松軟煤層超高壓水力壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用

黃 勇，崔娜娜

(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100)

我國高瓦斯和突出礦井所開采的煤層95%以上都屬于低透氣性煤層，特別近年來隨著煤礦開采深度的逐步增加，地應(yīng)力隨之增大，進一步降低了煤層的透氣性系數(shù)，從而導(dǎo)致鉆孔有效影響范圍小，瓦斯抽采效率降低，常規(guī)的瓦斯抽采方法難以發(fā)揮作用，因此煤層增透技術(shù)一直是瓦斯防治技術(shù)的研究重點[1-6]。超高壓水力壓裂技術(shù)是一種新型的煤層增透技術(shù)[7-11]，可以實現(xiàn)未卸壓條件下煤層增透、增大抽放半徑，提高抽采濃度和抽采效率，最大限度消除瓦斯災(zāi)害，具有節(jié)省資金、減少投資、見效快的特點，從根本上解決瓦斯抽采困難的局面[12-16]。

1 礦井煤層地質(zhì)概況

試驗煤礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井主要可采煤層為8號煤層，大部分可采煤層為7號煤層，局部可采的6號煤層、11號煤層。7號煤層厚度為0.66～1.03m，平均0.84m，上距B4巖層平均5.73m，下距B3巖層平均6.24m。7號煤層頂板主要以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，直接底板為粘土巖。8號煤層厚度為2.36～3.78m，平均2.96m，上距M7-2巖層6.24m，下距B1巖層平均24.72m。8號煤層頂板巖性以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，局部為泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖，底板以砂質(zhì)、泥巖泥巖為主。由于礦井各煤層瓦斯含量較高，煤層透氣性極差，瓦斯涌出量大，因此，采用保護層開采防治煤與瓦斯突出。其中，保護層以7號煤層為主，6號煤層及11號煤層為次，8號煤層為被保護層。

通過對礦井相關(guān)基礎(chǔ)資料和現(xiàn)場實測的分析可知：①7煤層瓦斯壓力為1.94MPa，瓦斯含量為15.68m3/t，孔隙率達15.652%，透氣性系數(shù)為0.0099m2/(MPa2·d)，煤層a、b值分別為20.4352m3/t、0.9873MPa-1，說明該煤層屬于低透氣性突出煤層；②7號煤層單軸壓縮強度僅為0.67MPa，彈性模量為13.4 GPa，泊松比為0.31，說明該煤層型煤樣極易變形，屬于軟煤層?；诖?，為了增大7號煤層透氣性和提高瓦斯抽采效率，決定在N3704西瓦斯巷實施穿層鉆孔超高壓水力壓裂技術(shù)。

2 超高壓水力壓裂實施方案

2.1 壓裂區(qū)域煤巖層情況

N3704西瓦斯巷位于-250～-60m水平之間，埋深750m。超高壓水力壓裂鉆孔為穿層鉆孔，壓裂目標(biāo)煤層為7號煤層，煤系地層主要由泥質(zhì)巖類、砂巖類及煤組成。由于7號煤層所在煤組地層抗壓強度大、裂隙發(fā)育，煤頂板泥巖遇水易崩解、破裂，且底板泥巖遇水極易膨脹，因此，在N3704西瓦斯巷施工鉆孔進行穿層鉆孔壓裂時，預(yù)計破裂壓裂較大，在壓裂封孔時封孔材料最好能封至7號煤層的底板泥巖頂，以免在壓裂過程中泥巖膨脹堵塞7號煤層已有壓裂通道，影響壓裂效果。

2.2 鉆孔布置情況

本次壓裂共布置1個壓裂孔、2個標(biāo)準(zhǔn)孔、15個檢驗孔，各孔布置如圖1所示。鉆孔孔徑均為75mm，壓裂孔鉆進至7號煤層頂板3m止，其它鉆孔鉆進至7號煤層頂板2m止。1#標(biāo)準(zhǔn)孔和2#標(biāo)準(zhǔn)孔的功能是進行參數(shù)測試；1#—15#檢驗孔的功能是壓裂效果檢驗和瓦斯抽采有效半徑考察。另外，由于原先設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)孔受到了水力壓裂影響范圍，故重新施工標(biāo)2孔，由標(biāo)2孔來測試7#煤層瓦斯壓力；檢5、檢9在打鉆過程中，由于鉆進問題報廢。

圖1 鉆孔布置示意圖(m)

2.3 壓裂孔封孔設(shè)計

結(jié)合N3704西瓦斯巷地應(yīng)力場方向、裂隙方向、鉆孔方向及7號煤層的層位的關(guān)系，經(jīng)研究總結(jié)得出，壓裂孔封孔由孔口開始，封孔至7號煤層底板。采用高標(biāo)號水泥注漿進行封孔。壓裂孔封孔如圖2所示。

圖2 壓裂孔封孔示意圖

1)鉆孔用?75mm鉆頭開孔，鉆進至穿過7號煤層頂板3m停鉆，用?94mm鉆頭由3孔口擴孔至孔內(nèi)不少于10m處。

2)孔內(nèi)壓裂管內(nèi)徑為25mm、壁厚8mm的無縫鋼管，每根長2m，用相應(yīng)接頭進行連接；壓裂管前端為4m花管，花管外用紗布包裹；孔外壓裂管管內(nèi)徑為25mm，壁厚為13mm，抗壓能力不小于50MPa，每根長2m，孔外壓裂管與孔內(nèi)壓裂管、三通、管與管之間均采用抗高壓接頭進行連接。

3)封孔注漿管采用6分鋼管，每根鋼管長2m，兩頭套絲，采用管箍連接，距孔口6m開始鉆孔，一周3個孔，不在同一圓周上，孔間距0.2m，孔徑?8mm。

4)封孔段外端通過注入聚氨酯進行封堵，封堵段長度不小于1.5m。封孔段內(nèi)端主要采用“馬尾巴”封堵，即：將“馬尾巴”綁在壓裂管上，當(dāng)壓裂管注漿花管穿過7號煤層時，停止送管，向孔外方向拉動壓裂管，使“馬尾巴”收縮，從而起到封堵水泥砂漿及過濾水的作用?！榜R尾巴”的長度應(yīng)大于1m，“馬尾巴”的條數(shù)以與孔壁緊密接觸為準(zhǔn)。

5)注漿液主料為標(biāo)號不小于425#水泥，配料為標(biāo)號32.5#的白水泥，二者比例為3.5∶1。要求注漿液抗壓強度大于20MPa，抗收縮能力強。

2.4 壓裂過程分析

N3704西瓦斯巷穿層超高壓水力壓裂于4月19日16：43開始，于4月20日21:32結(jié)束，有效壓裂時間為10.5h。水力壓裂共分兩個階段。

2.4.1 水力壓裂第一階段

第一階段于4月19日16：43開始壓裂，結(jié)束時間為21：28，壓裂時間總計278min，注入水量為22.74m3。第一階段的壓裂壓力、流量與時間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 第一階段壓力與流量曲線

在第一階段的水力壓裂過程中，前10min檔位是空檔，泵組空轉(zhuǎn)運行，其目的是觀測泵組工作狀態(tài)是否穩(wěn)定，以檢測泵組運轉(zhuǎn)是否正常。經(jīng)檢測泵組運轉(zhuǎn)情況正常，供水泵開始工作，并將檔位切換至1檔，開始向壓裂孔注水。經(jīng)計算，管路及泵組充填所需水量約為0.48m3，在約3min后，管路充填完成，隨后開始調(diào)節(jié)電動調(diào)壓閥的閥門開度，主泵輸出壓力開始逐步增大。

第一次煤巖層產(chǎn)生破裂的時間為第111分鐘，壓力從45.3MPa降至36.2MPa，流量從1.3m3/h升至2.7m3/h，流量增大了約2倍。此后15min內(nèi)壓力和流量均未再有所大的變化，由此判定此時在煤巖層中形成了一條裂隙，之后為裂隙的延伸過程。在壓力達到42MPa時，煤巖層裂隙繼續(xù)開啟，并在第157分鐘時裂隙充填飽和，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為壓力升高，流量降低。第二次煤巖層產(chǎn)生破裂是在第164分鐘，此時壓力由41.8MPa降至37.1MPa，流量由1m3/h升至17.1m3/h，達到了1檔的額定排量，這種狀態(tài)持續(xù)55min，在此期間曾切換了2檔，但注水流量和注入壓力變化均不明顯，說明此時形成了一條較大的裂隙，但向裂隙內(nèi)注水的阻力很大，說明裂隙擴張進程緩慢。

2.4.2 水力壓裂第二階段

1)第二階段水力壓裂是在第一階段水力壓裂的基礎(chǔ)上進行的。第二階段于4月20日15:42開始，持續(xù)時間為350min，于4月20日21:32結(jié)束，壓入水量約為97m3。第二階段的壓裂壓力、流量與時間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 第二階段壓力與流量曲線

第二階段注水壓裂10min時，壓力達到37.6MPa，流量達到16.8m3/h，此狀態(tài)持續(xù)了296min。在此過程中，壓力在±2MPa范圍內(nèi)波動，流量在±1.5m3/h范圍內(nèi)波動。第二階段壓裂過程中表現(xiàn)出壓力和流量比較高，且比較穩(wěn)定。

綜上分析，本次壓裂的兩個階段總計10.5h，注入水量達109.72m3，壓裂過程中最高壓力值為50.3MPa，壓裂地點的起裂壓力在40～45MPa之間，延伸壓力在36～39MPa之間。整個壓裂過程中產(chǎn)生了較多的微型裂隙，增大煤層的透氣性，并降低瓦斯抽放難度。

3 壓裂效果分析

3.1 壓裂后煤層瓦斯抽采難易性分析

結(jié)合礦井實際情況，選取1#、2#、3#、4#檢驗孔作為壓裂效果考察，根據(jù)4個檢驗孔記錄的參數(shù)，計算壓裂后1#、2#、3#、4#檢驗孔測得的7號煤的透氣性系數(shù)、流量衰減系數(shù)，從而評價7號煤層的瓦斯抽放難易程度。透氣性系數(shù)及流量衰減系數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 透氣性系數(shù)及流量衰減系數(shù)

由表1對比發(fā)現(xiàn)，本次壓裂大大提高了7號煤的透氣性系數(shù)。與壓裂前煤層透氣性系數(shù)結(jié)果相比較可以看出，7號煤層經(jīng)超高壓水力壓裂后透氣性系數(shù)增大了50倍以上，瓦斯抽放程度從較難抽放變?yōu)槿菀壮椴伞⒖梢猿榉拧?/p>

3.2 壓裂有效范圍的考察

壓裂有效壓裂范圍的考察是通過觀察檢驗孔的打孔現(xiàn)象判定的，根據(jù)現(xiàn)場各檢驗孔打鉆情況經(jīng)過分析，可以分別初步確定沿煤層傾向和走向的壓裂范圍。

3.1 確定沿煤層傾向的壓裂范圍

以壓裂孔為中心，沿7號煤層的傾向上，在壓裂孔以北80m處的1#檢驗孔在施工47～53.2m時，出現(xiàn)了嚴(yán)重的噴孔現(xiàn)象，且對7號煤層取芯失敗，與以前的鉆孔施工情況相比，顯得較為異常；在壓裂孔以北50m處的4#檢驗孔，在拆除鉆孔時，鉆孔里出現(xiàn)了滲水，由此，初步確定壓裂孔以北的壓裂有效范圍為50～80m。在壓裂孔以南60m處的1#標(biāo)準(zhǔn)孔在水力壓裂過程，高壓注水將連接在孔口測試參數(shù)的壓力表壓壞，而在距壓裂孔以南70m處施工8#檢驗孔時，無異?，F(xiàn)象，由此，初步確定壓裂孔以南的壓裂有效范圍為60～70m。

3.2 確定沿煤層走向的壓裂范圍

為檢測煤層沿走向上的有效壓裂范圍，在距壓裂孔以西55m處施工14#檢驗孔過程，無異?，F(xiàn)象，而在距壓裂孔以西30m施工9#檢驗孔時，出現(xiàn)了全巖層抱鉆現(xiàn)象，由此，初步確定壓裂孔以西的壓裂有效范圍為30～55m。 在距壓裂孔以東60m處施工12#檢驗孔時，有水流出；而在距壓裂孔以東70m處施工檢驗13#孔時，施工無異?，F(xiàn)象，由此，初步確定壓裂孔以東的有效壓裂范圍為60～70m。

4 結(jié) 論

1)針對煤層賦存特點及各煤層層位關(guān)系，結(jié)合在封孔、壓裂過程中出現(xiàn)的問題，得出在壓裂7號煤層時的合理封孔深度及封孔工藝，認為封孔深度應(yīng)封至7號煤層底板距7號煤層2m距離處，同時封孔長度不小于40m。

2)在埋深750m條件下，7號煤層壓裂地點的起裂壓力在40～45MPa之間，延伸壓力在36～39MPa之間，共向煤層注入水量達109.72m3，壓裂之后的抽采半徑在50～70m之間。

3)通過對7號煤層進行煤巖合層壓裂，得出在影響范圍內(nèi)壓裂后瓦斯抽采純量效率提高10倍以上，煤層透氣性系數(shù)提高50倍以上，煤層由難以抽采煤層、可抽煤層變?yōu)橐壮椴擅簩印?/p>