煤礦井下穿層鉆孔水力壓裂的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

謝長(zhǎng)虹

(松藻煤電有限責(zé)任公司渝陽(yáng)煤礦，重慶 401448)

我國(guó)95%以上的高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬于低透氣性煤層，透氣性系數(shù)在10－3～10－4md 數(shù)量級(jí)上，瓦斯抽放困難，嚴(yán)重威脅煤礦的生產(chǎn)安全［1－2］。因此煤儲(chǔ)層的低滲特征是煤礦瓦斯抽采的瓶頸，提高煤儲(chǔ)層的滲透性是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在煤礦井下進(jìn)行水力壓裂時(shí)，除具有增透作用以外，在頂板處理、防突、防沖、降塵、防自燃等方面均有顯著作用，并已開(kāi)始在我國(guó)大中型煤礦中廣泛應(yīng)用，取得了一定的效果。

渝陽(yáng)煤礦煤層瓦斯含量大，煤層透氣性系數(shù)低，井下鉆孔抽采效果差，嚴(yán)重制約了瓦斯治理和防突效果。為提高煤層的透氣性和提高抽采效果，在N3704 西瓦斯巷(下)實(shí)施穿層鉆孔水力壓裂，以求提高7 號(hào)煤層的瓦斯抽采效率，進(jìn)而通過(guò)解放7 號(hào)煤層對(duì)主采8 號(hào)煤層形成保護(hù)作用，改善由于瓦斯制約而不利于生產(chǎn)的被動(dòng)局面，積極探索通過(guò)水力壓裂治理瓦斯的新途徑。

1 虛擬儲(chǔ)層壓裂原理及可行性分析［3－8］

高壓水注入煤層中存在2 種情況:一是進(jìn)入具有彈性的原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，二是進(jìn)入塑性的碎粒煤和糜棱煤。

高壓水在彈性煤體中的壓裂過(guò)程，主要依賴于煤體的彈性作用以及弱面的支撐作用。而塑性煤體或者突出煤在壓裂過(guò)程中由于塑性煤顆粒的流動(dòng)，將在裂縫前端出現(xiàn)封堵現(xiàn)象。塑性煤體在封堵和壓實(shí)的雙重作用下，新形成的“壓裂裂縫”壁上會(huì)形成一層壓實(shí)帶，這些壓實(shí)帶最終造成煤層氣更難產(chǎn)出。碎粒煤與糜棱煤均屬于塑性煤的范疇。因此對(duì)于碎粒煤與糜棱煤在壓裂過(guò)程中無(wú)法產(chǎn)生有效裂縫，不適于水力壓裂。

在煤層壓裂效果很差的情況下，可以把排氣通道放在煤層的頂板或底板(虛擬儲(chǔ)層)，來(lái)改善煤層氣的開(kāi)采效果，從而達(dá)到提高煤層氣的采出率的目的。其基本方法是對(duì)煤層及其圍巖同時(shí)進(jìn)行壓裂改造，由于圍巖的可壓裂性強(qiáng)，壓裂后圍巖中裂隙在橫向和縱向上延伸更遠(yuǎn)更深，煤儲(chǔ)層中的氣體除了鉆孔周圍的氣體可以通過(guò)壓裂的煤層進(jìn)入鉆孔，遠(yuǎn)離鉆孔的煤層氣主要通過(guò)煤層與圍巖的接觸面處泄放流入圍巖，然后再順圍巖被壓裂的裂隙通道流到鉆孔中被抽采。“虛擬產(chǎn)層”開(kāi)發(fā)煤層氣減小了對(duì)脆弱煤層滲透率的傷害，規(guī)避了煤層的高塑性和低滲透性對(duì)開(kāi)采煤層氣帶來(lái)的不利影響。

渝陽(yáng)煤礦煤體類型主要以碎粒煤和糜棱煤為主，根據(jù)井下水力壓裂適用性，本次壓裂將壓裂鉆孔施工至煤層頂板，探索虛擬儲(chǔ)層壓裂工藝的適用性。

2 壓裂地點(diǎn)及鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)目前渝陽(yáng)煤礦礦井采、掘情況，壓裂地點(diǎn)定為N3704 西瓦斯巷(下)，壓裂鉆孔為穿層鉆孔，壓裂目標(biāo)煤層所在地層為龍?zhí)督M，煤系地層主要有砂巖類、泥質(zhì)巖類及煤組成。

為了準(zhǔn)確地獲取煤層參數(shù)，并檢驗(yàn)壓裂效果及測(cè)試抽采半徑，共布置標(biāo)準(zhǔn)孔2 個(gè)、壓裂孔1 個(gè)、檢驗(yàn)孔15 個(gè)，各孔位置見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔布置示意

本次封孔采用水泥砂漿封孔，原則上封孔深度在應(yīng)力集中帶以深即可。應(yīng)力集中帶的位置可通過(guò)測(cè)試鉆孔鉆屑量的方式確定，而封孔深度可根據(jù)掘進(jìn)迎頭及巷幫的應(yīng)力集中帶確定。

在總結(jié)歷次水力壓裂封孔長(zhǎng)度及深度的基礎(chǔ)上，結(jié)合裂隙方向、地應(yīng)力場(chǎng)方向、鉆孔方向及7號(hào)煤層的層位的關(guān)系，得此次的壓裂封孔由孔口封孔至7 號(hào)煤層底板。封孔示意圖見(jiàn)圖2。

3 壓裂數(shù)據(jù)分析

渝陽(yáng)煤礦N3704 西瓦斯巷(下)穿層鉆孔水力壓裂分2 個(gè)階段進(jìn)行，壓裂的有效時(shí)間為10.5h。其中第一階段壓裂持續(xù)時(shí)間為278min，總注入水量為22.74m3;第二階段持續(xù)350min，注水量為87.3 m3。

圖2 封孔示意

第1 次煤巖層產(chǎn)生破裂時(shí)間為第111min，此時(shí)壓力從45.1MPa 突降至36.1MPa，流量從1.2m3/h 升至2.6m3/h，因在此之后的15min 內(nèi)壓力和流量都未再有大的變化，所以判定此時(shí)形成了一條小型裂縫。為了增大裂縫，降低了壓力閥的開(kāi)度，形成了泵組壓力超限，泵組跳電停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的裂縫閉合。泵組重新啟動(dòng)后，在壓力達(dá)到42MPa 時(shí)，此裂縫重新開(kāi)啟，并在第157min 時(shí)裂縫充填飽和，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為壓力升高，流量降低。

第2 次煤巖層產(chǎn)生破裂是在第164min，此時(shí)壓力由40.8MPa 降至36.1MPa，流量由0.9m3/h升至16.1m3/h，此種狀態(tài)持續(xù)55min，在此期間調(diào)高注水流量，但效果不明顯，說(shuō)明此時(shí)形成了一條較大的裂縫，但向裂縫里注水的阻力很大。

在第一階段已形成大裂縫基礎(chǔ)上，第二階段注水壓裂過(guò)程于10min 后，壓力達(dá)到37.2MPa，流量達(dá)到16.6 m3/h，此狀態(tài)持續(xù)296min，壓力波動(dòng)為2MPa，流量波動(dòng)在1.5m3/h。壓裂中表現(xiàn)出的穩(wěn)定且較高的壓力，可能由兩方面原因造成:一為破裂面為煤巖層交界面，壓裂中高壓水一直沿著此面延深;二為注水后產(chǎn)生的裂縫內(nèi)的瓦斯的高反作用力。圖3 所示為水力壓裂全過(guò)程中施工壓力與流量曲線。

圖3 水力壓裂全過(guò)程施工壓力與流量曲線

由圖3 可知，水力壓裂過(guò)程中最高壓力值為50.3 MPa。壓裂曲線部分段表現(xiàn)為鋸齒狀，表明整個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了許多的微型裂縫，其將會(huì)增大煤層的透氣性(壓裂結(jié)束后，由壓裂孔放出的水量約為22.7m3)。

4 壓裂效果考察

4.1 壓裂半徑考察

4.1.1 確定沿煤層傾向的壓裂范圍

在施工檢驗(yàn)孔過(guò)程中，檢1 與檢2 均發(fā)生在鉆進(jìn)至8 號(hào)層時(shí)發(fā)生噴孔現(xiàn)象，由于其位于巖溶裂縫帶內(nèi)，故該兩孔的動(dòng)力現(xiàn)象不能說(shuō)明位于壓裂范圍內(nèi)。沿7 號(hào)煤層的傾向上，在壓裂孔以北60m 處的檢3 號(hào)孔施工過(guò)程中見(jiàn)水。據(jù)上述情況可以確定壓裂孔以北的壓裂有效半徑為60～70m。

在壓裂孔向南的方向上，處于壓裂孔以南60m處的標(biāo)準(zhǔn)1 孔在水力壓裂過(guò)程被高壓注水將連接在孔口測(cè)試參數(shù)的壓力表壓壞，而在距壓裂孔以北70m 處施工檢8 孔時(shí)，無(wú)異?，F(xiàn)象，故判定壓裂孔以北的壓裂有效半徑也為60～70m。

4.1.2 確定沿煤層走向的壓裂范圍

在距壓裂孔以西55m 處檢14 孔施工中，并無(wú)異?，F(xiàn)象，而在施工距壓裂孔以西30m 的檢9 孔時(shí)，出現(xiàn)了在全巖層里抱鉆現(xiàn)象，故判定壓裂孔以西壓裂有效半徑為30～55m。

施工距壓裂孔以東60m 處的檢12 孔至7 號(hào)煤層頂板時(shí)，有水流出，在施工距壓裂孔以東70m處的檢13 孔時(shí)，施工至7 號(hào)煤時(shí)未見(jiàn)有水，撤卸鉆桿至8 號(hào)煤時(shí)有水滴出，故得出壓裂孔以東的有效壓裂半徑為60～70m。

4.2 抽采參數(shù)對(duì)比

渝陽(yáng)煤礦水力壓裂抽采數(shù)據(jù)的對(duì)比，主要以時(shí)間為依據(jù)，將抽采時(shí)間相互接近的孔作為對(duì)比孔，即將N3704 西瓦斯巷(下)的檢1、檢3、檢6、檢8 孔以及壓裂孔與N3702 東瓦斯(下)的8 號(hào)、9 號(hào)瓦斯孔進(jìn)行抽采數(shù)據(jù)對(duì)比。N3702 東瓦斯巷(下)的日平均抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 N3702 東瓦斯巷(下)日平均抽采數(shù)據(jù)

N3704 西瓦斯巷(下)的檢1、檢3、檢6、檢8、壓裂孔與N3702 東瓦斯巷(下)的8 號(hào)孔、9 號(hào)孔的日平均抽采數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表2、表3。

表2 日平均抽采量對(duì)比

表3 平均瓦斯?jié)舛葘?duì)比

由上述數(shù)據(jù)可知，無(wú)論是混合量還是純量，N3704 西瓦斯巷(下)各孔的數(shù)據(jù)都比N3702 東瓦斯巷(下)8 號(hào)瓦斯孔和9 號(hào)瓦斯孔的大。在混合量上，與8 號(hào)瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為5.2～22倍，與9 號(hào)瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為1.7～7.3 倍;在純量上，與8 號(hào)瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為4.5～22.6 倍，與9 號(hào)瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為6.6～33.3 倍;在瓦斯?jié)舛壬?，與8 號(hào)瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為0.6～1.7 倍，與9 號(hào)瓦斯孔相比，增大倍數(shù)為2.6～8.1 倍。

5 結(jié)論

(1)在渝陽(yáng)煤礦進(jìn)行的井下水力壓裂試驗(yàn)基本形成了適應(yīng)于該礦井的穿層鉆孔水力壓裂工藝，對(duì)煤層內(nèi)瓦斯實(shí)施采前預(yù)抽，為日后回采打好安全基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)本試驗(yàn)，研究總結(jié)了煤體前方應(yīng)力集中帶分布特征，為煤礦井下鉆孔水力壓裂封孔深度的確定奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)比，基本形成了適合井下水力壓裂的封孔工藝。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)井下鉆孔水力壓裂試驗(yàn)的壓裂試驗(yàn)研究分析、壓裂后效果檢驗(yàn)，表明煤礦井下鉆孔水力壓裂對(duì)于提高抽采瓦斯量是非常有效的。

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