地面水力壓裂對(duì)井下煤層瓦斯抽采影響分析*

劉進(jìn)平，高 云，李 欣

(潞安集團(tuán)高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

煤層氣開(kāi)采既是我國(guó)清潔能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是煤礦企業(yè)防治煤礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的主要措施之一[1]。高河煤礦屬于典型的高瓦斯礦井，井下煤層瓦斯含量高，滲透率低，瓦斯抽采工作難度較大。

水力壓裂技術(shù)作為一項(xiàng)主要的水力化增透措施[2-4]，在石油工業(yè)被廣泛應(yīng)用，效果十分顯著[5]。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水力壓裂在煤層氣中的應(yīng)用方面做了大量的研究工作[6]。呂有廠等[7]根據(jù)平煤十礦高瓦斯低透氣性的煤層賦存特性，研究利用本煤層水力壓裂技術(shù)成功地將壓裂后瓦斯抽采流量和濃度提高了5倍以上；韓金軒等[8]介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的煤層氣儲(chǔ)層壓裂的手段和工藝；李安啟等[9]分析并評(píng)估了實(shí)踐過(guò)程中形成復(fù)雜壓裂裂隙系統(tǒng)的影響因素；王耀鋒等[10]綜述了國(guó)內(nèi)水力化煤層增透技術(shù)的研究進(jìn)展，為水力化措施解決低透氣性煤層瓦斯抽采難題指明了方向；賈同千等[11]研究并驗(yàn)證了復(fù)雜地質(zhì)低滲煤層水力壓裂-割縫綜合瓦斯增透技術(shù)，取得了很好的效果；翟成等[12]通過(guò)開(kāi)展不同壓力、頻率條件下型煤試樣的脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為脈動(dòng)水力壓裂比普通水力壓裂卸壓增透具有更好的應(yīng)用效果。然而，對(duì)于地面水力壓裂鉆井影響井下煤層瓦斯抽采規(guī)律的研究，特別是對(duì)于煤礦實(shí)踐過(guò)程的相關(guān)研究?jī)?nèi)容較少。因此，為了探討地面水力壓裂鉆井在提高井下煤層滲透率，降低煤層瓦斯含量的可行性和效果，自2013年起，高河煤礦在全礦井范圍內(nèi)實(shí)施地面壓裂鉆井抽采3#煤層瓦斯[13]，同時(shí)，通過(guò)壓裂作業(yè)在3#煤層中建立主裂縫，并對(duì)煤儲(chǔ)層固有的孔隙裂隙進(jìn)行了溝通，進(jìn)而增強(qiáng)了煤儲(chǔ)層滲流能力，提高了煤層氣井的產(chǎn)能和井下瓦斯抽采效果。

1 礦區(qū)地面壓裂鉆井實(shí)施概況

1.1 地面壓裂井施工概況

水力壓裂是目前開(kāi)采低滲透、超低滲透的非常規(guī)油氣資源的主要手段[14]。首先利用地面高壓泵組，通過(guò)井筒向地層注入大排量、高粘液體，在井底形成高壓液體，當(dāng)該液體壓力超過(guò)地層承受能力時(shí)，便會(huì)在井底附近的地層形成裂縫。繼續(xù)注入攜帶支撐劑的液體，裂縫逐漸向前延伸，支撐劑起到支撐裂縫作用，形成了具有一定尺寸的高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使油氣輕松地通過(guò)裂縫流入井中，從而達(dá)到增透增產(chǎn)效果[15]。

高河煤礦全礦區(qū)地面壓裂井按用途分為消突井和排采井2種，根據(jù)壓裂液和支撐劑的不同分為4種，包括活性水+石英砂、活性水氮?dú)獍樽?石英砂、活性水氮?dú)獍樽?石英砂+木質(zhì)支撐劑以及氮?dú)馀菽?石英砂。本文僅考慮活性水作為壓裂液，石英砂作為支撐劑的壓裂作業(yè)鉆井。按照施工順序分為鉆井工程、壓裂工程和排采工程。

根據(jù)地面壓裂井整體規(guī)劃，2013年共完成地面壓裂井39口，排采29口，地面井15，16，17，18，19，132，135，136，149，150為消突井，不進(jìn)行排采；2015年完成地面井29口，排采25口，其中地面井107，116，117，118為消突井，不進(jìn)行排采。

其中華高109井，位于沁水盆地長(zhǎng)治斜坡帶二崗山斷層南，目標(biāo)煤層為E2307工作面。其施工過(guò)程中壓力和排量曲線如圖1所示。

圖1 華高109井施工綜合曲線Fig.1 Construction comprehensive curve of Huagao 109 fracturing well

1.2 地面壓裂鉆井壓裂范圍

高河煤礦地面壓裂井使用微震法監(jiān)測(cè)壓裂過(guò)程中裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律，并由此初步判斷其壓裂范圍。微震監(jiān)測(cè)的原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)壓裂活動(dòng)引起巖體中應(yīng)力重分布過(guò)程中伴生煤層和巖石破裂時(shí)發(fā)出的地震波，對(duì)地震波進(jìn)行信息處理以此獲取微震活動(dòng)事件發(fā)生的位置、能量和非彈性微震體應(yīng)變等，并由此計(jì)算出所伴生的巖體中應(yīng)力場(chǎng)分布特征與流變參數(shù)的改變，從而達(dá)到判斷裂縫擴(kuò)展和巖體穩(wěn)定性的目的。本文以2013年完井的華高149井為例[13-16]，華高149井為消突井，壓裂液為活性水，支撐劑為石英砂，單井設(shè)計(jì)壓裂液 800 m3，支撐劑 50 m3。華高149地面壓裂井壓裂裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)壓裂時(shí)間持續(xù)118 min，由裂縫三維定位系統(tǒng)和微震信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)獲得微震監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)信號(hào)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂裂縫擴(kuò)展分布和壓裂井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)(見(jiàn)圖2)。

圖2 華高149井壓裂裂縫發(fā)育和擴(kuò)展Fig.2 Fracture development and expansion of Huagao 149 fracturing well

華高149井產(chǎn)生的最長(zhǎng)裂隙長(zhǎng)度為132 m，方位角為北偏西84°，最短裂隙長(zhǎng)度為89 m，方位角為南偏東10°，平均裂隙長(zhǎng)度為106 m。因此可以初步判斷，如圖2所示，大圈區(qū)域是以主裂隙長(zhǎng)度為半徑的區(qū)域，認(rèn)為是華高149井最大壓裂范圍，小圈區(qū)域是以最小裂隙為半徑的圓形區(qū)域，認(rèn)為是華高149井最小影響區(qū)域。

通過(guò)對(duì)全礦井范圍壓裂井壓裂范圍進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，高河煤礦地面壓裂井壓裂范圍有效區(qū)域(最小區(qū)域)為半徑75 m，最大壓裂半徑為150 m。

2 井下煤層瓦斯抽采效果考察

2.1 壓裂鉆井對(duì)煤層滲透率影響效果

主要選擇以E2307采煤工作面為主要考察對(duì)象。E2307工作面位于山西組3#煤層北翼東二盤區(qū)順次第七采煤工作面。地處沁水盆地長(zhǎng)治斜坡帶二崗山斷層以南，其上方靠近山西省長(zhǎng)治市堠北莊鎮(zhèn)楊暴村和北津良村等。工作面布置和壓裂井位置如圖3所示。

圖3 E2307采煤工作面地面壓裂井布置示意Fig.3 Schematic diagram of ground fracturing well layout in E2307 coal mining face

考慮壓縮系數(shù)和溫度對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響，根據(jù)徑向流動(dòng)方程，得到E2307工作面煤儲(chǔ)層滲透率見(jiàn)公式(1)，采用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬反演可獲得反演煤層滲透率。滲透率公式如下：

(1)

式中：PSC為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的大氣壓，取0.101 33 MPa；ZSC為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體壓縮系數(shù)，取1；TSC為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的開(kāi)氏溫度，取293.15 K；Pe為原始煤層平均瓦斯壓力，取1.331 MPa；Q為產(chǎn)氣流量，m3/min；K為滲透率，mD；h為煤層厚度，取4 m；re為壓裂半徑，取平均值102 m；rw為氣井半徑，取0.139 m；Z為氣體壓縮系數(shù)；μ為流體黏度，取101.255×10-3MPa·s。選取E2307工作面地面壓裂井華高102，104，105和107井。根據(jù)排采結(jié)果，得到單井平均日產(chǎn)量分別為340.794，324.3，396.609 m3。反演得到煤儲(chǔ)層滲透率見(jiàn)表1。

表1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)反演煤層滲透率Tab.1 Inversion of coal seam permeability by logging data

根據(jù)煤層透氣性系數(shù)大致估算壓裂前煤層滲透率大概為0.065 6 mD。不考慮煤層地質(zhì)構(gòu)造、壓裂范圍變化、局部瓦斯壓力變化等情況，通過(guò)反演滲透率與壓裂前滲透率數(shù)據(jù)對(duì)比，滲透率分別提高了13.3，13.1和19.2倍。

2.2 壓裂鉆井對(duì)瓦斯抽采濃度的影響

通過(guò)對(duì)E2307工作面近3年的瓦斯抽采數(shù)據(jù)的收集，統(tǒng)計(jì)分析了E2307工作面的進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷和膠帶巷的抽采瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化關(guān)系(見(jiàn)圖4)。由于4條巷道的鉆孔布置工作進(jìn)展不一致，因此對(duì)于輔運(yùn)巷和膠帶巷的鉆孔瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)工作較為滯后。從圖4中可以看出，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛绕骄哂谶M(jìn)風(fēng)巷、輔運(yùn)巷和膠帶巷的瓦斯?jié)舛龋治稣J(rèn)為主要是回風(fēng)巷預(yù)抽E2307相鄰工作面瓦斯的千米鉆孔對(duì)于瓦斯?jié)舛仍黾拥脑?。因此，本文僅考慮進(jìn)風(fēng)巷、膠帶巷和輔運(yùn)巷預(yù)抽瓦斯?jié)舛仁艿孛鎵毫丫绊?。根?jù)圖3地面壓裂井分布及其壓裂范圍可以知道，受地面壓裂井影響區(qū)域面積最大的為進(jìn)風(fēng)巷，膠帶巷次之，輔運(yùn)巷最低。從整個(gè)抽采時(shí)期來(lái)看，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始有一個(gè)濃度增大的趨勢(shì)，到2016年5月達(dá)到最大值，之后濃度開(kāi)始下降，考慮受地面壓裂井影響的壓裂區(qū)域隨著鉆孔布置工作的推進(jìn)逐漸增加，認(rèn)為回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍黾拥闹饕蚴堑孛鎵毫丫岣吡藟毫褏^(qū)域鉆孔的瓦斯?jié)舛?，繼而導(dǎo)致整個(gè)巷道的瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，比較而言壓裂區(qū)域較少的膠帶巷和輔運(yùn)巷其瓦斯?jié)舛茸兓容^小，即未壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯?jié)舛鹊闹递^為穩(wěn)定，說(shuō)明地面壓裂井對(duì)井下鉆孔抽采瓦斯具有確實(shí)的影響作用。之后隨著前期鉆孔瓦斯流量的衰減以及非壓裂區(qū)域鉆孔數(shù)量的增加致使回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛戎饾u降低。同時(shí)，對(duì)比分析進(jìn)風(fēng)、膠帶、輔運(yùn)3條巷道同期瓦斯?jié)舛瓤芍咚節(jié)舛葦?shù)值為：輔運(yùn)巷>膠帶巷>進(jìn)風(fēng)巷，即受壓裂井影響區(qū)域越大的巷道因其透氣性增大鉆孔抽采瓦斯流量衰減越快。

圖4 E2307工作面巷道鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Relationship between pre-extracted gas concentration in roadway drilling of E2307 working face with time

為了直觀分析和研究地面壓裂鉆井對(duì)井下煤層瓦斯抽采效果的影響，在E2307非壓裂區(qū)域布置了5組實(shí)驗(yàn)鉆孔，分別為N1，N2，N3，N4和N5鉆孔。實(shí)驗(yàn)鉆孔組和相鄰位置壓裂區(qū)域鉆孔組進(jìn)行直接對(duì)照分析，非壓裂區(qū)域和壓裂區(qū)域鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛葘?duì)比如圖5所示，由于實(shí)驗(yàn)鉆孔組位于膠帶巷的尾端，與主管路距離較遠(yuǎn)，因此其抽采負(fù)壓略低于相鄰壓裂區(qū)域鉆孔組。通過(guò)對(duì)壓裂區(qū)域鉆孔組鉆孔161-1，161-2，161-3等抽采瓦斯?jié)舛扰c抽采負(fù)壓的關(guān)系分析可知，在鉆孔密封條件、煤層透氣性等條件不變的情況下，非壓裂區(qū)域鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛却笥?5%且小于65%，壓裂區(qū)域鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛却笥?0%且小于85%。隨著抽采負(fù)壓增大，單一鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)離散型變化趨勢(shì)；而同一時(shí)間和同一抽采負(fù)壓下鉆孔瓦斯?jié)舛纫酂o(wú)明顯規(guī)律。當(dāng)前區(qū)域鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛扰c抽采負(fù)壓并非呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即鉆孔單孔瓦斯?jié)舛仁艹椴韶?fù)壓影響較小。因此，對(duì)照分析表明，地面壓裂井對(duì)于井下煤層鉆孔單孔抽采瓦斯?jié)舛鹊奶岣咝Ч容^顯著。

圖5 非壓裂區(qū)域和壓裂區(qū)域鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛葘?duì)比Fig.5 Comparison of borehole measured gas concentration in non fractured area and fractured area

同時(shí)，還統(tǒng)計(jì)了非壓裂區(qū)域和壓裂區(qū)域鉆孔平均瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，如圖6所示。非壓裂區(qū)域鉆孔組平均瓦斯?jié)舛茸钚?5.4%，最大為44.58%，平均為41.032%。壓裂區(qū)域鉆孔組平均瓦斯?jié)舛茸钚?9.72%，最大為78.88%，平均為70.462%。

圖6 非壓裂區(qū)域和壓裂區(qū)域平均鉆孔瓦斯?jié)舛葘?duì)比Fig.6 Comparison of average borehole gas concentration in non fracturing area and fracturing area

煤層鉆孔受地面壓裂井影響，鉆孔瓦斯?jié)舛仍龇鐖D7所示。最大增幅為122%，最小增幅為34%，平均增幅為71%。因此，在抽采混量不變的情況下，鉆孔瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，可以有效地提高匯流管路內(nèi)瓦斯純量，增加井下煤層鉆孔抽采瓦斯效率。

圖7 壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯?jié)舛仍黾臃菷ig.7 Increase range of borehole gas concentration in fracturing area

2.3 壓裂鉆井對(duì)瓦斯抽采純量的影響

圖8 E2307工作面鉆孔預(yù)抽瓦斯純量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 The relationship between the pre-extracted gas slag quantity of borehole and time in E2307 working face

以E2307工作面為例，收集并分析了自2015年10月14日至2017年6月26日期間的進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷和膠帶巷預(yù)抽瓦斯純量數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的變化關(guān)系，如圖8所示。由圖8可知，瓦斯純量隨時(shí)間基本呈現(xiàn)一個(gè)遞增的線性變化趨勢(shì)。即隨著各巷道鉆孔布置工作的逐步推進(jìn)，鉆孔數(shù)量和鉆孔進(jìn)尺的增加，相應(yīng)地各巷預(yù)抽采瓦斯純量也逐漸增加。比較進(jìn)風(fēng)巷、膠帶巷和輔運(yùn)巷抽采瓦斯純量的大小，即瓦斯純量：進(jìn)風(fēng)巷>膠帶巷>輔運(yùn)巷。同時(shí)，由圖8可知，回風(fēng)巷瓦斯純量的變化幅度亦大于膠帶巷和輔運(yùn)巷，根據(jù)3條巷道鉆孔布置工作的進(jìn)展，可知膠帶巷和輔運(yùn)巷抽采瓦斯純量的增量主要來(lái)源于鉆孔數(shù)量和鉆孔進(jìn)尺的增加，而回風(fēng)巷抽采瓦斯純量的增幅更大，認(rèn)為是鉆孔數(shù)量和鉆孔進(jìn)尺增加以及地面壓裂井壓裂區(qū)域鉆孔的貢獻(xiàn)。綜合考慮認(rèn)為地面壓裂井增加了壓裂區(qū)域煤層的透氣性，提高了壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯?jié)舛?，也增加了煤層解吸空間和瓦斯運(yùn)移通道，促使瓦斯能更快更多的從煤層中解吸出來(lái)，表現(xiàn)為巷道瓦斯純量增幅更大且抽采瓦斯純量總量更大。進(jìn)而也說(shuō)明了地面壓裂井作用下井下煤層瓦斯抽采的可行性和有效性。同時(shí)，可以看出，單一巷道瓦斯純量整體呈現(xiàn)線性增加規(guī)律，但是局部仍然表現(xiàn)出離散性，表明其受抽采負(fù)壓、風(fēng)流變化、鉆孔質(zhì)量、回采工作影響較大。4條巷道中進(jìn)風(fēng)巷瓦斯純量增加最為明顯，且平均值大于其余回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷和膠帶巷。

3 結(jié)論

1)地面壓裂鉆井水力壓裂后煤層反演滲透率提高了13倍以上。

2)瓦斯?jié)舛茸畲笤龇鶠?22%，最小增幅為34%，平均增幅為71%。同樣，瓦斯純量也有大幅度的提高。

3)高河煤礦地面壓裂鉆井作業(yè)對(duì)于提高壓裂煤層的滲透能力以及增加井下瓦斯抽采效率具有較好的效果，對(duì)高河煤礦及賦存條件相似的煤礦和煤層提高煤層瓦斯抽采效率和預(yù)防井下瓦斯動(dòng)力災(zāi)害具有積極的借鑒意義。