水力壓裂技術在白皎煤礦穿層條帶瓦斯治理中的應用

陳興燚 張尚斌 饒孜 余正敖

摘 要：為提高白皎煤礦井下瓦斯抽采效果，在白膠煤礦238底板道進行了穿層條帶水力壓裂技術應用，對B4煤層進行水力壓裂增透。壓裂最大壓力達24.6MPa，單孔最大注入液量113.8m3，抽采純量提高了2.27倍，在抽采時間不變的情況下，鉆孔數(shù)量可減少56%。結果表明，達到了壓裂設計方案要求，增透卸壓效果顯著，水力壓裂在白皎煤礦是適用的，下一步要進行大面積推廣實施，以充分發(fā)揮水力壓裂技術的效果。

關鍵詞：水力壓裂技術；瓦斯治理；抽采量

中圖分類號：TD712.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0073-04

Application of Hydraulic Fracturing Technology in Gas Control of

Wearing Layer in Bai Jiao Coal Mine

CHEN Xingyi1 ZHANG Shangbin1 RAO Zi2 YU Zheng'ao1

Abstract： In order to improve the gas extraction effect in the coal mine of Bai Jiao coal mine， the hydraulic fracturing technology was applied in the 238 floor road of Bai Jiao coal mine， and the hydraulic fracturing of B4 coal seam was enhanced. The maximum pressure of the fracturing was 24.6MPa， the maximum injection liquid of the single hole was 113.8m3， the extraction purity was increased by 2.27 times. The number of drilling holes could be reduced by 56% when the extraction time was constant. The result showed that the fracturing design plan was required and the effect of increasing and unloading pressure was remarkable. Hydraulic fracturing was applicable in white Jiao coal mine. The next step was to carry out large area in order to give full play to the effect of hydraulic fracturing technology.

Keywords： hydraulic fracturing technology；gas control；extraction volume

1 研究背景

1970—1980年，遼寧、河南、湖南和山西等礦務局進行了以地面垂直鉆進壓裂方式開發(fā)煤層氣的試驗，取得了一定的增產(chǎn)效果，但未能形成開發(fā)、推廣規(guī)模。1990—1995年，地礦、煤炭和石油所屬有關部門及地方政府已在十余個煤田或地區(qū)，利用國內(nèi)資金或與國外合資打了60多口資源評價鉆孔和生產(chǎn)試驗鉆孔，有的地方還進行了采氣試驗，取得了可喜的成果。20世紀90年代末，鄂爾多斯、沁水等9個盆地煤層瓦斯賦存條件較好，已逐漸開始全面實施地面開采。2004年，山西沁心和河東煤田已施工各類煤層氣井159口，單井日產(chǎn)氣量一般在500～4 000m3/d，最高達16 000m3/d[1]。

近年來，水力壓裂技術被廣泛應用于煤礦井下煤層增透，有效提高了瓦斯治理效果[2-5]。為了得出水力壓裂在白皎煤礦的適用性，計劃在白皎煤礦238底板道施工3個壓裂鉆孔，同時在壓裂區(qū)域內(nèi)與非壓裂區(qū)域內(nèi)分別施工部分瓦斯抽采鉆孔，將二者的抽采情況進行對比，經(jīng)綜合分析得出水力壓裂增透技術在該礦的適用性。

白皎煤礦始建于1965年，1970年簡易投產(chǎn)，年設計生產(chǎn)能力120萬t。2006年核定生產(chǎn)能力為75萬t/a，現(xiàn)實際年生產(chǎn)能力50～60萬t，屬于煤與瓦斯突出礦井。該礦采用平硐加暗斜井開拓，礦井采用盤區(qū)前進式布置，工作面采用單一走向長壁后退式開采法，落煤方法為綜合機械化開采，采用全部垮落法管理頂板，中央對角式通風。

本次水力壓裂選擇在礦井238底板道內(nèi)實施，壓裂B4煤層條帶。該巷走向長約392m，B4煤層瓦斯含量平均為12.412 4m3/t，B2煤層瓦斯含量平均為15.362 6m3/t，煤層堅固性系數(shù)f為2～4，煤層走向275°，煤層傾向185°，傾角13°～23°，平均傾角16°。

該巷埋深400m，二號（B4）煤層厚度為0.5～5.4m，平均厚度1.2m；三號（B3）局部薄化、合層；四號（B2）厚度為0.6～4.5m，平均厚度3.2m。煤層較穩(wěn)定，全區(qū)可采，頂板為炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、細砂巖，底板為黏土巖。

2 壓裂泵組選用及參數(shù)確定

2.1 壓裂泵組選用

BRW200-31.5乳化液泵組，該泵電機功率為125kW，額定壓力為31.5MPa，最大流量12m3/h。該泵的缺點是流量小，優(yōu)點是運行穩(wěn)定。

CBYL400型壓裂泵組，該泵電機功率為400kW，相應的檔位壓力為16.5～50MPa，流量17.6～70.5m3/h。該泵組具有流量大、體積小、智能化程度高等優(yōu)點。

經(jīng)選型對比，本次采用CBYL400型壓裂泵組，可在其3檔運行，參數(shù)滿足壓裂要求。

2.2 壓裂參數(shù)確定

鑒于白膠煤礦的現(xiàn)場情況，在238底板道設計三個水力壓裂孔，鉆孔穿透兩層煤體，終孔于B4頂板0.5m，鉆孔開孔孔徑為Φ94mm，終孔孔徑為Φ94mm，鉆孔傾角20°。由于238底板道距B4煤層巖柱30m左右，為確保水力壓裂過程中不破壞238底板道，因此，將壓裂鉆孔間距初步設計為60m，即按30m半徑布置。

根據(jù)郭臣業(yè)[4]提出的計算方法，通過238底板道的埋深、巖體抗拉強度、目標方向角和預壓裂的有效半徑（30m）等參數(shù)綜合計算，各壓裂孔破裂壓力、流量參數(shù)見表1。

3 壓裂及抽采效果

3.1 壓裂過程及影響范圍分析

3.1.1 壓裂過程。2015年8月6日至9月3日，分別對1-3#壓裂鉆孔進行水力壓裂，具體壓裂情況為：1#鉆孔壓入水量81.6m3，最大壓力20.6MPa，壓裂時距1#鉆孔以外80m處有多個鉆孔大量出水；2#鉆孔壓入水量58m3，最大壓力24.6MPa，進入觀察發(fā)現(xiàn)3#壓裂鉆孔有水流出；3#鉆孔壓入水量71.8m3，最大壓力23.6MPa，進入觀察時發(fā)現(xiàn)2#鉆孔有水滲出。壓裂完成并開始抽采后，發(fā)現(xiàn)該孔瓦斯流量及濃度偏小。9月3日對其重新進行二次壓裂，二次壓裂時壓入水量42m3后最大壓力升至47.6MPa時無法繼續(xù)壓入，結束壓裂。各孔壓裂壓力、流量曲線如圖1所示，各孔壓裂情況見表2。

3.1.2 壓裂影響范圍分析。各孔的壓裂影響范圍[2]可通過以下2方面來判定：一是壓裂過程中附近鉆孔及巷壁的出水情況；二是壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔施工過程中的出水情況。

1#鉆孔壓裂時，共6處出水，最遠出水點在1#鉆孔以東80m，而壓裂過程中未與2#鉆孔溝通。2#鉆孔壓裂時，從3#鉆孔出水，但未與1#鉆孔溝通。3#鉆孔壓裂時，從2#鉆孔出水。

在壓裂區(qū)域抽采鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)，所有抽采鉆孔見煤層時均出水，并造成鉆孔施工過程中風排粉困難。分析壓裂時的出水情況可知，1#壓裂鉆孔向東的影響距離為80m；2#、3#壓裂鉆孔相互溝通。分析壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔施工情況可知，條帶施工的所有抽放鉆孔均在壓裂影響范圍內(nèi)。由此，判定本次壓裂的影響范圍為：1—3#鉆孔覆蓋了1#鉆孔以東80m到3#鉆孔以西35m范圍，各孔壓裂影響范圍如圖2所示。

3.2 抽采效果

3.2.1 瓦斯抽采情況。各鉆孔水力壓裂完成后，立即對其進行排水，待孔內(nèi)水量變小后接入抽采系統(tǒng)進行抽采，1—3#壓裂鉆孔分別于8月21日、24日、25日早班實施了抽采。

截至10月26日，累計最大抽采天數(shù)為65d，抽采負壓35kPa，三個壓裂孔累計抽采瓦斯8 582.14m3。其中，1號孔累計抽采65d，瓦斯平均抽采濃度為70%，瓦斯抽采總純量為6 811.71m3，平均瓦斯抽采純流量為72.77L/min；2號孔累計抽采62d，瓦斯平均抽采濃度為9%，瓦斯抽采總純量為1 379.18m3，平均瓦斯抽采純流量為15.45L/min；3號孔累計抽采61d，瓦斯平均抽采濃度為27%，瓦斯抽采總純量為391.25m3，平均瓦斯抽采純流量為4.45L/min。

10月26日后，壓裂鉆孔與壓裂區(qū)域內(nèi)其他鉆孔一并統(tǒng)計，未繼續(xù)進行單獨計量。各鉆孔抽采曲線如圖3、圖4和圖5所示。

3.2.2 瓦斯抽采對比情況。2016年1月29日至4月28日，繼續(xù)對非壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔的抽采情況進行統(tǒng)計。截至2016年4月28日，該區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔平均單孔抽采純量最高為19.26L/min，平均抽采純量為15.2L/min，且呈下降趨勢，詳見238底板道平均單孔純量對比曲線圖6所示。

4 結論

通過白皎煤礦水力壓裂工程項目的開展，得出以下結論。

①實施水力壓裂后，單個壓裂孔的影響范圍最大可達80m。在抽采時間不變的情況下，經(jīng)計算，鉆孔數(shù)量可減少56%。

②壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔的平均單孔抽采純量是非壓裂區(qū)域的2.27倍。

③通過現(xiàn)場應用表明，水力壓裂在白皎煤礦是適用的，各項指標達到了現(xiàn)場壓裂要求，增透卸壓效果顯著。

此次應用證明，水力壓裂增透技術在白皎煤礦是可行的，但本次施工孔數(shù)過少，各孔之間差異較大，還需進行大面積推廣，以充分發(fā)揮水力壓裂技術的效果。

參考文獻：

[1]袁亮，林柏泉，楊威.我國煤礦水力化技術瓦斯治理研究進展及發(fā)展方向[J].煤炭科學技術，2015（1）：45-49.

[2]徐剛，馬瑞峰，田俊偉.煤層水力壓裂增透范圍理論分析與試驗研究[J].煤炭工程，2014（6）：88-90，95.

[3]煤礦井下高壓水力壓裂安全技術標準（審查修改稿） [EB/OL].（2014-08-24）[2018-05-01].http：//www.doc88.com/p-5304125392928.html.

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[5]李棟，郭臣業(yè)，黃昌文，等.煤礦井下穿層水力壓裂鉆孔布置優(yōu)化分析及應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015（5）：63-67，75.