水力壓裂封孔技術(shù)在松軟厚煤層中的研究與應(yīng)用

郝瑞云

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,太原 030000)

目前高突礦井瓦斯治理及綜合利用措施主要是采取鉆孔瓦斯抽采技術(shù)[1-2]。鉆孔封孔技術(shù)作為瓦斯抽采的重要技術(shù)部分,決定著瓦斯抽采的效果。圍繞瓦斯抽采封孔技術(shù),國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)研究鉆孔圍巖變形破壞規(guī)律,分析鉆孔漏氣原理,提出相應(yīng)的封孔理論技術(shù)和工藝,研發(fā)出配套的抽采裝備和封孔材料,提高鉆孔的密封性,增加瓦斯抽采濃度,為瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3]。松軟煤層由于透氣性差,鉆孔圍巖受采動(dòng)二次破壞裂隙發(fā)育嚴(yán)重,裂隙與外部空氣聯(lián)通形成導(dǎo)氣通道,抽采負(fù)壓不穩(wěn)定,瓦斯衰減速度快,鉆孔封孔的難度增加,瓦斯抽采效果差[4]。針對(duì)松軟煤層封孔工藝存在的封孔參數(shù)不合理、密封效果差等問(wèn)題,研究新型封孔工藝成為提高松軟煤層瓦斯抽采效果的重要研究方向。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3#煤層埋深約495～525 m,煤厚4.49～7.17 m,平均5.65 m,構(gòu)造較簡(jiǎn)單,屬于穩(wěn)定煤層。根據(jù)2018年《礦井瓦斯涌出量測(cè)定報(bào)告》,

鑒定霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井,3#煤層瓦斯含量為3.49～15.79 m3/t,平均6.87 m3/t;煤層平均厚度5.65 m,透氣性系數(shù)為0.090 6～0.202 8 m2/(MPa2·d)。3#煤層屬低透氣性難抽-可抽煤層。目前礦井瓦斯治理主要措施為工作面預(yù)抽,封孔方式采用“兩堵一注”封孔工藝,鉆孔初始抽采濃度為47%,平均抽采濃度為31%,預(yù)抽瓦斯量約0.982～4.870 m3/min。導(dǎo)致瓦斯抽采濃度低的主要原因是封孔效果不理想。

影響瓦斯抽采效果的主要因素為漿液不能完全與鉆孔裂隙形成密閉,鉆孔圍巖裂隙發(fā)育與外部環(huán)境聯(lián)通[5-6]。為了提高抽采效率需要提前人為干預(yù)裂隙發(fā)育,保證漿液能夠進(jìn)入裂隙中，形成密閉層。通過(guò)理論計(jì)算確定合理的封孔深度、壓裂位置、深度、數(shù)量等封孔參數(shù),優(yōu)化水力壓裂封孔工藝。

2 合理封孔參數(shù)計(jì)算

2.1 合理封孔深度及壓裂位置

霍爾辛赫礦煤層賦存深度525 m,上覆巖層容重2 500 kN/m3,為了能夠觀測(cè)鉆孔內(nèi)壁圍巖變形破壞情況,分析鉆孔密封深度,采用鉆孔窺視儀對(duì)3305工作面瓦斯抽采鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)情況如圖1所示。

圖1 鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖Fig.1 Drilling internal structure

圖1(a)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發(fā)育少,圍巖完整性較好,受集中應(yīng)力變形破壞小;圖1(b)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發(fā)育,圍巖受集中應(yīng)力作用發(fā)生彈性破壞;圖1(c)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發(fā)育嚴(yán)重,局部發(fā)生塌落,圍巖處于應(yīng)力集中區(qū)，受集中應(yīng)力作用發(fā)生塑性破壞;圖1(d)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發(fā)育較圖1(c)有所減少,圍巖變形趨于穩(wěn)定,圍巖進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū),受擾動(dòng)的影響逐漸變小。

根據(jù)鉆孔窺視儀的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),結(jié)合《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定,本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔深度不低于8 m,按照富余系數(shù)2計(jì)算,確定現(xiàn)場(chǎng)封孔深度取值區(qū)間為8～16 m。

2.2 合理壓裂深度

根據(jù)霍爾辛赫3#煤層巷道實(shí)際賦存條件,煤層平均厚度5.6 m,鉆孔孔徑 113 mm,鉆孔應(yīng)力按照各向等壓計(jì)算為11.25 MPa,修正系數(shù)1.3。將參數(shù)帶入圍巖裂隙分布公式計(jì)算。

鉆孔圍巖煤體破碎區(qū)半徑：

(1)

塑性區(qū)半徑:

(2)

彈性區(qū)半徑:

Re=5Ro.

(3)

式中:Ro為破碎區(qū)內(nèi)邊界,0.08 m;po為原巖應(yīng)力,11.25 MPa;c為內(nèi)聚力,0.24 MPa;φ為內(nèi)摩擦角,30°。

通過(guò)計(jì)算可得鉆孔圍巖煤體破碎區(qū)半徑Rs=0.17 m;塑性區(qū)半徑Rp=0.2 m;彈性區(qū)半徑Re=0.4 m。

確定鉆孔圍巖松動(dòng)圈分布范圍,為鉆孔封孔壓裂深度提供理論依據(jù)。注漿密封應(yīng)深入鉆孔塑性區(qū)延伸至彈性區(qū),確定合理壓裂深度取值區(qū)間為 0.2～0.4 m 之間。為保證注漿封孔效果能夠滲入鉆孔圍巖發(fā)育裂隙當(dāng)中形成密封層,余量系數(shù)取1.25,確定現(xiàn)場(chǎng)封孔壓裂深度取值區(qū)間為0.25～0.50 m。

2.3 合理注漿參數(shù)

1)注漿壓力確定。為保證注漿漿液在圍巖裂隙中形成密封層,按照漿液擴(kuò)散范圍覆蓋鉆孔圍巖塑性區(qū),注漿擴(kuò)散半徑根據(jù)公式按最大值計(jì)算[7]:

(4)

式中:pg為注漿壓力,MPa;t為注漿時(shí)間,900 s;Rg為注漿半徑,取63 cm;Rz為鉆孔半徑,帶壓注漿取60 mm;ω為裂隙張度,取0.4 mm;μ為漿液粘度,取40 MPa·s。由公式可確定注漿壓力區(qū)間為1.3～1.5 MPa。

2)注漿量確定。鉆孔密封效果受注漿量直接影響。注漿量分為三部分:充填鉆孔圍巖裂隙注漿量、圍巖壓裂注漿量、鉆孔封孔注漿量。注漿量根據(jù)公式計(jì)算[8]:

Vg=φ(Vk+Vt+Vf) .

(5)

式中:Vk為鉆孔漿液體積,m3;Vt為裂隙漿液體積,m3;Vf為壓裂漿液體積,m3;Vg為封孔漿液體積,m3;r為鉆孔體積擴(kuò)大系數(shù),取1.3;θ為漿液裂隙體積系數(shù),取0.25;Rz為鉆孔半徑,60 mm;rc為篩管半徑25 mm;rg為裂隙半徑,25 mm;l為封孔深度,取8～16 m;hf為壓裂半徑,12 mm;B為鉆孔封孔段縫槽數(shù)量,一般取1～3;ω為壓裂體積修正系數(shù),1.2;φ為漿液余量系數(shù),取1.2。由公式可確定注漿量區(qū)間為0.25～0.40 m3。

通過(guò)公式計(jì)算確定最優(yōu)封孔參數(shù)取值范圍,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行封孔作業(yè)時(shí),封孔深度控制在8～16 m,封孔壓裂深度控制在0.25～0.50 m,注漿壓力控制在1.3～1.5 MPa,注漿量控制在 0.25～0.40 m3。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)地點(diǎn)3305回采工作面運(yùn)輸順槽,孔間距3 m,孔徑113 mm,孔深120 m,鉆孔開孔高度距巷道底板1.4 m,鉆孔傾角為煤層傾角+1°。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件進(jìn)行抽采鉆孔施工設(shè)計(jì),通過(guò)試驗(yàn)對(duì)普通“兩堵一注”封孔工藝和水力壓裂封孔工藝進(jìn)行對(duì)比分析。

水力壓裂封孔工藝采用三水平四因素正交試驗(yàn)法分析不同鉆孔深度、壓裂數(shù)量、壓裂位置及壓裂深度,共布設(shè)9組對(duì)比試驗(yàn)鉆孔,通過(guò)等水平正交試驗(yàn)極差分析確定最優(yōu)封孔參數(shù)。

A 組試驗(yàn)鉆孔封孔方式采用“兩堵一注”封孔工藝,設(shè)計(jì)封孔深度16 m,試驗(yàn)布置如表1所示。

表1 “兩堵一注”封孔工藝試驗(yàn)布置Table 1 Sealing process test of two-sealing-one-injecting

B組—D組試驗(yàn)鉆孔封孔方式采用水力壓裂注漿封孔工藝,設(shè)計(jì)封孔深度分別為10 m,13 m,16 m;封孔段壓裂數(shù)量分別為1,2,3條;壓裂切割深度分別為0.15 m，0.20 m，0.35 m,試驗(yàn)布置如表2所示。

表2 水力壓裂注漿封孔工藝試驗(yàn)布置Table 2 Sealing process test of hydraulic fracturing and grouting

每隔5 d對(duì)12組鉆孔瓦斯抽采濃度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)時(shí)間跨度為80 d,記錄180組數(shù)據(jù),將各組鉆孔瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,如圖2所示。

(a) A組瓦斯抽采曲線圖

(b) B組瓦斯抽采曲線圖

(c) C組瓦斯抽采曲線圖

(d) D組瓦斯抽采曲線圖圖2 各組試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖Fig.2 Gas concentration curves of boreholes in different tests

由圖2可看出,采用普通“兩堵一注”封孔方式的A組各鉆孔,其瓦斯抽采濃度偏低,瓦斯衰減速度快,在抽采濃度80 d后衰減到20%。

通過(guò)對(duì)比A組—D組鉆孔濃度變化可知,采用壓裂技術(shù)后，鉆孔濃度隨壓裂的數(shù)量和深度的增加而提高。B組鉆孔濃度比A組鉆孔瓦斯?jié)舛扔兴黾?但受封孔深度不足影響,80 d后抽采濃度衰減到30%,衰減速度仍較快。C組與D組瓦斯抽采濃度高,瓦斯?jié)舛茸兓疽恢?抽采效果好,試驗(yàn)期間抽采濃度基本保持在50%以上,且衰減速率較小,封孔效果明顯提升。

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知,采用水力壓裂封孔技術(shù)相較于普通“兩堵一注”封孔技術(shù)的初始抽采濃度提升約1.3～1.8倍,平均抽采濃度提升約1.7倍。封孔效果隨著封孔深度的延伸、壓裂數(shù)量和深度的增加成正比例提高。從正交試驗(yàn)封孔結(jié)果及封孔經(jīng)濟(jì)性綜合考慮,最優(yōu)的封孔參數(shù)為封孔深度13 m,封孔段壓裂數(shù)2條,壓裂深度 0.35 m,注漿壓力1.5 MPa,注漿量0.4 m3。

4 結(jié)論

本文針對(duì)松軟煤層透氣性差,鉆孔裂隙密封效果差，瓦斯抽采濃度低等問(wèn)題,提出水力壓裂封孔技術(shù)。通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,確定最優(yōu)的封孔參數(shù)為封孔深度13 m,封孔段壓裂數(shù)2條,壓裂深度 0.35 m,注漿壓力1.5 MPa,注漿量0.4 m3。實(shí)施新工藝后,初始瓦斯抽采濃度提升約1.3～1.8倍,平均抽采濃度提升約1.7倍。