新義煤礦水力壓裂試驗與效果分析

艾燦標(biāo),賈獻(xiàn)宗,呂 濤,張西方,喬延武

(義馬煤業(yè)集團(tuán)永興公司,河南新安 471800)

新義煤礦水力壓裂試驗與效果分析

艾燦標(biāo),賈獻(xiàn)宗,呂 濤,張西方,喬延武

(義馬煤業(yè)集團(tuán)永興公司,河南新安 471800)

新義礦是煤與瓦斯突出礦井,煤層構(gòu)造發(fā)育齊全,煤厚變化較大,破壞嚴(yán)重,構(gòu)造煤全層發(fā)育,煤層松軟,煤層透氣性差,瓦斯預(yù)抽困難,抽放鉆孔成孔質(zhì)量較差。為提高抽放效率,確保煤巷安全快速掘進(jìn),通過水力壓裂增透技術(shù)試驗,取得了較好效果,達(dá)到了預(yù)期目的,為新義煤礦探索出了有效的瓦斯治理方案。

煤與瓦斯突出;水力壓裂;增透技術(shù);瓦斯抽放濃度

Test of Hydraulic Fracture and Its Effect Analysis in XinyiColliery

1 礦井概況

新義礦井田長約 10.50km,寬 3.79～4.52km,面積 43.44km2,可采煤層為二1煤層,煤層松軟,其直接頂板主要為細(xì) -中粒砂巖,厚度 5.30～21.68m,比較穩(wěn)定,巖性堅硬。其次,為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖,厚度為 1.6～5.05m,性脆易碎。二1煤底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖,少數(shù)為粉砂巖或細(xì)砂巖。實(shí)測煤層瓦斯含量為 6.37～12.84m3/t,平均 9.69 m3/t,煤層瓦斯壓力 0.57～1.25MPa;煤體硬度系數(shù) f值 0.22～0.65,平均 0.35,透氣系數(shù)小;瓦斯放散初速度ΔP值在 15.0～28.0。以上參數(shù)均符合煤與瓦斯突出條件,因此,二1煤層屬煤與瓦斯突出煤層,新義煤礦為煤與瓦斯突出礦井。

2 水力壓裂試驗原理與參數(shù)選擇

井下壓裂的基本原理即將壓裂液高壓注入煤(或巖)體中原有的和壓裂后出現(xiàn)的裂縫內(nèi),克服最小主應(yīng)力和煤巖體的破裂壓力,擴(kuò)寬并伸展和溝通這些裂縫,進(jìn)而在煤中產(chǎn)生更多的人造裂縫與裂隙,從而增加煤層的透氣性。

實(shí)施水力壓裂措施時,最重要的是各項參數(shù)選擇,包括壓裂孔布置方式、壓裂孔孔深、封孔深度、壓裂時間以及壓力等。

(1)鉆孔布置方式 以 11041工作面高抽巷穿層壓裂為例,壓裂布孔方案如圖 1。在 11041工作面高抽巷躲避硐內(nèi),施工穿層鉆孔 (穿透煤層全厚進(jìn)入煤層底板 0.5m),孔徑 φ72mm,與巷道軸線夾角 90°,俯角 30°施工壓裂孔 (壓裂后,安裝抽放管路作為抽放孔)。

圖1 11041工作面頂板水力壓裂措施鉆孔布置

(2)鉆孔孔深 壓裂對象為煤層段,全鉆孔共計約 40m。

(3)壓裂孔封孔深度 專用封孔器封孔,封孔器長度 10～20m,封孔器以外用無縫鋼管連接。封孔位置必須在煤巖交接面里 1～2m。

(4)注水壓力 合理的注水壓力應(yīng)該能夠快速、有效破裂松動煤體,進(jìn)而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結(jié)構(gòu),排放煤體瓦斯,達(dá)到消突的目的。水力壓裂注水壓力根據(jù)地應(yīng)力和瓦斯壓力,以及煤體受采動影響應(yīng)力重新分布的規(guī)律,初步確定為煤體注水壓力 8～30MPa。

(5)壓裂時間 壓裂時間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān),注水壓力、流速不同,相同條件下達(dá)到同樣效果的注水時間也不同。注水過程中,煤體被逐漸壓裂破壞,各種孔裂隙不斷溝通,高壓水在已溝通的裂隙間流動,注水壓力及注水流量等參數(shù)不斷發(fā)生著變化,注水時間可根據(jù)注水過程中壓力及流量的變化來確定,當(dāng)注水泵壓降為峰值壓力的 30%左右,可以作為注水結(jié)束時間。

從開始注水到水力壓裂措施結(jié)束大約需要60min。每 5min升壓 2MPa,泵壓達(dá)到設(shè)計要求,穩(wěn)定一段時間后,壓力迅速下降,并持續(xù)加壓時壓力無明顯上升,或者巷道瓦斯?jié)舛让黠@升高時,說明巷道迎頭產(chǎn)生裂縫,此時停泵,關(guān)閉卸壓閥,壓裂程序結(jié)束。

3 水力壓裂設(shè)備與儀表

壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、水箱、壓力表、專用封孔器等組成,如圖 2所示。

圖2 壓裂系統(tǒng)布置

壓裂泵選用額定壓力為 50MPa、最大排量為1.2m3/min的 YL400/315型柱塞壓裂泵。為便于操作和控制,壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件,壓力表采用直感耐震壓力表、專用本安型電流式壓力傳感器及電壓式渦輪流量傳感器。

特制井下壓裂專用水箱長 4000mm,直徑2000mm,單個容積 12m3,多只水箱并聯(lián),通過φ102mm軟管與壓裂泵吸入總管連接。

高壓管路選用 φ50mm高壓膠管。鉆孔內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管,采用快速接頭與封孔器和高壓膠管相連接。無縫鋼管外徑 57mm,內(nèi)徑 45mm,壁厚6mm,每節(jié)長 3m。壓裂工具限流尾管開孔,孔密10孔 /m,鋼管底部絲堵封口并開孔。

選用專用封孔器,其抗壓強(qiáng)度不低于 40MPa,外徑 65mm,內(nèi)徑 45mm,加壓擴(kuò)張系數(shù) 2～3。

4 3次水力壓裂試驗過程

4.1 11041高位抽排巷水力穿層壓裂試驗

試驗地點(diǎn)位于義煤集團(tuán)新義煤礦 11041工作面軌道巷高位抽排巷下段,巷道布置在二1煤層頂板,距二1煤 6～10m。試驗點(diǎn)總煤厚在 2m左右,單層在 1m左右,此次試驗采用水力穿層壓裂。

在 11041工作面軌道巷高位抽排巷下段,施工2個壓裂鉆孔 (7號、 9號)和 1個觀察孔,孔徑φ70mm,壓裂孔孔深 22.2m和 26m,封孔深度20m,封孔器長度 10m。壓裂過程中從小到大,最大注水壓力 25MPa,最大注水流量 0.37m3/min,總注水量約 20m3。壓裂結(jié)束后,施工了 7個抽放孔對壓裂效果進(jìn)行檢驗。

4.2 11011工作面軌道巷水力順層壓裂試驗

試驗地點(diǎn)位于 11011工作面軌道巷 578m處(34鉆場)。巷道布置正處于由沿頂改為沿底掘進(jìn)過渡期間,該段煤層較厚,平均厚約 13m,試驗點(diǎn)總煤厚 10m左右,采用水力順層壓裂。

在 11011軌道巷 34鉆場施工 1個壓裂鉆孔和32和 36鉆場內(nèi)施工 2個觀察孔,孔徑 φ70mm,壓裂孔孔深 45m,封孔深度 27m,封孔器長度 10m。壓裂過程中從小到大,最大注水壓力 27MPa,最大注水流量 0.39m3/min,總注水量約 22 m3。壓裂結(jié)束后,施工了 3個抽放孔對壓裂效果進(jìn)行檢驗。

4.3 11011工作面軌道巷掘進(jìn)面水力超前壓裂

試驗地點(diǎn)位于 11011工作面軌道巷 43鉆場。此地點(diǎn)巷道采用沿底掘進(jìn)方式,試驗地點(diǎn)煤厚約8m,此次試驗為掘進(jìn)工作面水力超前壓裂。

在 11011工作面軌道巷 43鉆場迎頭施工了 1個壓裂孔,孔徑 φ70mm,壓裂孔孔深 60m,封孔深度 30m,封孔器長度 10m。壓裂過程中從小到大,最大注水壓力 34MPa,最大注水流量 0.4m3/min,總注水量約 15m3。

5 水力壓裂試驗效果分析

5.1 壓裂后現(xiàn)場情況

(1)11041工作面高抽巷壓裂后現(xiàn)場 壓裂后,現(xiàn)場壓裂縫沿巷道掘進(jìn)方向向上延伸 15m,向下延伸 20m,裂縫寬度最大寬達(dá) 20mm,平均寬度10mm左右,壓裂孔所在的巷幫出現(xiàn)破裂,巖體外移30mm。

(2)11011工作面軌道巷 34鉆場壓裂后現(xiàn)場

壓裂后,11011軌道巷 34鉆場 20m (前方 10m和后方10m)左右范圍內(nèi)巷道底板有明顯的下落浮煤,頂部個別背木有折斷,未發(fā)現(xiàn)巷道內(nèi)有裂縫、底鼓和煤體位移等現(xiàn)象。

(3)11011工作面軌道巷 43鉆場壓裂后現(xiàn)場壓裂后,11011軌道巷 43鉆場前方幫部煤體出現(xiàn)裂縫,并往外滲水。

5.2 壓裂前后抽放參數(shù)對比分析

(1)11041工作面高抽排巷壓裂 第 1次壓裂試驗中 1號、2號、3號孔在 9號壓裂孔影響范圍內(nèi),4號、5號、6號孔在 7號壓裂孔影響范圍內(nèi),8號孔在壓裂影響范圍之外。壓裂后統(tǒng)計 21個小班,共抽瓦斯 5435.341m3,抽放參數(shù)如表 1。

表1 11041工作面高抽排巷抽放參數(shù)

從統(tǒng)計參數(shù)分析,在抽放負(fù)壓相近的情況下,抽放 21個小班,1號孔平均抽放濃度約為 8號孔的 84.7倍,抽放量約為 8號孔的 117.3倍;2號孔平均抽放濃度約為 8號孔的 8.74倍,抽放量約為8號孔的 13.1倍;3號孔平均抽放濃度約為 8號孔的 12.9倍,抽放量約為 8號孔的 31.5倍;壓裂范圍內(nèi) 4,5,6號孔抽放濃度和抽放量也大于非壓裂影響范圍 8號孔。壓裂后 1號孔最高抽放濃度達(dá)37.4%,抽放濃度高于 10%的抽放時間達(dá) 7d。

(2)11011工作面軌道巷 34鉆場壓裂 第 2次 34鉆場 2號孔為壓裂孔,34鉆場 1號、3號孔,32鉆場 1號、2號孔,36鉆場 1號孔為抽放孔均在壓裂影響范圍之外。壓裂后統(tǒng)計 30個小班共抽瓦斯 6607.074m3,抽放參數(shù)如表 2。

表2 11011工作面軌道巷壓裂抽放參數(shù)

從統(tǒng)計參數(shù)分析,在抽放負(fù)壓相近的情況下,抽放 30個小班,34鉆場 2號壓裂孔平均抽放濃度約為 32鉆場 1號檢驗孔的 4.5倍,抽放量約為 32鉆場 1號檢驗孔的 5.4倍;34鉆場 2號壓裂孔平均抽放濃度約為 32鉆場 2號檢驗孔的 8.7倍,抽放量約為 32鉆場 2號檢驗孔的 10.2倍;34鉆場 2號壓裂孔平均抽放濃度約為 34鉆場 1號檢驗孔的25.2倍,抽放量約為 34鉆場 1號檢驗孔的 8.9倍;34鉆場 2號壓裂孔平均抽放濃度約為 34鉆場 3號檢驗孔的 3.5倍,抽放量約為 34鉆場 3號檢驗孔的 4.8倍;34鉆場 2號壓裂孔平均抽放濃度約為36鉆場 1號檢驗孔的 19.8倍,抽放量約為 36鉆場1號檢驗孔的 7.7倍。4孔的抽放濃度和抽放量均小于 34鉆場 2號壓裂孔。壓裂后,34鉆場 2號壓裂孔最高抽放濃度達(dá) 88.8%,前 10d瓦斯抽放濃度均大于 22%。

壓裂前,11011工作面單孔抽放濃度一般未超過 20%,平均不到 10%。比如,軌道巷 25鉆場超前孔抽放濃度平均只有 8.1%,本煤層抽放孔開始抽放前 5d平均不到 5%;27鉆場超前孔抽放濃度平均只有 7.2%,本煤層抽放孔,開始抽放前 5d抽放濃度平均只有 4.2%;28鉆場超前孔抽放濃度平均只有 6.9%。

比較壓裂孔與檢驗孔及壓裂孔與未壓裂區(qū)域鉆孔抽放濃度,可看出壓裂后抽放濃度大大提高。

(3)11011工作面軌道巷 43鉆場壓裂 43鉆場內(nèi)壓裂前,只施工了壓裂孔,未施工檢驗孔。壓裂孔開始抽放前 10d和其附近 3個鉆場的超前抽放參數(shù)平均值統(tǒng)計如表 3。

表3 11011工作面軌道巷 43鉆場壓裂抽放參數(shù)

從表 3統(tǒng)計參數(shù)分析,在抽放負(fù)壓相近的情況下,壓裂孔的平均抽放濃度是附近鉆場抽放孔的 3倍左右。據(jù)抽探隊提供的抽放鉆孔檢測參數(shù)報表顯示,壓裂孔前 10d的抽放濃度都在 8%以上,最大抽放濃度達(dá)到 43.5%,而 43鉆場附近鉆場超前鉆孔抽放濃度均超過 30%。

在抽放參數(shù)統(tǒng)計過程中,發(fā)現(xiàn) 3次試驗都有一個共同點(diǎn),抽放濃度變化類似拋物線,即抽放濃度隨著時間變化先上升,到達(dá)最大值之后緩慢下降。平常抽放濃度很少超過 15%,壓裂后抽放濃度大幅度提高。

6 結(jié)論

通過壓裂,煤層的透氣性增大,單孔抽放濃度、抽放量大幅度提高,如 1號孔單孔抽放量達(dá)3765.066m3,是壓裂區(qū)外 8號孔抽放量的近 120倍;34鉆場 2號壓裂孔單孔抽放量達(dá) 3811.2m3,抽放量約為壓裂區(qū)外 32鉆場 2號檢驗孔的 10.2倍;43鉆場壓裂孔抽放濃度是附近鉆場超前抽放孔平均濃度的 3倍。

從以上 3次壓裂試驗統(tǒng)計情況分析不難看出,壓裂有利于提高抽放效果。實(shí)踐表明,可以在新義煤礦推廣壓裂增透技術(shù),提高煤層透氣性,提高瓦斯抽放效率,保證礦井安全快速生產(chǎn)。

TD712.3

B

1006-6225(2010)04-0109-03

2010-05-14

艾燦標(biāo) (1974-),男,水族,貴州三都水族自治縣,助理工程師,現(xiàn)為河南省義煤集團(tuán)永興公司新義項目部技術(shù)副經(jīng)理。

鄒正立]