水力壓裂增透技術(shù)在魯班山北礦穿層條帶瓦斯治理中的應(yīng)用

陳興燚 張尚斌 謝文波 秦江濤 張翠蘭

摘 要：為提高魯班山北礦井下瓦斯抽采效果，在魯班山北礦142底板巷進(jìn)行穿層條帶水力壓裂技術(shù)應(yīng)用，對8號煤層進(jìn)行水力壓裂增透，壓裂過程中最大壓力達(dá)27MPa，單孔最大注入液量273m3。壓裂后大幅度提高鉆孔瓦斯抽采純量，抽采純量提高了5.5倍，壓裂影響半徑40m以上。結(jié)果表明，達(dá)到了壓裂設(shè)計方案要求，增透卸壓效果顯著，水力壓裂在魯班山北礦是適用的。下一步將進(jìn)行大面積推廣實(shí)施，以充分發(fā)揮水力壓裂增透技術(shù)的效果。

關(guān)鍵詞：水力壓裂技術(shù)；瓦斯治理；抽采純量

中圖分類號：TE357.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0085-04

Hydraulic Fracturing and Penetration Technology in

Lubanshan Application in Gas Treatment

CHEN Xingyi1 ZHANG Shangbin1 XIE Wenbo2 QIN Jiangtao3 ZHANG Cuilan1

（1. Chongqing Energy Investment Group Technology Co.， Ltd.，Chongqing 400060；2. Sichuan South Sichuan Coal Company Luban Mountain North Mine，Junlian Sihcuan 645250；3.Chongqing Vocational Institute of Engineering，Chongqing 402260）

Abstract： In order to improve the effect of underground gas extraction in the Luban Mountain North Mine， the hydraulic fracturing technology was applied in the 142 floor lane of Luban Mountain North Mine， and the hydraulic fracturing of No. 8 coal seam was enhanced， the maximum pressure in the fracturing process was 27MPa， and the maximum injection liquid of the single hole was 273m3. After fracturing， the net volume of borehole gas drainage was increased drastically， and the pure volume of extraction increased by 5.5 times， and the influence radius of fracturing was more than 40m. The results showed that the fracturing design met the requirements and the effect of enhancing permeability and relieving pressure was remarkable. The hydraulic fracturing was suitable for Lubanshan North Coal Mine. The next step will be large area promotion and implementation， so as to give full play to the effect of hydraulic fracturing technology.

Keywords： hydraulic fracturing technology；gas treatment；extraction purity

1 煤層概況

2010年以來，重慶地區(qū)開始在礦井中試驗(yàn)水力壓裂增透技術(shù)。經(jīng)過幾年的發(fā)展，該技術(shù)已成為一項(xiàng)瓦斯治理的常規(guī)化手段[1，2]。

目前，水力壓裂技術(shù)被大量應(yīng)用于煤礦井下煤層增透，有效提高了瓦斯治理效果[3-5]。為解決魯班山北礦存在的瓦斯治理難問題，對煤層實(shí)施水力壓裂增透，大幅增強(qiáng)了煤層的透氣性，提高了瓦斯抽采效果，從而縮短抽采時間、減少鉆孔工程量。為了確保礦井安全生產(chǎn)，選擇在142底板道穿層鉆孔進(jìn)行水力壓裂，力求提高穿層條帶煤層的瓦斯抽采量，改善因瓦斯制約而影響安全生產(chǎn)的被動局面，并將這一壓裂增透技術(shù)在四川煤礦瓦斯治理中推廣運(yùn)用。

魯班山北礦設(shè)計生產(chǎn)能力為900kt/a，屬中型礦井。該礦井為高瓦斯礦井，煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，平均可采厚度為2.2m。中厚煤層為8號煤層，采用綜合機(jī)械化開采。對于全區(qū)不穩(wěn)定的局部可采薄煤層，即2號、3號煤層采用炮采方式，利用分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)。

魯班山北礦通過142底板巷道瓦斯抽放8號煤層，解放條帶。8號煤層埋深330m，煤層厚度為2.82～5.7m，煤層平均厚度為3.87m。煤層較穩(wěn)定，全區(qū)可采，頂板主要為砂巖或泥質(zhì)巖、砂巖類組合，有一層0.02～0.20m的偽頂。底板個別地方為砂巖，其他由泥質(zhì)巖組成。

8號煤層瓦斯含量為25.55m3/t，堅固性系數(shù)f為2～4，煤層走向180°，平均傾角21°。

2 壓裂設(shè)備選型及關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 壓裂泵組選用

目前，常用的壓裂泵組有BRW200-31.5乳化液泵組、CBYL400型壓裂泵組。BRW200-31.5乳化液泵組，該泵電機(jī)功率為125kW，額定壓力為31.5MPa，最大流量為12m3/h。該泵的缺點(diǎn)是流量小，不能滿足規(guī)模壓裂的液量供給，重慶地區(qū)的水力壓裂多選用BRW200-31.5型壓裂泵組。

CBYL400型壓裂泵組，該泵電機(jī)功率為400kW，對應(yīng)相應(yīng)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(diǎn)。經(jīng)選型及工況對比，本次采用CBYL400型壓裂泵組[4]。

2.2 壓裂參數(shù)確定

根據(jù)煤層鉆孔水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)合魯班山北礦的現(xiàn)場煤層賦存情況，在142底板巷布置3個壓裂鉆孔，1#和2#孔間距100m，2#和3#孔間距80m，鉆孔傾角15°，鉆孔穿透8號煤層，終孔于8號煤層頂板0.5m，鉆孔開孔孔徑為Ф94mm，終孔孔徑為Ф75mm，封孔采用砂漿水泥封孔，封孔管前端布置2根篩管，其余為內(nèi)徑Ф38mm的鋼管。

根據(jù)郭臣業(yè)和覃樂等提出[5]的計算方法，通過142底板道的埋深、巖體抗拉強(qiáng)度、目標(biāo)方向角和預(yù)壓裂的有效半徑（50m）等參數(shù)綜合計算，壓裂孔破裂壓力為19.6MPa。若有效半徑為50m，壓裂層需壓入水量175m3；若有效半徑為40m，壓裂層需壓入水量140m3。CBYL400型壓裂泵組3檔運(yùn)行，即可滿足壓裂要求。

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。2016年3月31日至2016年4月15日，分別對1—4#壓裂鉆孔進(jìn)行水力壓裂，具體壓裂情況如下。

1#鉆孔壓入水量132m3、最大壓力16MPa，壓裂后進(jìn)入142底板道。通過觀察發(fā)現(xiàn)，距1#鉆孔以外80m處有一個鉆孔出水，鉆場口的抽放人工放水桶放出的水發(fā)黑，有煤粒，現(xiàn)場決定停止壓裂，壓裂曲線如圖1所示。

2#鉆孔分3次壓裂，共壓入水量273m3，最大壓力24.5MPa，壓裂后進(jìn)入142底板道。通過觀察發(fā)現(xiàn)，2#壓裂鉆孔前后30m范圍巷道吊渣嚴(yán)重。3次壓裂曲線如圖2、圖3和圖4所示。

3#鉆孔壓入水量為70m3，最大壓力為15.3MPa，壓裂后進(jìn)入142底板道。通過觀察發(fā)現(xiàn)，3#鉆孔周圍巷道頂板多處吊渣、多處錨桿出水，并與4#壓裂鉆孔壓通。壓裂曲線如圖5所示。

4#鉆孔進(jìn)行了2次壓裂，第一次于2016年3月31日進(jìn)行，壓裂壓入水量150m3、最大壓力14.2MPa。經(jīng)研究決定，于2016年4月15日對4號壓裂孔進(jìn)行了重復(fù)壓裂，壓裂壓入水量16m3、最大壓力27MPa。通過觀察發(fā)現(xiàn)，與3號鉆孔溝通，3號鉆孔出水明顯增大。經(jīng)現(xiàn)場討論，決定停止壓裂。共壓入水量166m3、最大壓力27MPa。壓裂曲線如圖6和圖7所示。

各鉆孔壓入水量及壓力情況見表1。

3.1.2 壓裂影響范圍分析。各孔的壓裂影響范圍可通過以下兩方面來判定[6]：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見水情況。

3.1.2.1 各鉆孔壓裂過程中的壓裂出水情況。各鉆孔壓裂過程中壓裂出水情況如下。

①1#鉆孔壓裂情況。1#鉆孔壓入水量132m3、最大壓力16MPa。壓裂后觀察發(fā)現(xiàn)，距1#鉆孔80m處有一個鉆孔出水，鉆場口的抽放人工放水桶水放出的水發(fā)黑，有煤粒出來，而壓裂過程中未與2#鉆孔溝通。經(jīng)現(xiàn)場決定，停止壓裂。

②2#鉆孔壓裂情況。2#鉆孔分3次壓裂，共壓入水量共273m3、最大壓力24.5MPa。通過觀察發(fā)現(xiàn)，2#壓裂鉆孔前后30m范圍巷道吊渣嚴(yán)重，經(jīng)現(xiàn)場決定，停止壓裂。未與3#和1#鉆孔溝通。

③3#鉆孔壓裂情況。3#鉆孔壓入水量70m3、最大壓力15.3MPa。通過觀察發(fā)現(xiàn)，3#鉆孔周圍巷道頂板多處吊渣、多處錨桿出水，并與4#壓裂鉆孔壓通。經(jīng)現(xiàn)場決定，停止壓裂。

④4#鉆孔壓裂情況.4#鉆孔進(jìn)行了2次壓裂，第一次于2016年3月31日進(jìn)行，壓裂壓入水量150m3、最大壓力14.2MPa；經(jīng)研究決定，于2016年4月15日對4號壓裂孔進(jìn)行了重復(fù)壓裂，壓裂壓入水量16m3、最大壓力27MPa，與3號鉆孔溝通，3號鉆孔出水明顯增大。經(jīng)現(xiàn)場決定，停止壓裂。共壓入水量166m3、最大壓力27MPa。

3.1.2.2 抽采鉆孔見水情況。壓裂區(qū)域內(nèi)，在抽采鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)，所有抽采鉆孔見煤層時均大量含水，并造成鉆孔施工過程中風(fēng)排粉穿煤困難。

3.1.2.3 影響范圍判定結(jié)果。判定本次壓裂的影響范圍，通過壓裂時出水情況分析可知，1#壓裂鉆孔向東80m的鉆場有一個鉆孔出水，鉆場口的放水桶里放出的水是黑的，有煤粒出來；2#壓裂鉆孔前后30m范圍有吊渣現(xiàn)象，前后20m有滲水現(xiàn)象；3#鉆孔周圍巷道頂板多處吊渣、多處錨桿出水，并與4#壓裂鉆孔壓通；4#壓裂鉆孔與3號鉆孔勾通，3號鉆孔出水明顯增大。

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(jìn)行排水，待孔內(nèi)水量變小后接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。由于壓裂孔有一個排采過程，經(jīng)現(xiàn)場觀察，壓裂孔內(nèi)正壓瓦斯明顯減少，因此決定在壓裂區(qū)域進(jìn)行打孔抽采，于5月上旬共施工了21個抽采觀測鉆孔，并進(jìn)行投抽工作。在現(xiàn)場使用“V”錐校正儀進(jìn)行各參數(shù)測定，具體見現(xiàn)場測定情況見圖8、圖9和圖10，壓裂區(qū)域鉆孔投抽流量統(tǒng)計情況見表2。

3.2.2 瓦斯抽采效果對比分析

3.2.2.1 壓裂區(qū)域內(nèi)抽采效果。通過分析壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔的抽采情況可知：壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔的平均單孔抽采純量連續(xù)4個月內(nèi)均呈現(xiàn)出穩(wěn)中帶升的趨勢，壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔平均單孔抽采純量為0.120 9m3/min。

3.2.2.2 非壓裂區(qū)域鉆孔抽采效果。整個礦井普通抽采鉆孔的抽采純量以礦井實(shí)際周報表情況（2015-05-19—2015-05-25）為0.020 59m3/min。

從142底板道始抽至2016年8月15日共統(tǒng)計了88周數(shù)據(jù)情況計算，142底板道非壓裂區(qū)域鉆孔抽采純量為0.021 9m3/min。

由以上抽采情況分析可知，142底板道壓裂區(qū)域內(nèi)的平均單孔純量是0.120 9m3/min，非壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔的平均單孔抽采純量是0.021 9m3/min，即壓裂區(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5.5倍。

4 結(jié)論

①對魯班山北礦142底板道8號煤層實(shí)施水力壓裂，壓裂孔的影響范圍半徑可達(dá)40m以上。

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)域單孔抽采純量的5.5倍。

③現(xiàn)場應(yīng)用表明，水力壓裂在魯班山北礦是適用的、可行的。

④通過142底板道條帶水力壓裂增透的實(shí)施，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了現(xiàn)場壓裂要求，增透抽采效果顯著。但由于本次施工孔數(shù)較少，各孔之間存在差異。下一步進(jìn)行大面積推廣，以充分發(fā)揮水力壓裂增透技術(shù)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]余模華.煤礦井下高壓水力壓裂安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（審查修改稿）[S/OL].（2014-08-24）[2018-06-01].http：//www.doc88.com/p-5304125392928.html.

[2]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(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，（5）：63-67，75.

[3]袁志剛.煤巖體水力壓裂裂縫擴(kuò)展及對瓦斯運(yùn)移影響研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[4]覃道雄，朱紅青，張民波，等.煤層水力壓裂增透技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（5）：79-81.

[5]郭臣業(yè)，覃樂，李棟，等.地應(yīng)力及原生裂隙對水力壓裂起裂方向和起裂壓力的影響[J].煤礦安全，2015（12）：161-165.

[6]郭臣業(yè)，沈大富，張翠蘭.煤礦井下控制水力壓裂煤層增透關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（2）：114-118，122.