水力壓裂增透技術(shù)在瓦斯抽采中的應(yīng)用

倪士佳

摘要：水力壓裂增透技術(shù)是目前我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)之一，近年來，取得了舉得大發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水力壓裂增透技術(shù)；瓦斯抽采；應(yīng)用

1 瓦斯抽采現(xiàn)狀

在瓦斯抽采過程中，煤層賦存條件、煤層硬度、地質(zhì)構(gòu)造、煤損害類型、埋深等因素都會(huì)在一定程度上影響煤層透氣性，從而影響瓦斯抽采的順利進(jìn)行。如果煤層透氣性相對(duì)較高，提取效果將得到有效提高。然而，我國許多煤層一般都是低滲透煤層，因此很難抽采瓦斯。為此，在瓦斯抽采過程中，應(yīng)注意適當(dāng)擴(kuò)大煤層裂隙的范圍和密度，以增強(qiáng)煤層透氣性效應(yīng)，從而保證瓦斯抽采效果。目前，常見的煤層強(qiáng)化增透技術(shù)主要包括深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)、水力壓裂增透技術(shù)、CO2預(yù)裂增透技術(shù)、水力擴(kuò)孔和水力開槽技術(shù)等。

2 水力壓裂的原理

2.1裂縫起裂原理

水力壓裂技術(shù)是通過鉆孔將流體壓入煤層，當(dāng)壓入液體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤層的自然吸水能力時(shí)，由于流動(dòng)阻力的增加，進(jìn)入煤層的液體壓力將逐漸增加，當(dāng)壓力超過煤層上方的巖壓時(shí)，煤層中原來封閉的裂隙將被壓開，形成新的流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，煤層的滲透率將增加，被壓裂隙將為煤層瓦斯流動(dòng)創(chuàng)造有利條件。

2.2裂縫延伸原理

當(dāng)將水注入到弱面充水空間時(shí)，在注水泵的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，即注水壓力。此外，在煤層孔隙的潤濕和毛細(xì)管作用下，一些注水壓力會(huì)損失，這部分損失的壓力稱為濾失壓力。如果注水壓力大于濾失壓力，將導(dǎo)致水流入煤層壓裂系統(tǒng)，水將混合煤顆粒并形成堵塞區(qū)。在這種情況下，一級(jí)弱裂面壓力會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致煤層裂隙擴(kuò)大，堵塞效果減弱。隨著煤顆粒逐漸擴(kuò)散到第四周，將形成二次堵塞。

2.3壓裂增透原理

壓力水進(jìn)入煤層之后，依次進(jìn)入一級(jí)弱面（張開度較大的層理或切割裂隙）、二級(jí)裂隙弱面、原生微裂隙，同時(shí)壓力水在裂隙弱面內(nèi)對(duì)壁面產(chǎn)生內(nèi)壓作用下，導(dǎo)致裂隙弱面發(fā)生擴(kuò)展、延伸以至相互之間發(fā)生連接貫通過程實(shí)現(xiàn)壓裂分解。從而使內(nèi)部裂隙弱面的擴(kuò)展、延伸以及相互之間貫通，形成相互交織的貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到提高煤層滲透率的目的。

3 水力壓裂增透技術(shù)在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用

3.1水力壓裂試驗(yàn)情況

3.1.1水力壓裂設(shè)備及儀表

選用額定壓力為31.5MPa、最大排量為200L/min的乳化液泵。為便于操作和控制，壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，采用直感耐震壓力表對(duì)注水壓力進(jìn)行觀測(cè)。此次試驗(yàn)的壓裂泵上和注水管上配備的壓力表量程均為60MPa，乳化液箱容積為2m3。壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、水箱和壓力表等組成。

3.1.2壓裂鉆孔布置及施工

2018年6月16日，在礦井五采區(qū)左7路28#底抽巷施工了水力壓裂測(cè)試鉆孔。鉆孔方位角為N128°，即壓裂鉆孔與巷道線夾角90°；鉆孔傾角45°左右，基本上垂直煤層層面。壓裂測(cè)試孔平均長45m，終孔位置位于左7路28#采面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)位置，鉆孔見煤點(diǎn)埋深在710～720m。距壓裂測(cè)試孔里部50m施工了1排4個(gè)鉆孔作為壓裂觀測(cè)孔，外部50m處有1個(gè)測(cè)壓鉆孔。

3.1.3壓裂鉆孔封孔及注水

2018年7月15日，采用采用的是專用封孔料和封孔泵進(jìn)行封孔，封孔長度為鉆孔孔口至28#煤層底板。具體方法為首先在靠近鉆孔孔口段專用封口器（兩堵一注封孔材料），然后根據(jù)鉆孔的封孔長度計(jì)算出所需封孔料的體積，再借助專用封孔機(jī)將預(yù)先配制好的體積比為1.0：0.5～0.6（封孔料：水）的封孔料通過注漿管注入鉆孔直到全部注完為止，封孔24h后安裝在線計(jì)量裝置觀測(cè)鉆孔的瓦斯?jié)舛燃傲髁?。?018年8月13日中班17：20，開始對(duì)水力壓裂測(cè)試鉆孔進(jìn)行了注水壓裂，至22：28發(fā)現(xiàn)距水力壓裂測(cè)試孔水平距離50m處的觀測(cè)孔出現(xiàn)滴水現(xiàn)象并有增大的趨勢(shì)，注水壓力迅速降低至7.8MPa左右，隨即關(guān)閉閘閥，結(jié)束注水。試驗(yàn)最高注水壓力為18MPa，累計(jì)注水時(shí)間5h，注水量55噸左右。在該煤層注水試驗(yàn)過程中，由于受到供水量因素的影響，注水環(huán)節(jié)出現(xiàn)多次中斷，通過對(duì)第一次注水過程以及注水壓力進(jìn)行觀測(cè)，分析可知，在壓裂的初始階段，水壓致裂壓力逐漸增加，隨著壓裂的持續(xù)進(jìn)行，壓力增加速度增長放緩。通過對(duì)注水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行煤層注水過程中，注水壓力在15MPa～18MPa之間，注水停止后，液體壓力逐漸降低。通過多次注水，水壓逐漸增加。在該煤層中，當(dāng)注水壓力達(dá)到18MPa后，水壓不再增加。在水力壓裂增透試驗(yàn)中，注水壓力是十分重要的技術(shù)參數(shù)，適宜的注水壓力能有效促進(jìn)煤層松動(dòng)，促進(jìn)煤層裂隙寬度的增加，改善煤層結(jié)構(gòu)。

煤層破裂壓力經(jīng)驗(yàn)估算值為16.8MPa，考慮到注水壓力損失，注水壓力應(yīng)大于該值。本次試驗(yàn)注水壓力為18MPa，符合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算條件。

3.2水力壓裂效果分析

2018年8月14日下午l5：O0，打開閘閥開始放水，放水9h后在15日凌晨零點(diǎn)整安裝煤氣表并開始考察鉆孔瓦斯流量，此時(shí)鉆孔排放瓦斯體積分?jǐn)?shù)100%。測(cè)試孑L壓裂后自然排放考察觀測(cè)至8月30日20：36，排放期問每天觀測(cè)煤氣表排放量并準(zhǔn)確記錄讀數(shù)時(shí)間。排放期間最大自排瓦斯流為0.0700m3/min，平均0.0434m3/min，累計(jì)放瓦斯量991m？。（

在壓裂水的排放過程中，煤層裂隙寬度逐漸增加，有利于瓦斯抽采。通過對(duì)瓦斯流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在鉆孔位置，瓦斯流量逐漸增加，最大流量值為0.07m？/min。煤層壓裂增透試驗(yàn)完成后，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔處理，封孔第七天后，瓦斯流量已經(jīng)降低至最低值，瓦斯平均流量為0.00034m？/min。根據(jù)本次壓裂試驗(yàn)，煤層透氣性顯著改善，在注水過程中，鉆孔用水量逐漸增加。

4 結(jié)語

壓裂是提高煤層滲透性的有效途徑，也是提高預(yù)抽氣體濃度的有力保證。水力壓裂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)我國煤礦瓦斯抽采效果具有重要意義。隨著科學(xué)的發(fā)展，水力壓裂技術(shù)將會(huì)更加完善和廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李守國，姜文忠，賈寶山，聶榮山.低透氣性煤層致裂增透技術(shù)應(yīng)用與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45（06）：35-42.

[2]甘林堂，劉吉祥.松軟突出煤層采煤工作面水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用[J].煤礦安全，2017，48（07）：70-73+77.

[3]袁星旭，鐘定云，董國福.水力壓裂增透技術(shù)在K_1煤層掘進(jìn)條帶中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39（S1）：39-41+44.

（作者單位：黑龍江龍煤雞西礦業(yè)有限責(zé)任公司滴道盛和煤礦立井抽采區(qū)）