深部煤層上向穿層水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)研究

高 松

(淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001)

兩淮礦區(qū)各主采煤層煤層透氣性通常較低，瓦斯預(yù)抽工程周期長，工程量大。為了實(shí)現(xiàn)快速消突，通常利用開采卸壓層區(qū)域性增透技術(shù)，以及爆破增透等強(qiáng)化增透技術(shù)。然而對于首采層，開采卸壓層的方法卻無法施展，因而只能采用強(qiáng)化增透技術(shù)。

水力壓裂技術(shù)最早應(yīng)用于石油和天然氣開采領(lǐng)域，至今仍是這一領(lǐng)域的主要增產(chǎn)措施。1965年，原煤科總院撫順分院開始將這一技術(shù)引入煤層氣地面抽采領(lǐng)域，取得了一定的效果[1]。近年來，水力壓裂技術(shù)開始逐步引入到井下煤層增透領(lǐng)域[2-5]。文獻(xiàn)[6]利用井下水力壓裂技術(shù)在淮南礦區(qū)實(shí)現(xiàn)了大范圍、長時間的增透，實(shí)現(xiàn)了煤層氣的安全高效抽采。文獻(xiàn)[7-8]對井下水力壓裂工藝進(jìn)行了改進(jìn)，在河南和安徽等礦區(qū)進(jìn)行了試驗，取得了較好的效果。文獻(xiàn)[9]實(shí)現(xiàn)了定向壓裂，使裂隙沿煤層走向擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了定向增透。文獻(xiàn)[10-11]提出了脈動壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)壓裂隙，大幅提高了煤層透氣性。

然而，煤礦井下穿層水力壓裂技術(shù)是一項新技術(shù)，其機(jī)理和工藝等仍需要進(jìn)一步完善。本文利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程試驗的方法，研究了水力壓裂煤層裂隙擴(kuò)展特性及增透效應(yīng)，并進(jìn)行了井下工程試驗驗證，實(shí)現(xiàn)了大范圍、長時效的增透，有效的抽采了煤層瓦斯。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

根據(jù)潘北煤礦13煤的實(shí)際情況建立水力壓裂RFPA數(shù)值計算模型，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

該模型從上至下分為頂板、煤層和底板三層，模型長60m、高32m。 煤厚為4.0m， 水力壓裂鉆孔直徑為95mm。 共劃96 000個單元。 在模型的上方施加垂向地應(yīng)力19MPa、水平方向地應(yīng)力6.5MPa，該模型材料力學(xué)與滲流力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料力學(xué)與滲流力學(xué)參數(shù)

1.2 模擬計算結(jié)果與分析

1)裂隙分布特性。從如圖2所示的模擬結(jié)果可以看出，在水力壓裂過程中，首先產(chǎn)生了水平方向的主裂隙，即主裂隙擴(kuò)展方向為垂直于最小主應(yīng)力方向。當(dāng)主裂隙擴(kuò)展到一定程度后，在主裂隙末梢處開始出現(xiàn)分支裂隙，分支裂隙的產(chǎn)生是隨機(jī)的，與煤的均質(zhì)性有關(guān)。當(dāng)煤的均質(zhì)性越低，產(chǎn)生分支裂隙的可能性越高。

在水力壓裂的初期，裂隙的數(shù)量較少，但擴(kuò)展速度較快，以主裂隙為主；隨著裂隙不斷向煤體深部擴(kuò)展，裂隙所覆蓋的范圍不斷增大，呈扇形分布，且離壓裂孔越遠(yuǎn)，在垂向上的影響范圍越大。這些裂隙彼此相互貫穿，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

從計算結(jié)果可以看出，壓裂后，在距離水力壓裂孔20～25m范圍內(nèi)的煤體內(nèi)形成了大量的壓裂隙，透氣性大幅提高，有效的提高了煤層的透氣性。

2)應(yīng)力分布特性。水力壓裂后，在裂隙的前端處形成了應(yīng)力集中，迫使裂隙不斷發(fā)展。但在裂隙區(qū)內(nèi)的煤體中的應(yīng)力值有效降低，形成了卸壓區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果，壓裂孔周圍半徑20m的煤體為卸壓區(qū)，20～30m為裂隙前端集中應(yīng)力區(qū)，30m以遠(yuǎn)為未影響區(qū)。

(a)水力壓裂初期 (b)水力壓裂后圖2 水力壓裂過程中壓裂與應(yīng)力演化過程

3)煤層透氣性。壓裂前后煤層透氣性的變化情況如圖3所示。從圖3中可以看出，在水力壓裂之前，煤體的透氣性極低，水力壓裂后，煤層的透氣性獲得了有效的提高，煤層滲透率系數(shù)顯著增大。通過水力壓裂，煤層滲透率在20～25m范圍平均提高了32倍。

(a)聲發(fā)射活躍點(diǎn) (b)壓裂前后滲透率變化圖3 煤層滲透性變化

2 上向穿層水力壓裂增透試驗

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘北礦是一個典型的深部突出礦井，煤層透氣性極低，采用常規(guī)增透方法后，增透效果不理想，嚴(yán)重影響采掘接替。通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，通過水力壓裂技術(shù)可以在煤體中大范圍、有效的提高煤層的透氣性。因而，為快速消除煤層突出危險性，實(shí)現(xiàn)工作面兩順槽安全快速掘進(jìn)，從而保障采掘接替，在潘北礦1131(3)底抽巷利用水力壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下順槽條帶增透，提高煤層透氣性，解決安全高效增透、瓦斯高效抽采的難題。

2.1 水力壓裂概況

1131(3)采煤工作面走向長度1 215m， 采煤面長度260m， 標(biāo)高為-672～-713.3m， 所屬煤層為突出煤層。 工作面范圍內(nèi)煤層平均瓦斯含量8.7m3/t，平均瓦斯壓力2.12MPa，含水率1.72%，滲透率0.00 036mD。

1)水力壓裂設(shè)備。1131(3)工作面壓裂泵采用額定壓力56MPa、額定流量200L/min的乳化泵，壓裂管為直徑42mm的無縫鋼管，連接壓裂泵和壓裂管的軟管為直徑19mm的高壓膠管。

2)壓裂鉆孔設(shè)計。沿1131(3)工作面下順槽底抽巷每隔80m布置一個上向穿層的水力壓裂孔(見圖4)，壓裂孔的直徑為95mm。

圖4 壓裂鉆孔設(shè)計平面圖

2.2 壓裂效果考察

1)壓裂后有效影響半徑考察。壓裂后，不拆除高壓膠管、壓裂泵等，維持壓裂時的連接狀態(tài)10d后，進(jìn)行壓裂效果考察。分別施工T1組、T2組、T3組、T4組、T5組、T6組效果考察鉆孔，如圖4所示。見煤后，分別取樣進(jìn)行含水率、Δp、硬度、煤層孔隙率和瓦斯含量測試。

根據(jù)各組考察鉆孔煤樣含水率的測試結(jié)果繪制出水力壓裂后含水量等值線圖，如圖5所示。

圖5 含水率等值線圖

根據(jù)圖5的測試結(jié)果可以看出，水力壓裂有效影響半徑為20～25m。

2)抽采效果考察。拆除連接高壓軟管后，將圖4中所示的T1、T2和T3組中的30個鉆孔接入瓦斯抽采系統(tǒng)，作為一個單元進(jìn)行考察。同時，分別安裝自動和人工抽采流量測定接口，分別利用人工計量和自動計算兩種方式，考察這一單元內(nèi)的抽純采量等關(guān)鍵參數(shù)，測定結(jié)果如表2所示。

表2 壓裂效果

從表2可以看出，實(shí)施水力壓裂增透技術(shù)后，在一個多月的時間里，考察單元內(nèi)瓦斯抽采純量均提高2倍以上。

原始未壓裂區(qū)域的煤巷條帶瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間為44d，經(jīng)過壓裂后，預(yù)抽達(dá)標(biāo)僅為30d，縮短了15d，與未壓裂區(qū)相比，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間縮短34%。

3 結(jié)論

本文綜合利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程試驗的方法，研究了深部低透氣煤層底抽巷上向穿層水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)及其增透效果。

(1)研究獲得了水力壓裂過程中，煤體裂隙的發(fā)育和分布規(guī)律、應(yīng)力分布特性以及透氣性變化特性，水力壓裂對煤體的增透機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在距離水力壓裂孔20～25m范圍內(nèi)的煤體內(nèi)形成了大量的壓裂隙，透氣性大幅提高，有效的提高了煤層的透氣性。

(2)通過現(xiàn)場工程試驗，利用井下穿層水力壓裂增透的方法，實(shí)現(xiàn)了深部低透氣性煤層大范圍、長時效增透，實(shí)施水力壓裂增透技術(shù)后，在一個多月的時間里，考察單元內(nèi)瓦斯抽采純量均提高2倍以上，與未壓裂區(qū)相比，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時間縮短34%。

(3)研究結(jié)果可供深部低透氣性煤層增透借鑒。