煤礦井下水砂壓裂瓦斯治理技術(shù)研究

賈永斌

(山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 045000)

1 提出問題

陽煤集團(tuán)是全國最大的無煙煤基地，下屬礦井多為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，瓦斯賦存條件復(fù)雜，斷層和褶曲等構(gòu)造較多，且煤層透氣性較低，特別是隨著開采規(guī)模的擴大，蓋山厚度增加，地應(yīng)力加大，瓦斯含量和壓力增加，抽采效果受限于煤層透氣性，導(dǎo)致開采的難度愈來愈大。

因此，如何有效地增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率，進(jìn)一步提高瓦斯治理能力，是擺在當(dāng)前的一個非常重要的課題。

2 工藝原理

井下水砂壓裂增透技術(shù)，就是壓裂液和支撐劑壓入煤層，克服最小主應(yīng)力、煤巖的破裂壓力和閉合壓力，使得煤層中原有的弱面張開、延伸、相互溝通，達(dá)到導(dǎo)流的目的。具體就是使用專門的壓裂裝置，將高壓的壓裂液壓入鉆孔，鉆孔內(nèi)的壓力升高，達(dá)到克服地層的地應(yīng)力和巖石抗張強度時，巖石開始出現(xiàn)破裂，形成一條或數(shù)條裂縫。為了使停泵后裂縫不至于完全閉合，獲得較高的導(dǎo)流能力，在注入壓裂液的同時，再注入固體支撐劑(石英砂或陶粒等)，使之留在裂縫中，以保持裂縫內(nèi)高的滲透率，提高煤層透氣性，從而擴大瓦斯抽采的有效半徑，達(dá)到增透和抽采效果。

該技術(shù)于2019年獲得了國家發(fā)明專利(專利號ZL 2016 1 0792384.4)

3 壓裂裝置

陽煤集團(tuán)與蘭州機器廠合作，對地面煤層氣的壓裂裝置進(jìn)行認(rèn)真地分析和研究，根據(jù)煤礦井下的特點，專門設(shè)計和研制了煤礦井下壓裂裝置，見圖1。

1—壓裂泵撬；2—混砂撬；3—儲砂罐撬；4—水箱撬；5—配電柜撬；6—移動變壓器撬；7—電纜；8—供液管線；9—高壓管線圖1 水砂壓裂裝置示意圖

該裝置于2014年獲得了國家實用新型專利(專利號ZL 2014 2 0120252.3)。

(1)壓裂泵撬

由壓裂泵、離合器和電機組成，主要功能是壓水和壓砂。壓裂泵工作時分為八檔，最大壓力為45MP，最大流量為90m3/h，電機功率為355kW。

(2)混砂撬

由輸砂器、混砂泵、攪拌器和電機組成，主要功能是壓裂液的配制和輸送。最大壓力為0.2～0.9MP，流量為45m3/h，電機功率為315kW。

(3)水箱撬

由水箱、閥門和輸水管路組成，主要功能是儲存水源。容量為6m3。

(4)儲砂罐撬

主要功能是儲放壓砂，壓砂由兩種不同規(guī)格的石英砂組成。

(5)配電柜撬

主要功能是控制各種設(shè)備的啟動、停止、變速等，滿足井下的防爆要求。

(6)移動變壓器撬

由防爆變壓器和電纜組成，主要功能是解決設(shè)備變配電，電壓10kV/1.14kV，容量為1600kVA。

4 壓裂前準(zhǔn)備

4.1 壓裂設(shè)備的安裝、調(diào)試及材料準(zhǔn)備

水砂壓裂裝備由若干個設(shè)備列車組成，安裝在井下的進(jìn)風(fēng)巷道中，距壓裂地點不少于200m，且安裝位置的巷道要有足夠的空間和安全通道，巷道盡可能平緩。

在壓裂施工前必須進(jìn)行設(shè)備運轉(zhuǎn)情況檢查。關(guān)閉孔口管路閥門，對所有的施工管線進(jìn)行最高限壓試驗。在最高限壓下，壓力穩(wěn)定至少達(dá)到工藝設(shè)定要求的時間，系統(tǒng)設(shè)備沒有滲漏，就說明設(shè)備和注入系統(tǒng)合格，可以進(jìn)行施工，否則必須進(jìn)行緊固或更換相關(guān)部件。施工前備足壓裂所需的壓裂液、支撐劑及設(shè)備操作工具。

4.2 壓裂前觀測及參數(shù)測試

為考察壓裂效果，在壓裂前可根據(jù)壓裂地點不同，選擇性測試百米鉆孔瓦斯流量、鉆孔流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)、鉆屑量等相關(guān)參數(shù)。認(rèn)真觀測壓裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是較為發(fā)育的構(gòu)造附近及煤體裂縫發(fā)育地帶。同時，認(rèn)真觀測頂?shù)装逯ёo(hù)情況，嚴(yán)禁在空頂區(qū)進(jìn)行壓裂。

4.3 鉆孔布孔方式及施工

根據(jù)壓裂地點不同及治理瓦斯區(qū)域不同采用不同的壓裂布孔方式，因巖巷段封孔效果要好于煤巷段，使用底板巖石預(yù)抽巷(巖巷)向工作面順槽施工水砂壓裂鉆孔進(jìn)行水砂壓裂后再進(jìn)行打鉆抽放。

4.4 封孔

用膠囊封孔器或水泥砂漿進(jìn)行封孔，膠囊封孔器要求抗壓強度達(dá)到40MPa以上，擴張系數(shù)大于150%，單節(jié)膠筒長度不小于1m。施工項目設(shè)計最高工作壓力在35MPa以下的作業(yè)暫定采用膠囊封孔的方式。當(dāng)穿層鉆孔若巖石段大于20m，且施工壓力超過35MPa的施工作業(yè)，則采用水泥砂漿封孔。在巖孔中鉆孔進(jìn)行水泥砂漿封孔，水泥砂漿封孔段長度不小于20m。

5 壓裂實施

5.1 壓裂液的選取

壓裂液的主要作用就是將壓裂設(shè)備所形成的高壓液體能量傳遞到煤儲層中去，在煤儲層中造成新的裂縫，撐開或擴大原有裂縫，然后把支撐劑加入到裂縫中去，當(dāng)壓力撤消后支撐劑保證裂縫不會閉合。在壓裂過程中，壓裂液壓入煤層的程序分別為前置液、攜砂液、頂替液。

壓裂液選擇的基本原則包括：

(1)與水源及煤儲層的配伍性良好；

(2)濾失低、壓裂液效率高，能造長縫；

(3)攜砂能力強；

(4)摩阻低、穩(wěn)定性良好；

(5)殘渣低，容易返排；

(6)貨源廣，價格低。

通過對活性水壓裂液、凍膠壓裂液和清潔壓裂液對比，得出不同壓裂液的適應(yīng)性，經(jīng)綜合考慮，選用活性水作為壓裂液，其優(yōu)點是配液簡單、對煤層傷害低、成本低等。

5.2 支撐劑的選取

水力壓裂的目的在于將匯集于井筒的徑向流變成與井筒相連通的導(dǎo)流裂縫中的線性流，裂縫中的導(dǎo)流能力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層中的導(dǎo)流能力，要獲得高滲透率的裂縫，必須加入支撐劑，支撐劑的作用在于支撐裂縫的兩壁，以便在壓裂施工結(jié)束后，井底壓力下降到小于煤層裂縫閉合壓力，壓裂作業(yè)造成的通向井眼的導(dǎo)流裂縫依然保持張開。裂縫的導(dǎo)流能力至少要大到能消除井下的大多數(shù)徑向流并允許線性流從儲層進(jìn)入到裂縫中，為達(dá)到這一目的，必須使支撐裂縫內(nèi)的滲透率比儲層滲透率大幾個數(shù)量級。所用的支撐劑大致可分為三大類：天然石英砂、人造陶粒和樹脂包層處理支撐劑。

(1)石英砂

石英砂是一種分布廣、硬度大的天然的穩(wěn)定性礦物，其主要化學(xué)成分為二氧化硅，主要產(chǎn)于沙漠、河灘或沿海地帶，礦物組分以石英為主，石英含量一般在80%左右，國外優(yōu)質(zhì)石英砂中石英含量可達(dá)98%以上。石英砂顆粒相對密度約在2.65左右，體積密度約在1.75g/cm3。對于低閉合壓力的儲層，使用石英砂作為壓裂用支撐劑已取得了一定的增產(chǎn)效果。石英砂的相對密度較低，便于施工泵送，且價格便宜，因而在淺井中至今仍被大量使用。

(2)陶粒

用電解或燒制均可制得，具有抗壓強度大特點，主要用于閉合壓力在34～59MPa內(nèi)的壓裂施工作業(yè)，能保證在高閉合壓力下具有較高的導(dǎo)流能力。但相對密度也較大，對壓裂液的性能(如粘度、流變性等)及泵送條件(如排量，設(shè)備功率等)都有更高的要求，另外陶粒的生產(chǎn)成本比較高。這兩種因素引起陶粒的壓裂施工成本昂貴，限制了它的廣泛使用。

(3)樹脂包層砂

針對天然石英砂抗壓強度低、導(dǎo)流能力差而研制的支撐劑，采用特殊工藝將改性苯酚甲醛樹脂包裹到石英砂的表面上，并經(jīng)熱固處理制成。一般它的顆粒密度為2.55g/cm3，比石英砂略輕。由于在砂子表面包裹了一層高強度樹脂，使閉合壓力分布在較大的樹脂層的面積上，減少了點負(fù)荷，無樹脂膜的顆粒其受力面積直徑是顆粒直徑的10%或更小，而有樹脂膜的顆粒其受力面積直徑接近顆粒直徑的40%；用電子顯微鏡觀測發(fā)現(xiàn)，可變形支撐劑的接觸面積比易碎裂支撐劑的接觸面積增大16倍。這樣即使壓碎了包層內(nèi)的砂子，外邊的樹脂層仍可以將碎塊、微粒包裹在一起，防止它們運移或堵塞支撐劑帶的孔隙，使裂縫保持有較高導(dǎo)流能力。

樹脂包層砂提高了砂粒的抗破碎能力，而且砂粒鍵合在一起，不僅形成了一條有滲透能力的過濾層，而且還防止了支撐劑吐出，減少了支撐劑嵌入地層的現(xiàn)象。由于每粒砂粒均有一層堅韌的樹脂外殼，因此，若在一定的閉合應(yīng)力下，砂粒被壓碎，所產(chǎn)生的碎屑、細(xì)粉砂卻包覆在樹脂殼內(nèi)，從而防止了碎屑、細(xì)粉砂的運移。因而即使在砂粒被壓碎的情況下，該支撐劑仍有一定的導(dǎo)流能力。

具體使用何種支撐劑要根據(jù)施工項目的煤層結(jié)構(gòu)、條件等因素經(jīng)綜合考慮進(jìn)行施工設(shè)計，推薦選擇使用石英砂(粒徑分別有細(xì)粒、中粒和粗粒)作為支撐劑材料，其優(yōu)點是性能適中、價格便宜和貨源廣等。

5.3 前置液注入

啟動壓裂泵后，將配置的活性水壓裂液注入施工目標(biāo)煤層，液體壓力緩慢升壓，當(dāng)泵注壓力達(dá)到破裂壓力形成裂縫后，繼續(xù)泵注，液體壓力保持高壓或出現(xiàn)若干次峰值，直至泵注量達(dá)到設(shè)計要求用量，約80～100m3，泵壓會稍有降低并保持穩(wěn)定。活性水壓裂液按質(zhì)量百分比計的配比為：活性劑0.04%～0.07%，增稠劑0.04%～0.07%，KCl 0.3%～0.7%，其余為清水?；钚詣┛蛇x用低泡表面活性劑，增稠劑可選用水性增稠劑。

5.4 攜砂液注入

注入前置液后期，地層裂縫形成后，開始注入攜砂液，加入粒徑為0.15～0.30mm石英砂，砂比為3%～5%。如果施工壓力快速上升，停止細(xì)粒石英砂加砂，繼續(xù)注入活性水壓裂液，待施工壓力下降至10MPa并保持穩(wěn)定時，重新開始加砂。此時的石英砂粒徑應(yīng)為0.45～0.9mm的中粒石英砂，平均砂比為10%左右為宜。在注入攜砂液后期，若施工壓力快速上升，需進(jìn)行停止加砂或沖洗。

5.5 頂替液注入

沖洗完畢后，開始注入頂替液，注入壓力初步定為15～18MPa，以便使孔內(nèi)殘留的砂粒進(jìn)入到壓開的煤體裂縫中，不至于堵孔影響后期的抽采效果。注入液量為2～3m3。

5.6 洗孔

頂替液注入后，關(guān)閉井口，等到煤層壓力緩慢釋放后，用1～2MPa的高壓水利用壓裂孔進(jìn)行洗孔作業(yè)。待只有少量煤粒或砂粒排出時停止洗孔，一般洗孔時間為5～8min。

5.7 排水

因在底板預(yù)抽巷所施工的壓裂鉆孔均為仰角孔，高壓水可自煤孔中自由流出，需做好壓裂孔所在區(qū)域的排水工作，必要時可施工專用排水渠進(jìn)行排水。

5.8 數(shù)據(jù)錄入

對壓裂過程中的每一階段，嚴(yán)格記錄壓裂泵排出壓力、流量、液量、砂量、砂比、時間等數(shù)據(jù)，并填寫在專門的記錄表格內(nèi)。

6 壓裂結(jié)束

6.1 壓裂后觀測及參數(shù)測試

壓裂之后測試與壓裂前相對應(yīng)的瓦斯參數(shù)，同時觀測壓裂后壓裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是較為發(fā)育的構(gòu)造附近及煤體裂縫發(fā)育地帶，觀測煤壁是否有出水、巷道變形等情況。并與壓裂前對比，初步確定壓裂效果及壓裂半徑。如果需考察壓裂半徑，則在壓裂范圍區(qū)域內(nèi)施工鉆孔進(jìn)行測試，比較壓裂前的瓦斯參數(shù)，從而較為準(zhǔn)確的確定壓裂半徑。

6.2 封孔聯(lián)管抽采

壓裂時若為膠囊封孔則需取出膠囊后按已有抽采鉆孔封孔方式進(jìn)行封孔，確保封孔合格，之后接入抽采管路進(jìn)行抽采。同時在孔口抽采管上留有相應(yīng)的接口可進(jìn)行抽采濃度、流量等參數(shù)的測試；如果為水泥砂漿封孔，則通過變徑接頭接入已有抽采管路進(jìn)行抽采。

6.3 抽采參數(shù)測試

詳細(xì)記錄壓裂鉆孔聯(lián)管抽采之后的瓦斯?jié)舛?、抽采?fù)壓、抽采流量等相關(guān)抽采參數(shù)，對比相近區(qū)域未壓裂鉆孔的抽采情況，考察抽采效果。通過考察不同壓裂鉆孔的抽采情況，最終實現(xiàn)壓裂參數(shù)與抽采效果的定性及定量化表達(dá)，為日后的壓裂提供指導(dǎo)。