水力壓裂消突技術(shù)在低透氣性煤層瓦斯治理的應(yīng)用

鄧 強(qiáng)

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順110016；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

安全生產(chǎn)是中國(guó)煤炭行業(yè)的“生命線”，瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中的重大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著工人的生命安全[1]。因此，瓦斯治理仍然是煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重，特別是高瓦斯、低透氣性的突出煤層，瓦斯治理難度非常大，一直都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[2-4]。而水力壓裂技術(shù)作為治理低透氣性煤層瓦斯突出的有效手段，得到了越來越多的推廣應(yīng)用[5]。在常規(guī)水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展了多種新型壓裂技術(shù)和方法，如變排量壓裂、復(fù)合壓裂、重復(fù)壓裂等技術(shù)[6-7]。但是在眾多壓裂技術(shù)中對(duì)于壓裂效果的考察還是存在著一些不足，大多數(shù)試驗(yàn)研究是以瓦斯含量和壓力來確定壓裂效果影響范圍。為此，用瓦斯含量及煤層含水率壓裂前后變化雙重指標(biāo)作為壓裂效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)壓裂區(qū)域的確定更加精確[8-9]；選取文家壩礦作為示范礦井，利用水力壓裂增透消突技術(shù)，針對(duì)6#低透氣性煤層瓦斯治理難題開展了試驗(yàn)研究。

1 工作面概況

605 回采工作面回采前采取了在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷施工順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，鉆孔間距約3 m。由于瓦斯抽采效果差，難以有效解決605 工作面瓦斯治理問題，礦井在605 工作面回采過程中為防止瓦斯超限還在切眼補(bǔ)充施工了順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯措施，由于煤層松軟，鉆孔預(yù)抽效果相對(duì)較差，瓦斯抽采流量和抽采濃度相對(duì)偏低，制約了礦井的生產(chǎn)。因此，尋求1 種快速卸壓增透的措施是實(shí)現(xiàn)安全高效回采的迫切需求[10-11]。

2 瓦斯治理技術(shù)難點(diǎn)

1）煤質(zhì)松軟，容易塌孔，影響抽采效果。6#煤層煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.34，煤的最高破壞類型為Ⅲ類，施工鉆孔后，容易塌孔，影響抽采效果。

2）煤層透氣性差，抽采半徑小。6#煤層為難抽采煤層，透氣性低，在未開采保護(hù)層條件下，難以抽采。

3）煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大，突出危險(xiǎn)性高。根據(jù)瓦斯參數(shù)測(cè)定情況，6#煤層最大瓦斯壓力p=1.15 MPa，最大瓦斯含量14.454 2 m3/t。

3 試驗(yàn)方案及工藝

3.1 試驗(yàn)壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)情況和項(xiàng)目的研究需求布置水力壓裂試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度為30 m，開孔位置在煤層中部，水力壓裂鉆孔10 個(gè)，常規(guī)對(duì)比鉆孔10 個(gè)。

水力壓裂鉆孔布置如圖1，從左到右分別為1#～10#孔，控制巷道前方80 m，壓裂鉆孔終孔間距為3 m；壓裂從鉆孔孔底開始由里往外壓裂，每3 根鉆桿割1 刀，孔口留20 m 保護(hù)煤柱，每個(gè)鉆孔共割27～28 刀。

圖1 試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置示意圖Fig.1 Borehole layout diagram

壓裂鉆孔孔徑94 mm，鉆孔長(zhǎng)度80 m，封孔長(zhǎng)度為8 m 以上；常規(guī)對(duì)比鉆孔孔徑94 mm，鉆孔長(zhǎng)度80 m，封孔長(zhǎng)度為8 m 以上。

3.2 水力壓裂裝備及水力壓裂工藝流程

水力壓裂增透裝備由高壓水力泵站、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、螺旋助排渣高壓水射流鉆桿、三維旋轉(zhuǎn)水射流噴頭和噴嘴、高壓膠管、液控調(diào)壓裝置等輔助設(shè)施組成，其高壓水射流產(chǎn)生部件實(shí)物如圖2。

圖2 水力壓裂技術(shù)裝備Fig.2 Technical equipment diagram

水力壓裂裝備連接布置圖如圖3。在605 工作面運(yùn)輸巷（距離切眼120 m 處）按設(shè)計(jì)參數(shù)施工順層鉆孔，試驗(yàn)鉆孔用φ94 mm 的鉆頭鉆進(jìn)至預(yù)定孔深后，退出鉆桿，換上高壓水力壓裂系統(tǒng)，依次連接水力壓裂噴頭、水射流專用高壓密封鉆桿（高壓水射流專用旋轉(zhuǎn)接頭、高壓膠管、高壓水射流專用控壓裝置、高壓水泵，形成高壓水力壓裂系統(tǒng)后，加鉆桿將鉆頭送至預(yù)定孔深位置，然后開始向外退鉆壓裂，再外退鉆桿進(jìn)行下一段壓裂[12]。

圖3 水力壓裂裝備連接布置圖Fig.3 Equipment connection diagram

3.3 水力壓裂裝備選型

水力壓裂時(shí)壓水泵輸出壓力對(duì)于受壓煤體的裂隙發(fā)育效果影響非常大，因此確定高壓水泵的壓力及流量成為水力壓裂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，如果注水壓力不夠，流量太小，高壓水流在經(jīng)過煤體是，需克服煤體的阻力，能量散失，不足以使其裂隙發(fā)育完全[13-14]。反之如果注水壓力太大，煤體太破碎，達(dá)不到裂隙延伸的效果，而且還有誘發(fā)突出的可能。起裂壓力必須達(dá)到要克服地應(yīng)力以及煤體的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的拉力，起裂壓力F 公式計(jì)算如下[15]：

F＝min｛V（3－μ）η＋St，V（3μ－1）η＋St｝

式中：V 為地應(yīng)力系數(shù)，V＝σv/η；σv為實(shí)際垂向最小地應(yīng)力，MPa；μ 為側(cè)應(yīng)力系數(shù)，μ 取1.7；St為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa；η 為垂向應(yīng)力，kPa，η＝ρgH；ρ 為上覆巖層平均密度，t/m3；H 為煤層埋深，m。

經(jīng)計(jì)算起裂壓力為22.73 MPa。高壓水泵選額定壓力35 MPa、額定流量400 L/min 的BRW400/40型礦用乳化液泵。

4 瓦斯抽采效果考察

4.1 瓦斯抽采濃度及流量變化規(guī)律

煤層經(jīng)過水力壓裂后，由于煤體發(fā)生膨脹變形，影響范圍逐漸擴(kuò)大，孔隙率增加，透氣性增大，導(dǎo)致較遠(yuǎn)處的瓦斯也源源不斷地涌向孔道[16-17]。而游離瓦斯首先被抽采，在抽采鉆孔處形成降壓區(qū)，原始吸附的瓦斯在壓力的驅(qū)動(dòng)下源源不斷的轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，使得煤層透氣性增加[18]。

等壓裂試驗(yàn)完成后，清洗鉆孔并對(duì)鉆孔放水4 d，在壓裂區(qū)域同時(shí)施工抽采鉆孔，封孔后接入抽采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)抽采，同時(shí)在壓力試驗(yàn)前后測(cè)定煤層瓦斯含量以及含水率。

增透前后單孔瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼淖罡邌慰淄咚節(jié)舛?5%增大到了增透后的78%，單孔瓦斯?jié)舛仍黾恿?.12 倍，壓裂鉆孔與常規(guī)鉆孔抽采濃度圖如圖4，壓裂鉆孔與常規(guī)鉆孔抽放效果如圖5。

圖4 壓裂鉆孔與常規(guī)鉆孔抽采濃度圖Fig.4 Extraction concentration map for fracturing and conventional drilling

4.2 殘余瓦斯含量測(cè)試

相同抽采條件下的殘余瓦斯含量可以表明采用高壓水力壓裂技術(shù)后，對(duì)鉆孔瓦斯抽采效果的影響及達(dá)到相同抽采目的所用時(shí)間的長(zhǎng)短[19-20]。

分別測(cè)量抽采后對(duì)比孔與試驗(yàn)孔范圍內(nèi)的殘余瓦斯含量，根據(jù)殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果推算鉆孔瓦斯抽采半徑[21]，壓裂前后瓦斯含量記錄表見表1。

圖5 壓裂鉆孔與常規(guī)鉆孔抽放效果圖Fig.5 Drawing effect of fracturing drilling and conventional drilling

表1 壓裂前后瓦斯含量記錄表Table 1 Gas content record table before and after fracturing

4.3 煤層含水率測(cè)試

壓裂前后煤層含水率記錄見表2。

表2 壓裂前后煤層含水率記錄表Table 2 Record table of water content of coal seam before and after fracturing

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在壓裂區(qū)域抽采時(shí)間一定的前提下隨著抽采孔與壓裂區(qū)的距離不斷增大，煤層瓦斯含量逐漸增大，說明壓裂區(qū)域裂隙延伸已經(jīng)達(dá)到極限，也就是增透半徑達(dá)到最大值。當(dāng)距離壓裂孔20 m 處時(shí)，煤層瓦斯含量接近未壓裂區(qū)的抽采后的瓦斯含量值，說明壓裂試驗(yàn)影響范圍接近20 m。再綜合煤層含水率的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離壓裂孔20 m 時(shí)壓裂區(qū)煤體的含水率接近原始含水率，水無法通過新增裂隙潤(rùn)濕煤體，在煤體中無法實(shí)現(xiàn)水對(duì)瓦斯的驅(qū)替作用，說明增透范圍水力壓裂卸壓增透影響半徑為20 m。

5 結(jié) 語

1）經(jīng)過水力壓裂實(shí)驗(yàn)后，壓裂孔之間形成裂隙發(fā)育區(qū)，由于煤質(zhì)松軟，容易形成塌孔，影響壓裂區(qū)抽采效果，應(yīng)在鉆孔內(nèi)有加固措施。

2）壓裂區(qū)域與常規(guī)抽采相比，單孔抽采濃度提高近3.12 倍，抽采率提高了40%～50%,大大縮短了抽采天數(shù)。

3）根據(jù)壓裂區(qū)和未壓裂區(qū)煤層瓦斯含量以及煤層含水率的測(cè)定結(jié)果對(duì)比可知，水力壓裂卸壓增透影響半徑為20 m。