重復水力壓裂技術(shù)在深井低透氣性煤層中的應(yīng)用

李喜員，孫 朋，王玉杰，唐建平，呂偉偉

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.中國平煤神馬集團煤炭開采利用研究院瓦斯研究所，河南 平頂山 467000；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；4.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

瓦斯災(zāi)害是我國井下煤礦開采的主要災(zāi)害之一，采前預抽是解決瓦斯涌出超限的根本方法[1]。但我國的井下煤層滲透率普遍低于其他主要產(chǎn)煤國家，大多數(shù)煤層需要采取一定的增滲措施才能保證瓦斯抽采工作的進行，而水力壓裂技術(shù)因其增透范圍大、效果顯著而普遍應(yīng)用于各大井下煤礦[2-3]。滲透率是決定煤層瓦斯抽采效率的關(guān)鍵因素之一，隨著煤礦開采深度的不斷加大，煤層滲透率普遍降低，同時地應(yīng)力及瓦斯含量亦同時增大。目前對于深井水力壓裂存在的主要問題是當煤層停止進行壓裂時，由于井下應(yīng)力過大導致發(fā)生裂縫閉合現(xiàn)象，進而影響瓦斯的抽采效果，煤層裂縫的導流能力是瓦斯抽采難易程度的關(guān)鍵因素之一[4-6]。為了解決這一問題，在參考地面油氣井重復水力壓裂的基礎(chǔ)上，闡述了井下重復水力壓裂技術(shù)的原理。同時在十二礦己15-31040工作面煤層進行底抽巷重復水力壓裂試驗，考察重復水力壓裂后的應(yīng)用效果，為在相似條件下進行重復水力壓裂提供技術(shù)支持。

1 重復水力壓裂技術(shù)原理

利用高壓泵產(chǎn)生一定的壓力將液體注入到煤層中，在煤層內(nèi)部產(chǎn)生一定的張應(yīng)力，當張應(yīng)力達到煤層本身破裂所需要的力后，煤層開始在其最薄弱的地方損傷，縫隙開始延伸，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過改變煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使煤層的滲透率得以改善，進而提升瓦斯抽采效率[7-9]。

重復水力壓裂是指在一次壓裂完成之后，在同一個壓裂鉆孔以原先工藝進行二次或者二次以上的水力壓裂。一次壓裂時，一定量液態(tài)水在高壓泵的作用下形成高壓，通過高壓管注入到煤層之中，壓裂孔內(nèi)壓力迅速攀升，當注入的高壓液態(tài)水達到煤層起裂壓力時，在煤層形成縫隙[10-12]。當高壓水持續(xù)不斷注入時，高壓液態(tài)水將會沿著這些形成的裂縫向前延伸。隨著距離的延長，形成新裂縫的阻力也相應(yīng)地增大。當?shù)竭_一定程度時，壓裂影響范圍內(nèi)的水達到了飽和，水力壓裂增透范圍將限定在這一區(qū)域內(nèi)，將不會形成新的裂縫，繼續(xù)注入高壓水失去了意義。由于井下空間受限，一次壓裂高壓水相對較少，尤其對于千米深井，增透范圍較??；再次在形成新的裂縫，應(yīng)力得到了部分釋放，而且在不同位置形成縫隙的差異會導致裂縫釋放程度不同，容易造成壓裂縫隙再次閉合的現(xiàn)象。在一次壓裂完成之后，進行再次壓裂不僅可以延伸原先裂縫，而且促進新裂縫的形成，進而擴大水力壓裂增透范圍[13-14]。

根據(jù)最小應(yīng)力原理[15-16]，當煤層進行重復水力壓裂后，裂縫的延伸方式仍然取決于煤儲層的應(yīng)力狀態(tài)，第一次形成的壓裂裂縫、氣水兩相流體壓力的變化及煤儲層彈性應(yīng)力等都會變成新的誘導應(yīng)力，它們的綜合作用結(jié)果決定了煤層進行再一次水力壓裂后裂縫的伸展規(guī)律。因此，當在壓裂孔進行再一次水力壓裂時，壓裂孔附近可以改變裂縫方位，但是距壓裂孔一定距離后，裂縫仍然沿著原來的方向擴展[17]。

2 十二礦己15-31040工作面煤層重復水力壓裂試驗

2.1 十二礦地質(zhì)概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦(以下簡稱“十二礦”)始建于1958年，位于平頂山礦區(qū)東部，距市區(qū)7.5 km，行政區(qū)劃屬平頂山市東高皇鄉(xiāng)。礦井井田南北長約5 km，東西寬約3 km，井田面積15 km2。井田內(nèi)批準開采煤層為己組和庚組，主采的己15煤層、己16-17煤層透氣性低，抽采效果差，抽采達標時間長，造成礦井采掘接替緊張，嚴重制約了礦井的安全生產(chǎn)。己15-31040工作面位于礦井西翼三水平上部，東鄰北山工業(yè)廣場保護煤柱，南鄰己15-31020工作面，西鄰十礦和十二礦邊界線，北部為未開采區(qū)域。工作面標高在-678～-715 m之間，地面標高為290 m左右，垂深928～977 m。工作面傾斜長度為215 m，可采走向長度725 m，平均煤厚3.3 m，煤層平均傾角10°。根據(jù)測定結(jié)果得出己15煤層平均原始瓦斯含量在10 m3/t左右，平均原始瓦斯壓力在3 MPa左右，說明該區(qū)域煤層整體屬于高瓦斯區(qū)段[18]。

2.2 十二礦井下重復水力壓裂工藝流程及參數(shù)設(shè)計

井下重復水力壓裂的工藝流程如圖1所示。

圖1 重復水力壓裂工藝流程圖

對于特殊煤層，為了增強壓裂效果，可設(shè)計添加適當比例表面活性劑、阻燃劑，隨同壓裂液壓入壓裂孔。根據(jù)十二礦項目試驗條件，本次試驗不要求添加活性劑與阻燃劑。穿層水力壓裂注水量V計算見式(1)和式(2)。

V煤層=π(R-r)2Hφ

(1)

V=V煤層+KV管

(2)

式中：R為預計壓裂半徑，此次取30 m；r為孔眼半徑，m；H為煤層厚度，m；φ為孔隙度，%。

經(jīng)初步計算得到十二礦煤層首次單孔總注水量為80～100 m3，現(xiàn)場壓裂時根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時調(diào)整注水量。

在壓裂中壓裂泵的泵注壓力Pw計算見式(3)。

Pw=Pk-PH+Pr+Pf

(3)

式中：Pw為泵注壓力，MPa；Pk為煤層起裂壓力，MPa；PH為高程損失壓力，MPa；Pr為局部壓力損失，MPa；Pf為沿程壓力損失，MPa。

根據(jù)式(3)計算得到十二礦水力壓裂煤層起裂壓力為20～25 MPa，泵注壓力為25～30 MPa。

2.3 壓裂鉆孔布置

分別在己15-31040進風巷低位瓦斯治理巷內(nèi)共布置2個壓裂鉆孔，鉆孔間距100 m，設(shè)計孔深22 m，鉆孔傾角為31°，1#壓裂鉆孔施工完成后，檢驗鉆孔是否按照設(shè)計參數(shù)施工，驗孔完成后采用多次注漿封孔工藝進行壓裂孔封孔，封孔完成后待水泥漿凝固48 h后方可進行高壓水力壓裂試驗。根據(jù)試驗區(qū)域的地質(zhì)條件本次壓裂采用少量多次的注水方式，2#壓裂鉆孔采取一次壓裂方式，鉆孔工程量140 m，其中，巖孔116 m，煤孔24 m，設(shè)計孔徑94 mm，封孔長度不小于15.4 m，為保證壓裂安全要求對巖孔段進行全程封孔，為更好地記錄壓裂過程并考察壓裂效果，各孔布置如圖2所示。該區(qū)域水力壓裂后進行己15煤層及鄰近己16-17煤層水力壓裂效果考察，1#壓裂鉆孔沿煤層走向方向孔間距為5 m設(shè)計了1-1～1-8共8個考察鉆孔，為了防止兩個壓裂孔之間相互影響，1#壓裂鉆孔與2#壓裂鉆孔設(shè)置于邊緣位置，2#壓裂鉆孔同樣沿煤層走向方向孔間距為5 m設(shè)計了2-1～2-8共8個考察鉆孔，分別測定壓裂前和壓后瓦斯含量和范圍內(nèi)的含水率。各壓裂孔情況見表1。

泵組組裝且調(diào)試完成后，連接長×寬×高(3 m×2 m×1.7 m)水箱、1級水流量計、Φ51 mm高壓管路、60 MPa壓力表等設(shè)備，連接示意圖見圖3。

圖2 壓裂鉆孔平面布置圖

表1 各壓裂鉆孔布置情況表

圖3 設(shè)備及管路連接示意圖

2.4 水力壓裂過程

1#壓裂鉆孔注水壓力為25～30 MPa，按照常規(guī)的壓裂方式進行。己15-31040工作面并未出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸?，而且頂板亦無出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，整個壓裂過程保持3 h。2#壓裂鉆孔注水量為80 m3，而1#壓裂鉆孔采用總注水量相同，分3次壓裂的工藝進行，首次注水量為30 m3，第二次注水量為30 m3，第三次注水量為20 m3，累計注水量亦為80 m3，每次壓裂持續(xù)時間均為1 h，注水壓力25～30 MPa。詳細的施工參數(shù)見表2。

表2 己15-31040工作面煤層重復水力壓裂施工參數(shù)

圖4 重復壓裂保壓壓力隨時間變化曲線圖

通過統(tǒng)計分析一次壓裂、二次壓裂、三次壓裂1 h 后保壓的壓力變化情況得出：三次壓裂后保壓壓力均隨保壓時間呈前20 min迅速降低而后緩慢降低隨后逐漸趨于平緩，并且后期保壓壓力均有反彈現(xiàn)象；隨著壓裂次數(shù)的增加從初始到穩(wěn)定后的保壓壓力逐步升高。這是因為壓裂結(jié)束后在壓裂水逐漸向煤體中滲透擴展過程中，為克服裂隙壁阻力、液體粘滯力、部分瓦斯壓力和地應(yīng)力導致部分壓損，保壓壓力整體呈逐漸下降的趨勢；隨著壓裂次數(shù)的增加壓裂有效影響范圍也隨之增加，在壓損增加的前提下為保證壓裂水沿煤體中足夠的滲透擴展，保壓壓力隨著壓裂次數(shù)的增加整體呈增加的趨勢。

根據(jù)石油行業(yè)重復壓裂的復壓理論：復壓的最佳時間應(yīng)該是初次縫很長，復壓縫進入地區(qū)的孔隙壓力仍然很高的時期。結(jié)合重復壓裂后保壓的壓力變化情況，復壓的最佳時間定為70 min以后，一方面由于保壓壓力在70 min后逐漸趨于穩(wěn)定，另一方面是由于保壓壓力在70 min后仍具有較高的壓力，此時可保持復壓縫擴展地區(qū)的孔隙壓力仍然較高。最佳的復壓時間可保證在沿初次縫基礎(chǔ)上復壓縫起裂-擴展-延伸，有利于初次縫與復壓縫的貫通，可有效保證在壓裂有效影響范圍內(nèi)微縫網(wǎng)的形成進而達到增透煤層的效果。

3 己15-31040工作面水力壓裂效果考察

結(jié)合十二礦試驗區(qū)域己15-31040工作面及鄰近己16-17煤層瓦斯基本參數(shù)測定，在一次壓裂和重復全部壓裂結(jié)束并保壓2 h后測試己15煤層、己16-17煤層的瓦斯含量、含水率及瓦斯流量，測定數(shù)據(jù)分布情況見圖5～圖9。以1#壓裂鉆孔為中心，沿煤層走向、傾向兩個方向?qū)毫押笤囼瀰^(qū)域瓦斯含量、含水率的變化情況進行如下分析。

水力壓裂的效果可以用瓦斯含量來進行表征。使用DGC型瓦斯測定儀直接測定井下瓦斯含量，經(jīng)過測定，己15-31040工作面瓦斯含量為5.41～12.86 m3/t，平均為8.60 m3/t，壓裂后共施工18個考察鉆孔現(xiàn)場取樣測定了瓦斯含量，如圖5所示。 沿煤層走向距1#壓裂鉆孔45 m范圍內(nèi)共9個鉆孔(包含1#壓裂鉆孔)，測得瓦斯含量為2.88～7.36 m3/t，較原始平均降低4 m3/t左右，2#壓裂鉆孔區(qū)域煤層原始瓦斯含量為9.63～13.84 m3/t，平均為10.70 m3/t，如圖5所示。沿煤層走向距2#壓裂鉆孔45 m范圍內(nèi)的9個鉆孔(包含2#壓裂鉆孔)，測得瓦斯含量為5.57～9.92 m3/t，較原始平均降低2 m3/t左右，1#壓裂鉆孔、2#壓裂鉆孔、考察鉆孔的壓裂后的含水率如圖8所示。對比兩種不同的壓裂工藝，在總注水量相同的情況下，在深部煤層中重復水力壓裂的壓裂效果較好。

與原始區(qū)域相比，壓裂后抽采鉆孔瓦斯含量下降明顯，同時在總注水量一樣的前提下，1#壓裂鉆孔經(jīng)過多次重復壓裂施工工藝后，有效地防止了深部煤層因為應(yīng)力過大而出現(xiàn)裂隙閉合的情況，并且進一步溝通了煤層裂隙，瓦斯含量的下降量明顯多于單次壓裂工藝的2#壓裂鉆孔，壓裂驅(qū)替瓦斯效果明顯，各孔含水率總體上1#壓裂鉆孔多于2#壓裂鉆孔，且1#壓裂鉆孔的瓦斯流量大于2#壓裂鉆孔，說明在該深井中，重復壓裂的施工工藝明顯優(yōu)于單次壓裂施工。

圖5 1#壓裂鉆孔己15煤層壓裂前后瓦斯含量變化對比圖

圖6 2#壓裂鉆孔己15煤層壓裂前后 瓦斯含量變化對比圖

圖7 1#壓裂鉆孔與2#壓裂鉆孔壓裂之后區(qū)域瓦斯含量降低對比圖

圖8 己15煤層壓裂前后含水率變化對比曲線

圖9 1#壓裂鉆孔與2#壓裂鉆孔壓裂之后瓦斯流量對比圖

4 結(jié) 論

1) 通過理論分析及十二礦己15-31040工作面重復水力壓裂現(xiàn)場試驗，得出了“少注水，多次壓裂”技術(shù)的可行性，并在現(xiàn)場應(yīng)用過程中取得了較好的效果，由此可見，重復水力壓裂作為一種新型水力壓裂工藝，具有一定研究和應(yīng)用價值。

2) 在現(xiàn)場實施的重復水力壓裂試驗表明，在同等條件下，與原始區(qū)域及一次壓裂相比，煤層經(jīng)過多次壓裂之后瓦斯含量下降較為明顯，而且不增加注水量及成本的情況下，重復壓裂后煤層瓦斯含量降低幅度高于單次壓裂，值得在深部較難進行瓦斯抽采的煤層進行推廣使用。

3) 就目前而言，重復水力壓裂技術(shù)還未形成一套完善的技術(shù)評價體系。在現(xiàn)有井下水力壓裂的基礎(chǔ)上，可結(jié)合煤層區(qū)域瓦斯含量、地質(zhì)狀況等，研究煤層實施重復水力壓裂技術(shù)的可行性。