水力壓裂增透技術(shù)在南桐煤礦的應(yīng)用研究

任梅青，吳 斌

（重慶能投渝新能源公司,重慶400060）

0 引 言

煤礦井下水力增透技術(shù)作為破解低滲透性、難抽采煤層的關(guān)鍵技術(shù)，在國內(nèi)多個大型礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，尤其是在西南構(gòu)造復(fù)雜區(qū)礦的高瓦斯突出礦井得到了廣泛的應(yīng)用，有效遏制了煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。目前，煤礦井下水力增透的方式主要有水力擠出[1]、水力壓裂[2-3]、深孔高壓注水[4]、水力割縫[5-6]、水力沖孔[7-8]和水力掏槽[9]等。自2010 年開始，重慶能源投資集團(tuán)所屬礦井積極開展煤礦井下水力壓力增透技術(shù)研究和應(yīng)用，通過近10 年探索，該技術(shù)已成為預(yù)抽煤層瓦斯的強(qiáng)制性前提條件。

南桐煤礦隸屬于重慶能源投資集團(tuán)渝新能源有限公司，屬煤與瓦斯突出礦井，其可采煤層自上而下有K3（4#）、K2（5#）、K1（6#）三層，K2作為保護(hù)層開采。在采用水力壓裂增透技術(shù)之前，礦井主要是采取密集穿層鉆孔輔以本層鉆孔的方式進(jìn)行消突，但是因其透氣性系數(shù)只有2×10-3m2/（MPa2·d），鉆孔抽采時間短，預(yù)抽效果差，消突效果不理想。本文以礦井北翼-325m7511 保護(hù)層工作面水力壓裂增透措施為例，詳細(xì)闡述水力壓裂增透技術(shù)的基本原理及工程實(shí)踐，為突出煤層的瓦斯治理提供參考。

1 水力壓裂增透技術(shù)原理

水力壓裂是指以恒定或逐漸增加的排量由鉆孔向煤層注水，形成一組沿最大主應(yīng)力方向延伸、最小主應(yīng)力方向張開的徑向張性裂縫，提高煤層的透氣性。

1.1 裂縫起裂

水力壓裂時，鉆孔內(nèi)流體壓力增大，在孔壁周圍產(chǎn)生壓力場。根據(jù)巖石張性破裂準(zhǔn)則可知，當(dāng)孔壁煤體受到的拉應(yīng)力能夠克服地應(yīng)力和煤體的抗拉強(qiáng)度時，煤體產(chǎn)生張性破裂，進(jìn)而在鉆孔附近形成初始裂縫。

設(shè)初始地應(yīng)力場的有效應(yīng)力分別為σx'，σy'和τ（見圖1），則鉆孔周圍的主應(yīng)力可表示為：

圖1 裂縫起裂

圖2 裂縫擴(kuò)展

1.2 裂縫擴(kuò)展

當(dāng)煤體產(chǎn)生張性破裂后，裂縫將沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。斷裂力學(xué)理論認(rèn)為裂縫在擴(kuò)展過程中，受周圍煤體的斷裂韌性KIC的控制。根據(jù)能量條件，裂縫內(nèi)的流體壓力在裂縫邊緣某一點(diǎn)上誘發(fā)的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于煤體的斷裂韌性KIC時，裂縫將向前擴(kuò)展。假設(shè)裂縫內(nèi)流體壓力各個方向相同，由圖2 可得裂縫端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

式中：KI為煤巖體張性裂縫強(qiáng)度因子，MPa·m1/2；p (y) 為作用于裂縫面上的凈壓力，MPa；a 為裂縫的半長，m；y 為裂縫上任一點(diǎn)到壓裂孔中心的距離，m；

2 水力壓裂試驗(yàn)與效果評價

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

-325m 水平7511 工作面位于位于烏龜山背斜東翼，上部為6511 下段于2014 年9 月回采完畢，南鄰7509 上段于2011 年11 月回采完畢，北部和下部尚未布置采區(qū)。治理范圍為-325m 九石門以北275m，傾向117m 的K2煤層，圖3 所示，煤層傾角30°，平均 煤 厚1.0m， 密 度1.53t/m3， 瓦 斯 原 始 含 量18.7556m3/t。-325m 標(biāo)高布置有底板茅口灰?guī)r抽放巷和頂板矽質(zhì)灰?guī)r抽放巷。

2.2 壓裂試驗(yàn)方案與設(shè)計

擬對-325m7511 工作面實(shí)施穿層鉆孔水力壓裂增透預(yù)抽K2煤層瓦斯，根據(jù)其他區(qū)域考察報告，本次壓裂孔間距按照55～60m 網(wǎng)格布置，共布置10 個穿層水力壓裂鉆孔，如圖3 所示。

1）破裂壓力設(shè)計。煤儲層裂縫破裂壓力是指開啟煤儲層裂縫的最小壓力，破裂壓力的確定依據(jù)公式：

式中：pf為破裂壓力，MPa；γi為上覆巖石平均容重；hi為巖石厚度；p2為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa，取2MPa；p3為管道摩阻，MPa。

-325m7511 工作面埋深為700m，上覆巖石平均容重為26kN·m-3，管道摩阻一般不大于1.0MPa。由計算可知，K2煤層破裂壓力值為21.2MPa。

圖3 -325m7511 工作面壓裂鉆孔布置示意圖

2）壓入水量計算。在不考慮水力壓裂過程中濾失的條件下，根據(jù)水壓裂縫的空間形態(tài)，水壓裂縫擴(kuò)張延伸與所注水的體積存在對應(yīng)關(guān)系，可以通過壓裂注水量來控制水壓裂縫的擴(kuò)展長度。壓入水量的確定依據(jù)公式：

式中：v體為注水影響體體積，m3；k 為影響體孔隙率，%；a 為影響體長度，m；b 為影響體寬度，m；h2影響體高度，m。

本次鉆孔間距按照55-60m 布置，K2煤層孔隙率為3%，影響長度和寬度為120m（考慮影響到鄰孔），影響高度為1.0m，由計算可知，K2煤層單孔壓入水量為432m3。

2.3 壓裂鉆孔施工與封孔

1）壓裂孔施工情況。本次按照設(shè)計，共施工穿層壓裂鉆孔10 個，2015 年11 月24 日～12 月25 日施工完畢，合計進(jìn)尺545.6m。在鉆孔透煤過程中，1#、2#孔有噴孔現(xiàn)象，噴距1.5m 和0.8m。

2）封孔裝備及材料。壓裂鉆孔采用BFK-10/2.4煤礦用封孔機(jī)進(jìn)行機(jī)械堵孔，注漿比例為：BY12-1型高性能無收縮注漿料∶水為4∶1。封孔裝備及材料可以保證壓裂鉆孔的嚴(yán)密封堵，壓裂施工過程中沒有漏水現(xiàn)象。

3）預(yù)埋壓裂管。預(yù)埋在孔內(nèi)的壓裂管長度根據(jù)孔深確定，煤孔段預(yù)埋壓裂篩管，選用Φ51 mm×7.5 mm-75 MPa，長度1～2 m 無縫鋼管加工而成，篩眼四排，直徑Φ12 mm，眼距不大于10 cm；巖孔段預(yù)埋Φ51 mm×7.5 mm-75 MPa，長度1～2 m 孔內(nèi)壓裂管，其中鉆孔靠近孔口端采用Φ51 mm×7.5 mm-75 MPa/2.0 m 孔口壓裂管連接尾管，連接尾管外露孔口不大于0.5 m。

4）注漿管及封孔。本次的壓裂孔均為仰孔，∮6 cm PVC 返漿管隨孔內(nèi)壓裂管一同送入孔內(nèi)，返漿管前端孔口在篩管以下0.6 m 處。Φ6 cm PVC 注漿管在孔口內(nèi)以上2～3 m 處，孔口0.5～0.8 m 段用棉紗蘸上科力森填滿，凝固5～10 min。封孔時，必須待注漿料由返漿管流出，才能停止注漿。

2.4 水力壓裂施工

1）壓裂裝備選型。根據(jù)地層條件、破裂壓力和單孔壓入水量的計算，選用一臺寶雞航天動力泵業(yè)有限公司BYW80/450 型高壓水力壓裂泵組進(jìn)行壓裂，當(dāng)3 檔運(yùn)行時，壓力為38.0MPa，壓入流速為34m3/h，能夠滿足施工要求。

2）壓裂施工開始時間及順序。壓裂時間為2016年1 月26 日至3 月8 日，壓裂順序?yàn)?#→4#→6#→8#→10#→1#→3#→5#→7#→9#，主泵壓力22.0～33.0MPa，考慮管道摩阻，孔內(nèi)壓力21.0～32.0MPa。單孔壓裂時長為5.1～22.5 小時，鄰孔出水后停止壓裂，單孔累計壓入水量為350～517m3，平均400m3左右。

2.5 壓裂后增透效果考察

每個鉆孔壓裂結(jié)束后，遠(yuǎn)程操控打開孔口閘閥，使其排出水煤漿或清水。壓裂結(jié)束后3～4 天，及時接抽、保證抽采負(fù)壓，每個孔口設(shè)自動放水器和孔板流量計。按照殘余瓦斯含量必須低于8m3/t 的達(dá)標(biāo)評判要求，該治理區(qū)域需抽取529477m3（表1）。該區(qū)域從2016 年2 月20 日開始接抽，至2017 年7 月4 日，-325m7511 工作面抽采500 天，合計抽取瓦斯533844m3，達(dá)到達(dá)標(biāo)要求。

根據(jù)圖4 所示，單孔平均抽采濃度為72%、平均抽采純量為106.8m3/d。傳統(tǒng)工藝治理瓦斯的鉆孔平均每天每米抽采貢獻(xiàn)量約為0.04m3/m.d-1，該區(qū)域壓裂后鉆孔平均每天每米抽采貢獻(xiàn)量為1.96m3/m.d-1，是傳統(tǒng)工藝的49 倍，壓裂增透效果明顯。走向長度同樣的情況下，與1000 個左右的普通穿層預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采效果相當(dāng)，鉆孔工程量小大幅度降低。

抽采達(dá)標(biāo)后，該區(qū)域又布置了部分穿層抽采孔和本層抽采孔，但抽采濃度低、抽采量很小，忽略不計。該工作面僅在機(jī)巷掘進(jìn)時出現(xiàn)過一次防突指標(biāo)超標(biāo)，目前，已經(jīng)安全回采結(jié)束。

表1 原始瓦斯總量與達(dá)標(biāo)瓦斯量計算

圖4 -325m7511 水力壓裂孔抽采量和抽采濃度對比

3 結(jié)論與認(rèn)識

1）水力壓裂可在煤層中形成一組沿最大主應(yīng)力方向延伸、最小主應(yīng)力方向張開的徑向張性裂縫，使得煤層的透氣性明顯提高。

2）南桐煤礦K2 煤層破裂壓力為21.0～32.0MPa，結(jié)合礦井的瓦斯地質(zhì)條件和設(shè)備情況，選擇壓裂泵組3 檔運(yùn)行，壓力為38.0MPa，壓入流速為34m3/h，單孔平均壓入水量400m3左右，實(shí)現(xiàn)了本次壓裂目標(biāo)。

3）實(shí)踐表明，水力壓裂是瓦斯治理的有效手段，壓裂后鉆孔平均每天每米抽采貢獻(xiàn)量是壓裂前49倍，減少了預(yù)抽鉆孔工程量，降低了成本，提高了瓦斯抽采效果。