雙泵并聯(lián)水力壓裂技術(shù)在新元煤礦中的應(yīng)用

余正敖 張翠蘭 向沉錢 謝飛

摘 要：為解決新元煤礦高瓦斯低透氣性突出煤層3#煤層瓦斯抽采效率較低，鉆孔工程量較大，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長等難題，采取雙泵并聯(lián)水力壓裂增透技術(shù)對該礦31009工作面回風(fēng)巷3#突出煤層進(jìn)行了壓抽處理，實(shí)現(xiàn)了單孔瓦斯日最大抽采純量754m3/d，日平均抽采純量596m3/d的顯著效果，達(dá)到了提高瓦斯抽采效率，降低鉆孔工程量，縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間等目的。

關(guān)鍵詞：雙泵并聯(lián)；水力壓裂；增透；瓦斯治理

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

陽泉礦區(qū)是我國大型的煤炭生產(chǎn)基地之一，是我國典型的高突礦區(qū)，開采過程中礦井瓦斯涌出量普遍較大，最大可達(dá)197m3/min，礦井瓦斯嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

山西新元煤炭有限責(zé)任公司隸屬于陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新元煤礦3#煤層為煤與瓦斯突出煤層，原始瓦斯含量達(dá)14.89m3/t，煤層瓦斯壓力為2.44MPa。針對礦井目前存在的瓦斯含量高、瓦斯壓力大等難題，研究應(yīng)用雙泵并聯(lián)水力壓裂增透技術(shù)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、快速、安全、高效地抽采煤層瓦斯的目的。

1 水力壓裂增透機(jī)理

雙泵并聯(lián)水力壓裂增透技術(shù)就是用并聯(lián)的兩臺高壓泵向孔內(nèi)壓入液體，使其產(chǎn)生新的裂縫和使原始裂隙張開形成新的流通網(wǎng)絡(luò)，而增大煤體透氣性，有利于瓦斯在煤體內(nèi)的流動。水力壓裂需要通過控制高壓水的壓力和排量，使壓裂影響控制在一定的范圍之內(nèi)，以免出現(xiàn)可能導(dǎo)致的巷道圍巖變形，頂?shù)装骞芾砝щy的狀況，并在壓裂影響范圍內(nèi)形成均勻抽采瓦斯的立體通道網(wǎng)絡(luò)。

2 雙泵并聯(lián)水力壓裂系統(tǒng)及裝備

雙泵并聯(lián)水力壓裂系統(tǒng)通常主要包括壓裂泵組（壓裂泵、電機(jī)和控制系統(tǒng)等）、YLGH70型壓裂管匯系統(tǒng)、高壓膠管、孔內(nèi)封孔管等。

壓裂泵選用兩臺陜西寶雞航天動力公司研發(fā)的BYW65-400型壓裂泵組并聯(lián)壓裂，該泵組性能穩(wěn)定、可靠性高、輸出能力大，柱塞直徑D=11.5cm時(shí)，最大輸出壓力40MPa，柱塞直徑D=9cm時(shí)，最大輸出壓力60MPa；采用YLGH70型壓裂管匯系統(tǒng)和φ5cm/2000cm/70MPa的高壓膠管，最大承受壓力70MPa；孔內(nèi)壓裂管采用外徑50mm，壁厚8mm，單根長度200cm，耐壓強(qiáng)度70MPa的無縫鋼管。

3 雙泵并聯(lián)水力壓裂方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 工作面概況

新元煤礦31009輔助進(jìn)風(fēng)巷沿3號煤層頂板由東向西下坡掘進(jìn)施工，對應(yīng)地面標(biāo)高1104.87m、井下標(biāo)高486.0m，埋深618.87m，煤層傾角一般為2°～4°，平均3°，煤層厚度2.85m，煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤。煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層中一般含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.02m～0.05m，平均0.03m。

頂板圍巖情況：直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為1.49m左右；老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為1.65m左右，上部依次為2.15m的砂質(zhì)泥巖和1.90m的粉砂巖。底板為0.56m的砂質(zhì)泥巖，直接底為0.97m的粉砂巖，老底為2.35m的砂質(zhì)泥巖。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)、施工及封孔

由于煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造等情況均不確定，因此設(shè)計(jì)在31009回風(fēng)巷迎頭距31009輔助進(jìn)風(fēng)巷真厚10m垂距、平距8.6m處施工兩個地質(zhì)探孔（輔助孔），水力壓裂后兼做放水和抽采孔。兩個地質(zhì)探孔施工完成后，根據(jù)探測情況系統(tǒng)分析，設(shè)計(jì)在31009回風(fēng)巷迎頭施工31009輔助進(jìn)風(fēng)巷沿3號煤層頂板的順層壓裂鉆孔，設(shè)計(jì)孔深176.6m。

新元煤礦31009輔助進(jìn)風(fēng)巷在雙泵并聯(lián)水力壓裂實(shí)施過程中，1#泵最大壓力25.2MPa、最大流量37.3m3/h、注入總水量389.2m3；2#泵最大壓力24.9MPa、最大流量37m3/h、注入總水量390.8m3。兩臺泵穩(wěn)定壓力為18MPa，合計(jì)注入總水量780m3。

壓裂鉆孔施工完成后，壓裂鉆孔采用無縫鋼管加水泥砂漿、孔口段采用聚氨酯化學(xué)材料、封孔管末端采用馬尾巴、中間采用注入水泥砂漿封堵，封孔段長度60m。兩個輔助鉆孔均采用“兩堵一注”的方式封孔，封孔長度為30 m。壓裂前，在輔助孔孔口安裝承壓不少于70MPa的截止閥。

在鉆孔施工、封孔的同時(shí)安排進(jìn)行兩臺水力壓裂泵組的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試以及壓裂管路的鋪設(shè)工作，在所有鉆孔封孔及壓裂泵組調(diào)試完成后進(jìn)行雙泵并聯(lián)水力壓裂系統(tǒng)試運(yùn)行和打壓試驗(yàn)。

4 雙泵并聯(lián)水力壓裂效果分析

4.1 壓裂影響范圍判定

本次試驗(yàn)主要采用物探法和鉆探法對壓裂范圍進(jìn)行判定。

瞬變電磁物探法：在31009回風(fēng)巷迎頭結(jié)合31009輔助進(jìn)風(fēng)巷迎頭，分別在壓裂前、壓裂后采用瞬變電磁法對壓裂區(qū)進(jìn)行掃描，通過對比分析確定水力壓裂影響范圍。

鉆探法：在31009輔助進(jìn)風(fēng)巷壓裂孔穿煤位置和前方30m位置各打垂直于巷道中線的兩組（兩個）鉆孔，在每個鉆孔的15m、25m、30m、35m、40m、45m、50m位置取樣，測試巖石含水率，對比附近區(qū)域的含水率參數(shù)，確定壓裂液所達(dá)位置。通過以上兩種方法的對比分析，本次水力壓裂影響半徑確定為45m～50m。

4.2 瓦斯抽采效果分析

為了進(jìn)行水力壓裂前后抽采效果對比分析，在實(shí)施雙泵并聯(lián)水力壓裂前考察壓裂孔以及兩個輔助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采濃度隨時(shí)間的變化趨勢，直到穩(wěn)定為止。水力壓裂后，采用同樣的方法考察壓裂孔以及兩個輔助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采濃度。壓裂前后抽采情況對比表見表1。

通過對表1數(shù)據(jù)計(jì)算分析可知，壓裂孔、輔助孔平均抽采純量壓裂后較壓裂前，增幅分別達(dá)138倍、9.7倍、42.7倍，平均增幅達(dá)50倍。表明雙泵并聯(lián)水力壓裂能夠增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果明顯。

結(jié)論

（1）雙泵并聯(lián)水力壓裂后，3個試驗(yàn)孔的平均抽采純量均大幅增加，平均增幅達(dá)到50倍，有利于提高瓦斯抽采率、減少抽采時(shí)間、縮短瓦斯治理周期、減少鉆孔工程量。

（2）在相同條件下，雙泵并聯(lián)水力壓裂施工方法可有效增加煤層透氣性，大幅度提高煤層抽采效果。

（3）水力壓裂范圍檢驗(yàn)判定可將瞬變電磁法和鉆探法相結(jié)合，經(jīng)檢驗(yàn)判定本次試驗(yàn)水力壓裂有效半徑為40m～50m。

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