆孔壓裂施工工藝研究

        1.1 泵注壓力

        煤巖損傷破壞的本質(zhì)是能量不斷演化的結(jié)果,采用能量的觀點(diǎn)研究壓裂壓力更加符合實(shí)際情況[5-7]。因此,本節(jié)通過能量的原理確定煤層高壓壓裂壓力的大小。壓裂壓力直接影響著壓裂的實(shí)際效果,在較小的壓裂壓力情況下,水流濕潤效果不明顯,無法達(dá)到理想效果;若壓裂壓力較大,需要對壓裂設(shè)備有更高技術(shù)要求的同時(shí),還容易造成壓裂過程的煤與瓦斯突出[8]。壓裂孔是平面應(yīng)力問題,分析可知高壓水和地應(yīng)力直接影響周圍煤體的屈服破壞。

        最小主應(yīng)力隨著壓裂壓力的增大而降低,最大裂紋擴(kuò)展力發(fā)生在最大拉應(yīng)力方向。結(jié)合寺家莊礦工作面現(xiàn)場實(shí)際情況,針對不同的側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算即可得到高壓壓裂時(shí)煤體破裂的臨界水壓值,采用能量原理計(jì)算臨界壓裂壓力值為18~25 MPa,相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。

        表1 計(jì)算參數(shù)

        1.2 封孔長度

        根據(jù)現(xiàn)場壓裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),煤層壓裂過程中,封孔長度對于壓裂效果和煤壁的穩(wěn)定性具有重要影響。本次壓裂采用重慶煤科院提供專用封隔器(MKY80 型封隔器)和配套封孔管封孔,若壓裂孔封孔長度較短,一方面容易導(dǎo)致鉆孔中的水向外滲漏,無法保證壓裂量;另一方面將導(dǎo)致壓裂后的煤壁酥軟。煤層壓裂過程中一定要嚴(yán)格控制封孔長度,工作面前方煤體由于采動(dòng)影響而處于破碎狀態(tài),因此,封孔長度不得少于20 m。工藝流程如圖2。

        圖2 壓裂工藝流程

        以上設(shè)計(jì)的壓裂參數(shù)均為根據(jù)現(xiàn)有模型進(jìn)行的理論計(jì)算,由于寺家莊煤礦15 號煤層屬于厚煤層,具體施工參數(shù)的確定,需待對煤層進(jìn)行現(xiàn)場壓裂后,根據(jù)現(xiàn)場施工的條件進(jìn)行優(yōu)化,并對現(xiàn)有壓裂設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),并構(gòu)建成基于起裂壓力、壓裂半徑、漏失量計(jì)算、摩阻損失等參數(shù)的厚煤層水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)體系。

        2 順層鉆孔水力壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)

        2.1 順層鉆孔壓裂鉆孔布置

        寺家莊礦15301 工作面示意圖如圖3 所示。該工作面位于北一盤區(qū),傾斜長度220 m,可采走向長度2288 m,煤層厚度在3.75~7.2 m,平均厚度5.24 m,平均傾角4°。15#煤層瓦斯壓力在0.43~0.51 MPa,瓦斯含量最大為11.22 m3/t,煤的破壞類型為Ⅲ類,礦井為煤與瓦斯突出礦井。試驗(yàn)區(qū)域距構(gòu)造區(qū)域50 m,在試驗(yàn)區(qū)先對壓裂時(shí)間及壓裂影響半徑進(jìn)行試驗(yàn)考察,圖4 為壓裂孔及考察孔設(shè)計(jì)圖。壓裂施工前先在壓裂孔兩側(cè)間距20 m、30 m 處分別施工壓裂考察孔K1、K0,用于在壓裂過程中觀察出水情況。施工考察孔K1 時(shí)取煤樣測試煤體原始瓦斯含量及含水率??疾炜譑1 下管30 m,“兩堵一注”水泥砂漿封孔20 m,孔口安裝閘閥,如果考察孔出水,說明壓裂影響區(qū)域已覆蓋考察孔與壓裂孔之間20 m 范圍,則關(guān)閉閘閥繼續(xù)壓裂,直到另一側(cè)考察孔出水則停止壓裂,并記錄壓裂開始到考察孔出水時(shí)間。壓裂結(jié)束后在距離壓裂孔35 m、40 m、45 m 布置壓裂影響半徑考察孔(K2、K3、K4),取樣測瓦斯含量、含水率與原始煤體對比進(jìn)一步考察壓裂范圍(如果所測含量比原始含量小則說明在壓裂影響半徑內(nèi))。鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)表見表2。

        表2 壓裂半徑考察孔參數(shù)設(shè)計(jì)表

        圖3 15301 工作面示意圖

        圖4 采煤工作面壓裂半徑考察鉆孔布置圖(m)

        15301 工作面順層孔水力壓裂試驗(yàn)壓裂孔間距按10 m、20 m 和30 m 設(shè)計(jì),在15301 工作面回風(fēng)巷施工順層壓裂鉆孔,順層水力壓裂鉆孔(Y1#~Y20#孔)設(shè)計(jì)孔徑94 mm,孔深120 m。為了考察壓裂范圍及壓裂結(jié)束判識(shí),在壓裂孔兩側(cè)相同間距各施工一個(gè)考察孔(K1#~K21#孔)。

        15301 工作面進(jìn)風(fēng)巷順層壓裂鉆孔及考察孔設(shè)計(jì)施工參數(shù)詳見表3。在井下施工過程中,要達(dá)到鉆孔的有效性,需要對煤層瓦斯含量、原始水分以及煤層產(chǎn)狀進(jìn)行評價(jià)。選擇科學(xué)適合的鉆孔位置,輔助孔接入抽采管路,以保證壓裂過程能有足夠自由脹裂空間,同時(shí),為防止破碎煤粒堵塞流水通道,需設(shè)防水排渣裝置。

        表3 15301 工作面順層鉆孔壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)表

        2.2 順層鉆孔水力壓裂效果考察

        根據(jù)現(xiàn)場壓裂情況,完成壓裂影響半徑、抽采效果等的考察工作,并根據(jù)壓裂效果對壓裂參數(shù)及鉆孔布置進(jìn)行優(yōu)化,形成適用于某一礦井同一水平同一地質(zhì)單元內(nèi)的壓裂參數(shù)及效果考察方法。

        2.2.1 壓裂影響半徑考察

        (1)施鉆現(xiàn)象判識(shí)

        壓裂裂縫的有效擴(kuò)展范圍即為壓裂有效半徑,裂縫擴(kuò)展后,破壞煤層原始結(jié)構(gòu),施鉆過程中,出現(xiàn)高壓水涌出現(xiàn)象,并攜帶顆粒狀煤屑。因此,可通過鉆孔排水間接確定壓裂有效半徑。

        (2)瓦斯含量法

        壓裂后,煤層內(nèi)的游離瓦斯將被高壓水驅(qū)趕至壓裂有效半徑外圍區(qū)域,因此可通過對效果考察孔的瓦斯含量測定對壓裂有效半徑進(jìn)行判識(shí),瓦斯含量減小區(qū)域即為壓裂有效半徑范圍。為縮短考察時(shí)間,采用直接法測定壓裂區(qū)域的可解吸瓦斯含量,同時(shí)測定煤樣含水率。

        寺家莊礦15301 工作面完成了壓裂影響半徑考察。當(dāng)壓裂注水達(dá)到60 m3時(shí),考察孔K1 出水,關(guān)閉孔口閘閥,繼續(xù)壓裂達(dá)到80 m3時(shí)考察孔K0出水,直觀地說明順層鉆孔水力壓裂影響半徑達(dá)30 m 以上。

        2.2.2 抽采效果考察

        抽采濃度、抽采混合流量、抽采純量等作為對抽采效果評價(jià)的參數(shù),可直觀反映壓裂對煤體的增透作用,通過對比表征試驗(yàn)孔與對比孔的鉆孔瓦斯抽采難易程度。對比孔在鉆孔施工完成后,立即進(jìn)行封孔聯(lián)抽;試驗(yàn)孔在鉆孔施工完成并進(jìn)行水力壓裂后再封孔聯(lián)抽,最終對比評價(jià)參數(shù)。

        寺家莊礦井下順層孔的抽放單元根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求,設(shè)計(jì)單元間間隔為200 m,單元所在位置原設(shè)在400 m 壓裂區(qū),但受工作面生產(chǎn)限制,壓裂區(qū)實(shí)際在工作面外圍200 m,如圖5。設(shè)計(jì)抽放孔間距2.5 m,鉆孔長度120 m,封孔長度21 m。選擇一組未被壓裂且抽采鉆孔參數(shù)均一致的抽采單元進(jìn)行效果對比,安裝相同型號的抽采計(jì)量裝置進(jìn)行效果考察。

        圖5 不同區(qū)施工對比圖(m)

        從圖6 與圖7 可知,在15301 進(jìn)風(fēng)試驗(yàn)地點(diǎn),壓裂區(qū)平均濃度在36.2%,而非壓裂區(qū)僅在6.0%;壓裂區(qū)百孔純量(平均單孔純量)在3.73 m3/min,非壓裂區(qū)在0.35 m3/min。同時(shí)通過抽采排水系統(tǒng)測算,壓裂區(qū)排水量明顯降低,瓦斯含水率減小。

        圖6 不同區(qū)瓦斯抽采濃度變化

        圖7 不同區(qū)瓦斯抽采純量變化

        3 結(jié)論

        (1)采用順層鉆孔水力壓裂技術(shù),抽采濃度明顯提高。壓裂區(qū)在36.2%,非壓裂區(qū)在6.0%,約提高6 倍。

        (2)順層鉆孔水力壓裂區(qū)抽采純量明顯高于非壓裂區(qū)。壓裂區(qū)在3.73 m3/min,非壓裂區(qū)在0.35 m3/min,約提高11 倍。

        (3)通過對實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行順層鉆孔水力壓裂效果的研究,改進(jìn)得到水力壓裂在單一低透氣性煤層的實(shí)際生產(chǎn)施工工藝。采用抽采純量與濃度作為主要指標(biāo),開展了工作面順層鉆孔水力壓裂技術(shù)對瓦斯抽采促進(jìn)效果進(jìn)行評價(jià),為評測瓦斯抽采質(zhì)量,以瓦斯含量與含水率作為對比參數(shù)。

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