低透氣性煤層水力壓裂卸壓增透技術(shù)

王立武

(山西省新景煤業(yè)有限公司)

低透氣性煤層水力壓裂卸壓增透技術(shù)

王立武

(山西省新景煤業(yè)有限公司)

針對(duì)新景煤礦3#煤層瓦斯含量高、抽采效率低的難題，提出水力壓裂技術(shù)。闡述了水力壓裂增透技術(shù)的作用機(jī)理，分析了壓裂后煤層透氣性及抽采效果，結(jié)果表明：水力壓裂增透技術(shù)在低透氣性突出煤層能起到明顯的增透、降塵作用，水力壓裂影響區(qū)域內(nèi)煤層透氣性提高了26倍，煤層走向上的影響半徑可達(dá)到40～60 m，達(dá)到了增大煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率的目的。

高瓦斯 低透氣性 水力壓裂 瓦斯抽采

近年來(lái)，隨著我國(guó)礦井開采深度的增加和開采規(guī)模的擴(kuò)大，煤層原始瓦斯含量和地應(yīng)力不斷提高，煤層及圍巖的透氣性越來(lái)越低，導(dǎo)致瓦斯抽采困難、鉆孔施工周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)和接替。因此，必須要提高煤層滲透率以達(dá)到預(yù)抽煤層瓦斯的良好效果。目前除了在工程上加大鉆孔密度、延長(zhǎng)抽放時(shí)間外，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層的卸壓增透技術(shù)主要有CO2深孔預(yù)裂爆破、開采解放層、煤層注水、大直徑卸壓鉆孔等[1]，這些技術(shù)在一些礦井瓦斯治理中產(chǎn)生了一定的效果，但也都存在缺點(diǎn)。如CO2深孔預(yù)裂爆破設(shè)備昂貴，操作過程較為復(fù)雜，在煤與瓦斯突出煤層應(yīng)用時(shí)常常會(huì)誘發(fā)突出，且在操作工藝上有高壓危險(xiǎn)[2]；開采解放層技術(shù)在突出礦井開采煤層群時(shí)，卸壓增透效果非常明顯，但對(duì)于單一低透氣性煤層卻一籌莫展；大直徑卸壓長(zhǎng)鉆孔對(duì)鉆機(jī)性能要求較高，打鉆時(shí)易出現(xiàn)卡鉆、鉆頭和鉆桿脫落等問題，且施工周期長(zhǎng)，容易造成礦井正常接替緊張[3]。在低透氣性煤層應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，可以增加煤層裂隙，有效提高煤層透氣性[4]，擴(kuò)大煤層瓦斯抽采范圍，瓦斯抽采量得到大幅提高。針對(duì)以上情況和新景礦3#煤層的具體特點(diǎn)，本文采用水力壓裂技術(shù)解決瓦斯抽采困難的問題。

1 煤層概況

新景煤礦位于沁水煤田陽(yáng)泉礦區(qū)西部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a，開采3#、8#、15#煤層。3#煤層位于山西組中部，標(biāo)高為+850～+230 m，最大埋深超過973 m，煤層平均厚2.26 m，屬中厚煤層，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層；頂板主要為灰黑色沙質(zhì)泥巖、粉砂巖或細(xì)砂巖，底板主要為黑灰色泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰褐色沙質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖；煤層透氣性系數(shù)為0.018 8～0.137 7 m2/(MPa2·d)，鉆孔百米流量衰減系數(shù)為0.068 7～1.594 2 d-1，較難抽放；煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa。

2 水力壓裂增透技術(shù)機(jī)理

煤層水力壓裂增透是將一定流量的高壓水注入煤層中，在高壓水作用下煤層產(chǎn)生裂隙并發(fā)育變寬、變長(zhǎng)，瓦斯運(yùn)移通道增多，使煤體滲透系數(shù)不斷加大，有效提高煤層透氣性[5-6]，從而提高瓦斯抽采效果。

破裂前的孔周應(yīng)力狀態(tài)分布為原始應(yīng)力場(chǎng)和孔內(nèi)流體壓力[7-8]，應(yīng)力狀態(tài)見圖1。

圖1 原巖應(yīng)力和內(nèi)水壓力作用下壓裂孔周圍應(yīng)力狀態(tài)

為了便于研究，假設(shè)煤層是各向同性彈性材料，只研究煤層在高壓水作用下和外力作用下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)疊加原理和彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)，若以壓應(yīng)力為正，煤層在水力壓裂和地應(yīng)力雙重作用下，內(nèi)部任意點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)為

(1)

(2)

(3)

其中，

(4)

q0=γH ,

(5)

式中，σrr、σθθ、τrθ分別為煤層在水力壓裂和地應(yīng)力雙重作用下鉆孔內(nèi)任意點(diǎn)的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、剪應(yīng)力，kN；P為鉆孔內(nèi)水壓，kN；r為任意點(diǎn)到鉆孔中心的距離，m；θ為鉆孔方位角，(°)；a為鉆孔邊界到中心點(diǎn)的距離，m；λ為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；n為常數(shù)；q0為鉛垂應(yīng)力，MPa；γ為巖層平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m。

要使煤層發(fā)生起裂，煤層內(nèi)部某處煤的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度極限，即煤體斷裂失效準(zhǔn)則，可采用最大拉應(yīng)力理論[9]，即

(6)

式中，σθ為切向應(yīng)力，MPa；Rt為鉆孔煤層周圍某處抗拉強(qiáng)度，MPa。

引入地層應(yīng)力系數(shù)k和原巖應(yīng)力場(chǎng)中的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ[10]，取方向角θ=0°，θ=90° 2種情況分析討論，得修正后的孔壁起裂壓力臨界值為

qQ=min{k(3-λ)q0+Rt, k(3λ-1)q0+Rt} .

(7)

3#煤抗拉強(qiáng)度通過現(xiàn)場(chǎng)取煤樣后進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)；根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，煤層上覆巖層主要是中細(xì)砂巖，因此，上覆巖層密度取中細(xì)砂巖的密度近似計(jì)算，各參數(shù)取值見表1。

表1 3#煤層起裂壓力計(jì)算參數(shù)取值

由表1參數(shù)可計(jì)算得出λ=1.87，q0=21.054 MPa，qQ=20.73 MPa。

在水力壓裂條件下，新景礦3#煤層孔壁起裂壓力的臨界值為20.73 MPa，即在注水壓力達(dá)到20.73 MPa后，煤層開始破裂，產(chǎn)生裂隙。

3 壓裂設(shè)備和壓裂參數(shù)的選擇

3.1 水力壓裂設(shè)備選型

壓裂系統(tǒng)由注水泵、水箱、壓力表、專用封孔器等組成。注水泵選用額定壓力為31.5 MPa，額定流量為315 L的BRW31.5/31.5型煤礦用乳化液泵，水箱容積為3 m3。在高壓注水泵和管路上安裝耐高壓抗震壓力表、礦用耐高壓流量計(jì)及液壓先導(dǎo)式溢流閥等附件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控壓裂過程中壓力、注水量、注水時(shí)間等參數(shù)，保證壓裂施工能安全運(yùn)行。水力壓裂裝置示意見圖2。

圖2 水力壓裂裝置示意

3.2 水力壓裂參數(shù)

3.2.1 注水壓力

合理的注水壓力能夠快速、有效破裂松動(dòng)煤體及圍巖，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[11]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和起裂壓力公式計(jì)算，當(dāng)注水壓力值大于20.73 MPa時(shí)，3#煤層被壓裂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和注水泵的特性，將最高注水壓力設(shè)置在30 MPa，初始?jí)毫υO(shè)計(jì)為15 MPa，根據(jù)鉆孔注水流量變化慢慢加壓，直到壓力升到30 MPa。

3.2.2 注水量

注水量與注水壓力、煤體結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。在注水前期，注水壓力和流量隨注水時(shí)間呈線性升高；隨后注水壓力與流量反向變化，并呈波浪狀。這直觀反映出了在注水初期，具有一定壓力和流速的壓力水通過鉆孔進(jìn)入煤體裂隙，克服裂隙阻力運(yùn)動(dòng)。當(dāng)注入的水充滿裂隙后，水流動(dòng)受到阻礙，由于煤體滲透性較低，導(dǎo)致水流量降低、壓力增高而積蓄勢(shì)能；當(dāng)積蓄的勢(shì)能足以破裂煤體形成新的裂隙時(shí)，壓力水進(jìn)入煤體新的裂隙，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致壓力降低，水的流速增加；當(dāng)注入的水?dāng)y帶煤泥堵塞裂隙時(shí)，煤體滲透性降低，水難以流動(dòng)，流量下降，壓力上升，壓力達(dá)到臨界值前停止注水。根據(jù)新景煤礦3#煤水分組成，此次壓裂注入的高壓水量要達(dá)到水力壓裂影響區(qū)內(nèi)煤體體積的2%～4%。

3.2.3 封孔參數(shù)

采用封孔泵壓注水泥砂漿，封孔采用特種水泥，水泥要具有快速凝固、高強(qiáng)度、不收縮等特點(diǎn)。注水管下至見煤點(diǎn)向孔內(nèi)1 m，其余下注水花管，花管采用金屬網(wǎng)包裹；采用“兩堵一注”帶壓封孔，前后堵頭用封孔袋包裹，下至3#煤見煤點(diǎn)及孔口以里1 m處，使用封孔泵將水泥砂漿通過軟管帶壓吹至封孔袋內(nèi)；封孔袋注漿膨漲后，封堵兩頭，達(dá)到一定壓力時(shí)，開始注漿封孔。封孔管采用φ50 mm×2 000 mm無(wú)縫鋼管，封孔長(zhǎng)度以全部封住巖層為準(zhǔn)；煤體壓裂段為花管。

4 水力壓裂試驗(yàn)及效果分析

4.1 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

在南五底抽巷向3#煤層施工穿層鉆孔，分別設(shè)計(jì)2個(gè)壓裂孔和2個(gè)檢驗(yàn)孔，在底抽巷頂板開孔，傾角為60°，方位角定為90°，要求穿層鉆孔穿透3#煤層0.5 m。為了確保充分壓裂煤體和使應(yīng)力集中帶處于兩壓裂孔影響范圍外，通過分析煤層及其頂板力學(xué)特性和壓裂設(shè)備后，確定壓裂孔間距為4 m，將巖層全部封住。鉆孔設(shè)計(jì)方式見圖2，施工參數(shù)見表2。

圖3 南五底抽巷水力壓裂鉆孔布置(單位：m)

表2 南五底抽巷壓裂孔及檢驗(yàn)孔施工參數(shù)

4.2 水力壓裂過程

壓裂過程分為破裂過程、延伸過程和排水過程。壓裂半徑試驗(yàn)孔如下布置：以壓裂孔為注水孔，其他孔作為壓裂半徑試驗(yàn)孔，封孔后，留有出水口，接上閥門，壓裂前將所有閥門關(guān)閉。經(jīng)過注入高壓水并壓裂，停泵但不卸壓等待0.5 h，確定壓裂地點(diǎn)安全后進(jìn)入，以注水孔為基準(zhǔn)，由遠(yuǎn)及近依次打開閥門，有高壓水流出的孔為壓裂孔，此孔到注水孔的距離即為在此水量下的壓裂半徑。2014年11月23日8點(diǎn)班進(jìn)行水力壓裂，1#壓裂孔注水時(shí)間為95 min，最高注水壓力為27 MPa，注水壓力降到6.5 MPa時(shí)停止注水，向孔內(nèi)注水35 m3；2#壓裂孔注水時(shí)間為68.5min，實(shí)際最高注水壓力為26.5 MPa，注水壓力降到6 MPa時(shí)停止注水，總注水量為34.3 m3。

4.3 水力壓裂效果

4.3.1 水力壓裂半徑

當(dāng)注水壓力為21 MPa，注水量為7.5 m3時(shí)，壓裂半徑為40 m；當(dāng)注水壓力為24 MPa，注水量為5 m3時(shí)，壓裂半徑為45 m；當(dāng)注水壓力為27 MPa，注水量為5 m3時(shí)，壓裂半徑為60 m。

因此，通過水力壓裂后，3#煤在煤層走向上的影響半徑可達(dá)到40～60 m。

4.3.2 壓裂后瓦斯抽采效果

壓裂完畢后，水力壓裂段施工底板穿層預(yù)抽鉆孔，孔徑為105 mm，對(duì)水力壓裂影響區(qū)的壓裂孔進(jìn)行抽放。通過28 d的連續(xù)監(jiān)測(cè)，鉆孔抽放濃度最大為60%，最小為9%，抽放負(fù)壓為27 988 Pa，單孔混合量為0.26 m3/min，單孔純量為0.156 m3/min；而未壓裂前鉆孔抽放濃度最大為54%，最小為2%，單孔抽放量(混合量)為0.016 m3/min。因此，從單孔平均抽放量對(duì)比，壓裂后是壓裂前的16倍。

4.3.3 壓裂區(qū)域煤層透氣性系數(shù)及鉆孔衰減系數(shù)

水力壓裂前后煤層透氣性系數(shù)及鉆孔衰減系數(shù)是考察水力壓裂效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。采用徑向流量法測(cè)定煤層壓裂區(qū)域透氣性系數(shù)、百米鉆孔衰減系數(shù)，得出壓裂區(qū)域煤層透氣性平均為1.141 45 m2/(MPa2·d)，是壓裂前0.043 15 m2/(MPa2·d)的26倍；壓裂區(qū)域百米鉆孔衰減系數(shù)為0.213 83 d-1，是壓裂前0.066 1 d-1的30.9%，極大地改善了煤層透氣性，保證3#煤層瓦斯抽采效果。

5 結(jié) 論

(1)通過理論分析水力壓裂機(jī)理和起裂壓力公式，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注水壓力情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者基本一致，說明起始?jí)毫侥軌驅(qū)λ毫鸭夹g(shù)有很好的指導(dǎo)作用。

(2)通過應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，新景礦3#煤層壓裂區(qū)的裂隙得以貫通，壓裂半徑達(dá)到40～60 m，透氣性系數(shù)提高了26倍，增大到1.141 45 m2/(MPa2·d)，從難以抽放煤層變?yōu)榭梢猿榉琶簩?；從壓裂區(qū)瓦斯抽采與非壓裂區(qū)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可得，水力壓裂后壓裂區(qū)域煤層瓦斯抽采混合量是非壓裂區(qū)的16倍，煤層瓦斯流量衰減系數(shù)顯著降低，瓦斯抽采效果得到了顯著提高，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域本質(zhì)安全開采和快速掘進(jìn)。

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2015-05-14)

王立武(1966—)，男，工程師，0032700 山西省陽(yáng)泉市。