低透氣突出煤層水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用研究

郭 峰

(中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司綜合辦公室,河南省平頂山市,467000)

低透氣突出煤層水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用研究

郭 峰

(中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司綜合辦公室,河南省平頂山市,467000)

針對(duì)低透氣性突出煤層瓦斯難以抽采的問(wèn)題,在壓裂機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,提出定向水力壓裂增透技術(shù)并對(duì)影響裂隙定向擴(kuò)展的因素進(jìn)行分析。將該技術(shù)應(yīng)用于平頂山礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明,水力壓裂前平均百米鉆孔瓦斯流量為8.15×10-4m3/min,壓裂后10 d內(nèi)流量達(dá)到2.241×10-2m3/min,是壓裂前的27.5倍,該技術(shù)對(duì)低透氣性突出煤層起到均勻卸壓作用,消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

低透氣煤層 突出煤層 水力壓裂 瓦斯抽放

1 煤層水力壓裂工藝

1.1 定向壓裂技術(shù)研究

在井下水力壓裂試驗(yàn)中,為控制煤體裂縫起裂、擴(kuò)張的隨機(jī)性,根據(jù)鉆孔沿各層理弱面擴(kuò)展機(jī)理的分析,研究開(kāi)發(fā)了高壓脈沖水射流割縫裝置,形成了煤層“割縫-壓裂”新技術(shù),即通過(guò)在煤層中人工造縫,增加和改變煤層層理弱面方向,控制壓裂裂縫發(fā)展實(shí)現(xiàn)定向壓裂?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用高壓脈沖水射流割縫方式,在與煤層主裂隙垂直方向制造新裂隙,而后進(jìn)行高壓水力壓裂,使煤層裂隙均勻發(fā)展,達(dá)到煤層定向壓裂和整體卸壓的目的。定向壓裂作用下煤層裂隙網(wǎng)分布如圖1所示。

圖1 定向壓裂作用下煤層裂隙網(wǎng)分布

壓裂作用下煤層裂縫的擴(kuò)展與煤的物理力學(xué)特性、斷裂面和裂隙的分布、煤巖交界面狀況等因素有關(guān)。通過(guò)研究平頂山礦區(qū)壓裂現(xiàn)場(chǎng)煤體受力情況,分析煤體破裂和延伸方向。現(xiàn)場(chǎng)采用高壓脈沖水射流在煤層中切縫并進(jìn)行水力壓裂,當(dāng)煤體和頂?shù)装宓膸r性特征相差較大時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)壓裂壓力,能有效控制起裂和延伸方向。

研究表明,煤巖交界面狀況對(duì)裂縫的擴(kuò)展影響較大,同時(shí)認(rèn)為可用抗剪強(qiáng)度來(lái)衡量交界面性質(zhì)。弱界面能中止裂縫的擴(kuò)展,而不受界面兩邊煤巖相對(duì)性質(zhì)的影響,連接較強(qiáng)的交界面最終能使裂縫穿過(guò)界面而延伸到彈性模量較小的巖層。在地層深處煤巖處于三向壓縮應(yīng)力狀態(tài),作用在天然裂隙斷裂面上的法向應(yīng)力很大,裂隙多處于閉合狀態(tài),而且斷裂面多被充填壓實(shí),水力壓裂裂縫在多數(shù)情況下可以穿過(guò)這些弱面。

1.2 煤層水力壓裂設(shè)備

煤層水力壓裂系統(tǒng)由注水泵、水箱、壓力表、專用封孔器、注水器等組成,各部分連接布置見(jiàn)圖2。

圖2 煤層水力壓裂系統(tǒng)裝置示意圖

1.3 水力壓裂參數(shù)設(shè)置

(1)注水壓力選擇。以平頂山十二礦為例,根據(jù)水力壓裂試驗(yàn)區(qū)煤巖力學(xué)參數(shù),經(jīng)計(jì)算當(dāng)注水壓力大于28.8 MPa時(shí),煤層在高壓水作用下起裂,應(yīng)變能開(kāi)始釋放。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高壓泵的實(shí)際平穩(wěn)供壓能力,最終將壓裂壓力保持在30.0 MPa。在壓裂試驗(yàn)過(guò)程中,起始?jí)毫Τ醪皆O(shè)定為15.0 MPa,在鉆孔周邊煤體濕潤(rùn)后逐步加壓,直至注液壓力達(dá)到30.0 MPa。

(2)壓裂時(shí)間控制。壓裂時(shí)間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān)。注水過(guò)程中煤體逐漸被壓裂破壞,各種孔裂隙不斷溝通,高壓水在已溝通的裂隙間流動(dòng)時(shí),注水壓力和注水流量等參數(shù)不斷變化,注水時(shí)間可根據(jù)壓裂過(guò)程中壓力及流量的變化來(lái)確定。若注水壓力穩(wěn)定一段時(shí)間后迅速下降,持續(xù)加壓時(shí)壓力無(wú)明顯上升,或者檢驗(yàn)孔附近瓦斯?jié)舛让黠@升高或有水涌出時(shí),說(shuō)明壓裂孔和檢驗(yàn)孔之間已經(jīng)完成壓裂,此時(shí)即可停泵。

2 煤層水力壓裂工業(yè)性應(yīng)用

2.1 平頂山十二礦煤層水力壓裂技術(shù)應(yīng)用

(1)試驗(yàn)工作面概況。平頂山十二礦為煤與瓦斯突出礦井,開(kāi)采煤層透氣性差,瓦斯較難抽采。以十二礦己15-17200工作面為例,該工作面走向長(zhǎng)1000 m,可采走向長(zhǎng)750 m,工作面長(zhǎng)220 m,標(biāo)高為-495～-562 m,平均煤厚3.5 m,采高3.2 m,煤層傾角11～17°,煤層瓦斯壓力為2.1 MPa,瓦斯含量約為24.35 m3/t,煤層瓦斯儲(chǔ)量約1948萬(wàn) m3。己15-17200工作面壓裂孔布置見(jiàn)圖3。

圖3 十二礦己15-17200工作面壓裂孔布置圖

(2)煤層水力壓裂抽采效果分析。在十二礦己15-17200工作面水力壓力試驗(yàn)中,選取壓裂區(qū)域10個(gè)本煤層抽放鉆孔作為考察對(duì)象,對(duì)壓裂前后瓦斯抽放情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于壓裂前鉆孔瓦斯?jié)舛人p速度快,為充分進(jìn)行壓裂前后效果的對(duì)比,取壓裂前15 d的抽放參數(shù)進(jìn)行分析。以壓裂區(qū)域8#檢測(cè)孔為例,壓裂前后鉆孔瓦斯抽放濃度變化見(jiàn)圖4。

由圖4可知,水力壓裂前,8#檢測(cè)孔最大瓦斯抽放濃度為14%,9 d后衰減為零。壓裂后瓦斯?jié)舛然境噬仙厔?shì),在考察期內(nèi)最大濃度達(dá)27%,是壓裂前最大濃度的2倍左右,而且還有增加趨勢(shì)。

圖4 己15-17200風(fēng)巷8#檢測(cè)孔抽放濃度曲線

對(duì)壓裂前后各10 d內(nèi)壓裂區(qū)域10個(gè)抽放孔的瓦斯流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,水力壓裂前平均百米鉆孔瓦斯流量為8.15×10-4m3/min,壓裂后10 d內(nèi)達(dá)到2.241×10-2m3/min,是壓裂前的27.5倍。可見(jiàn)煤層水力壓裂增透效果顯著,促進(jìn)了瓦斯抽放流量的大幅提高。

(3)煤層水力壓裂影響半徑分析。壓裂前通過(guò)在壓裂區(qū)域打鉆取樣,化驗(yàn)得到煤體原始水份含量為1%左右,壓裂后距壓裂孔不同距離處施工鉆孔,分別在鉆孔20 m和40 m深度處進(jìn)行取樣并化驗(yàn)水含量。壓裂后煤體水含量變化如圖5所示。

由圖5可知,壓裂后煤體水含量在 1.2～2.89%之間,其中距壓裂孔57 m處煤體水含量為1.2%,接近原始水份。綜合分析確定水力壓裂影響范圍為43～52 m。

圖5 己15-17200進(jìn)風(fēng)巷壓裂后水含量變化曲線

2.2 平頂山十礦和十三礦水力壓裂效果綜合分析

平頂山十礦和十三礦均為煤與瓦斯突出礦井,為考察煤層定向水力壓裂瓦斯抽采和消突效果,以十礦己15.16-24110工作面和十三礦己15.17-11070工作面為例,對(duì)壓裂前后相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。工作面回采期間考察參數(shù)情況見(jiàn)表1。

表1 水力壓裂前后回采工作面考察參數(shù)對(duì)比

通過(guò)壓裂前后各參數(shù)的對(duì)比分析可知,水力壓裂后煤層透氣性系數(shù)和瓦斯抽采量急劇增加?；夭蛇^(guò)程中發(fā)現(xiàn)校檢指標(biāo)超標(biāo)率大幅降低,粉塵產(chǎn)生量減少,并且減少了工作面淺孔排放鉆孔和校檢措施孔的工程量,大大提高了回采效率。

同時(shí),采用單項(xiàng)指標(biāo)法、多項(xiàng)指標(biāo)法、殘余瓦斯含量法和瓦斯預(yù)抽率等多種方法對(duì)實(shí)施定向水力壓裂的工作面進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明,平頂山十礦己15.16-24110和十三礦己15.17-11070工作面經(jīng)過(guò)壓裂增透抽采,消除了突出危險(xiǎn)性。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合平頂山礦區(qū)煤層瓦斯抽放情況,為控制煤體裂隙擴(kuò)展方向,提出煤層“割縫-壓裂”定向致裂技術(shù),通過(guò)對(duì)影響裂隙定向擴(kuò)展的因素進(jìn)行分析,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)形成了一套水力壓裂工藝。

(2)將定向水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于低透氣性突出煤層,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂應(yīng)用可以大幅度提高煤層透氣性,在煤體內(nèi)形成大范圍卸壓區(qū),消除了煤層突出危險(xiǎn)性,達(dá)到突出煤層安全生產(chǎn)的目的。

[1]李曉紅,盧義玉,向文英.水射流理論及在礦業(yè)工程中的應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2007

[2]張國(guó)華.本煤層水力壓裂致裂機(jī)理及裂隙發(fā)展過(guò)程研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2004

[3]袁亮.高瓦斯礦區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件安全高效開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2006(2)

[4]梁衛(wèi)國(guó),趙陽(yáng)升.鹽類礦床群井水力壓裂連通理論與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(S2)

[5]張國(guó)華,葛新.水力壓裂鉆孔始裂特點(diǎn)分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(6)

[6]楊秀夫,劉希圣.國(guó)內(nèi)外水壓裂縫幾何形態(tài)模擬研究的發(fā)展現(xiàn)狀[J].西部探礦工程,1997(6)

[7]李同林.水壓致裂煤層裂縫發(fā)育特點(diǎn)的研究[J].地球科學(xué)-中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),1994(4)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Application research of air-penetration improvement technology by hydraulic fracture to coal seams

Guo Feng
(General Office of China Pingmei Shenma Energy Chemical Group,Pingdingshan,Henan 467000,China)

Gas drainage is difficult to be implemented at the low air-penetration coal seams.To settle this issue,based on the study of fracture mechanism,the technology of directional hydraulic fracture is put forward to improve air penetration to coal seams,and analysis to the factors that influence the cracks development is made.This technology is applied on site trial at Pingdingshanmining area.The result indicates that,gas flow volume averagely per 100m hole before hydraulic fracture was 8.15×10-4m3/min,while it reaches 2.241×10-2m3/min after fractured,27.5 times of the previous figure.The technology has the function of releasing gas contained in the low air-penetration outburst coal seams,and it could eliminate outburst risks of coal and gas.

low air-penetration coal seam,outburst coal seam,hydraulic fracture,gas drainage

TD712.6

B

郭峰(1976-),男,陜西省山陽(yáng)縣人,工程師,學(xué)士,研究方向?yàn)槊旱V通風(fēng)與安全。