低滲透性煤層水力壓裂增透機(jī)理研究

趙 星

（中煤平朔集團(tuán)有限公司井工三礦 機(jī)電管理部，山西 朔州 036000）

煤層透氣性的強(qiáng)弱以及巖石層的裂縫決定了瓦斯抽采的效率[1-2]，瓦斯含量比較高是我國(guó)大多數(shù)煤層的特點(diǎn)，并且滲透性較差是我國(guó)煤層的普遍現(xiàn)狀。滲透率低于1.0×10-3μm2的煤層占比達(dá)到了75%以上。90%的開采以及待開采煤層在高瓦斯礦以及突出礦井中屬于地質(zhì)條件較差開采煤層[3]。伴隨開采深度的不斷加深，地應(yīng)力也隨之變大，煤層滲透率也受其影響不斷變小，這就直接導(dǎo)致煤層中瓦斯抽采工作更趨困難[4-5]。水力壓裂是解決瓦斯區(qū)域治理以及高瓦斯突出煤層增透問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，水力壓裂對(duì)于增透效果范圍較廣，因而被廣泛認(rèn)可和利用[6-7]。

1.我國(guó)煤層水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用發(fā)展概況

石油生產(chǎn)行業(yè)是最先使用水力壓裂技術(shù)的領(lǐng)域，該技術(shù)主要用于提高石油產(chǎn)量以及石油附帶氣井的生產(chǎn)水平，之后水力壓裂逐漸在煤炭生產(chǎn)行業(yè)中得到應(yīng)用推廣。1947年美國(guó)堪薩斯州氣田井成功進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)，從此開始了水力壓裂技術(shù)研究的序幕[8]。國(guó)內(nèi)上個(gè)世紀(jì)60年代，第一次將此技術(shù)應(yīng)用于煤層實(shí)際瓦斯抽采治理中，煤炭科學(xué)研究院撫順研究所以地面鉆井技術(shù)為基礎(chǔ)背景進(jìn)行了壓裂試驗(yàn)，為該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。上世紀(jì)七十年代，在我國(guó)東北地區(qū)、河南中部地區(qū)、湖南地區(qū)、已經(jīng)山西內(nèi)蒙古地區(qū)的煤炭科研機(jī)構(gòu)以及當(dāng)?shù)孛旱V主管部門，采用以地面垂直鉆井的方式利用水力壓裂的技術(shù)開采煤層中賦存的瓦斯，成果顯著，但是受當(dāng)時(shí)受各方面條件的局限未能推廣。上世紀(jì)90年代初期，我國(guó)石油部門、煤炭部門、地質(zhì)類等部門聯(lián)合在全國(guó)十余處煤田進(jìn)行了水力壓裂增透相關(guān)技術(shù)的瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)。到90年代末期，我國(guó)已在內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)、沁水等9個(gè)煤層瓦斯賦存較好的盆地，逐漸開始全面實(shí)施煤層水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)[9]。

2.低滲透性煤層水力壓裂增透機(jī)制及設(shè)備

煤層的透氣性系數(shù)普遍較低在我們國(guó)家一直都是煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域的難題，一般的透氣性集中在0.1×10-6～1.2×10-6μm2這個(gè)范圍內(nèi)。滲透率較高能達(dá)到0.1×10-3～1.8×10-3μm2的個(gè)別礦區(qū)或煤層也不甚理想。我國(guó)地面利用煤層氣難度大以及抽采率低就是由此因素導(dǎo)致[10-12]。

煤是一種多孔介質(zhì)，水作為水力壓裂增透技術(shù)的介質(zhì)，在較為短的時(shí)間里利用高壓（超過煤層覆蓋層的巖層壓力）將大量的水（液體壓入的速度超過煤層的自然吸水速度）通過鉆孔壓入到目標(biāo)低滲透性含瓦斯煤層，當(dāng)超過煤層上方的巖石壓力時(shí)，迫使煤體原生裂隙弱面產(chǎn)生一系列變化和反應(yīng)，導(dǎo)致裂縫逐漸打開和延伸，以此逐漸使得裂隙形成通透的貫通網(wǎng)絡(luò)，促使煤層的裂隙增大。同時(shí)也增加了煤層瓦斯的運(yùn)移通道，壓開的裂隙為煤層瓦斯的流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件，其整個(gè)過程可描述為“壓裂-充水浸潤(rùn)擴(kuò)張-再壓裂-再充水浸潤(rùn)擴(kuò)張”[13]。流量計(jì)、供水管路、壓裂泵以及泄壓閥是構(gòu)成水力壓裂增透技術(shù)的核心組成部分（如圖1所示）。

圖1 水力壓裂設(shè)備圖

3.水力壓裂增透技術(shù)原理概述

3.1 裂縫起裂原理

對(duì)低滲透性含瓦斯煤層實(shí)施鉆孔是水力壓裂技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用的首要任務(wù)。將高壓流體通過鉆孔壓入到滲透性較差的目標(biāo)煤層。在具體的操作流程中，當(dāng)?shù)蜐B透性含瓦斯目標(biāo)煤層的吸水速度小于液體的壓入速度，導(dǎo)致流動(dòng)性增大，伴隨高壓液體的不斷注入，勢(shì)必導(dǎo)致液體壓力的同步增大。與此同時(shí)當(dāng)煤層巖壓小于液體壓力時(shí)，含瓦斯目標(biāo)煤層裂隙的擠壓效果逐漸增大，以此起到提高含瓦斯目標(biāo)煤層流通性的目的。裂隙的寬度以及裂隙的深度逐漸增加，煤層滲透性也保持同樣的趨勢(shì)相應(yīng)增加，為煤層的瓦斯流動(dòng)提供通道并創(chuàng)造條件，有助于瓦斯抽采。

3.2 裂縫延伸原理

利用注水泵等設(shè)備對(duì)弱面進(jìn)行不斷注水的施加作用下產(chǎn)生的氣壓差，產(chǎn)生的壓力命名為注水壓力。在低滲透性含瓦斯煤中的孔隙潤(rùn)濕作用和毛細(xì)作用下會(huì)損耗些許注水壓力，損耗的部分壓力命名為濾失壓力。當(dāng)濾失壓力小于注水壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致形成水流和煤粒形成混合物質(zhì)充斥在煤層裂隙系統(tǒng)之中。積聚的量大之后形成封堵帶。與此同時(shí)，壓力上升趨勢(shì)在一級(jí)弱裂面非常明顯，煤層裂隙的擴(kuò)大直接削弱了封堵能力。從而使得煤粒擴(kuò)散無固定規(guī)律，直接導(dǎo)致再次封堵。

3.3 壓裂增透原理

低滲透性含瓦斯目標(biāo)煤層注入高壓液體之后，先后經(jīng)過一級(jí)弱面和二級(jí)裂隙弱面以及原生微裂隙。裂隙煤層弱面在產(chǎn)生的壓力作用下開始擴(kuò)展，裂隙寬度也逐漸開始變寬同時(shí)相互貫通形成網(wǎng)絡(luò)。在形成網(wǎng)絡(luò)后從而導(dǎo)致煤層低滲透性含瓦斯煤滲透率能夠有效改善與提升。

4.裂縫擴(kuò)展分析

4.1 裂縫擴(kuò)展方向分析

假設(shè)巖體的材質(zhì)為均質(zhì)且各向同性，破裂裂隙與最小主應(yīng)力軸成90°，當(dāng)應(yīng)力大小已知時(shí)，裂隙的發(fā)育形態(tài)形成，圖2所示即為水力壓裂實(shí)施過程中裂隙的擴(kuò)展發(fā)育情況。

圖2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展方向示意圖

地應(yīng)力中水平主應(yīng)力值以及豎直主應(yīng)力值的大小決定了水力壓裂后在煤層中出現(xiàn)裂縫的種類，當(dāng)σz＞σH(水平應(yīng)力)時(shí)，則會(huì)形成豎直裂縫。而兩個(gè)水平力σx、σy的值決定了此豎直裂縫的方位，裂縫垂直于平行于σx、最小主應(yīng)力σy的方位當(dāng)σy＜σx的時(shí)候；裂縫垂直于最小主應(yīng)力σx、平行于σy的方位當(dāng)σy＞σx的時(shí)；而當(dāng)σz＜σH時(shí)，則產(chǎn)生水平裂縫，較為特殊。

4.2 裂縫擴(kuò)展形態(tài)分析

地層應(yīng)力和巖石性質(zhì)等客觀條件決定了水力壓裂作用下裂縫的空間幾何形態(tài)。裂縫的發(fā)育形態(tài)在某種程度上也會(huì)受水力壓裂的參數(shù)改變情況而影響。沿著裂隙的頂端，壓裂點(diǎn)逐漸減弱的橢圓形態(tài)是水力壓裂的過程形態(tài)。觀察圖3。水力壓裂過程中的裂隙，在上下的圍巖附近沿著z方向的范圍不斷擴(kuò)大，破裂強(qiáng)度中，壓裂煤層明顯小于煤層頂?shù)装濉?/p>

圖3 壓裂過程中變縫橢圓形態(tài)圖

5.壓裂半徑計(jì)算

應(yīng)力作用下，由水力壓裂的變化形態(tài)結(jié)合彈性力學(xué)中斷裂裂隙以及裂紋在平面的位移場(chǎng)變化關(guān)系得出[14]：

公式中：σ代表裂縫內(nèi)高壓液體的壓力；E為煤層煤巖彈性模量；裂縫的長(zhǎng)度則是a。

裂縫尺寸參照之前建立的尺寸標(biāo)準(zhǔn)（如圖2），裂縫的形成機(jī)制可以視為多條裂紋的耦合，裂紋且是連續(xù)的、貫通的。

代入公式一，得出裂縫中縫寬方程的表達(dá)式：

通過體積守恒定律得出：

式中：注入液體的總流量由Q表示，單位為m3/s，t為時(shí)間，單位為s，Z單位方向的裂縫縫高用H表示，單位是m。

考慮模型具體情況，從變量分析角度將會(huì)面臨無解，所以通過相等的縫高化簡(jiǎn)公式得出：

將σ(x)用平均值σ代替，整理后可得裂縫半徑L為：

6.現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

選擇我國(guó)中部地區(qū)的某突出型煤礦礦井作為本次實(shí)驗(yàn)的背景煤礦，煤層厚度平均為3.4 m左右，K2煤層選作為開采的主采煤層，傾角在26°～29°范圍內(nèi)，硬度較小。通過理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)勘探得出，煤層瓦斯含量25.7 m3/t，瓦斯壓力為3.5 MPa，500 m～627 m的范圍是該煤層的主要埋深范圍，煤層透氣性系數(shù)（0.901～1.600）×10-2m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1953～0.5637 d-1，煤層透氣性較差，實(shí)際開采困難較大。

6.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

乳化液泵是本次實(shí)驗(yàn)的主要核心設(shè)施，在用來證明水力壓裂技術(shù)的效果分析中十分關(guān)鍵，為了對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行有效控制，還需要在壓裂泵上安裝水表、壓力表等裝置。

同時(shí)使用直感耐震壓力表觀測(cè)注水壓力變化情況，60 MPa為試驗(yàn)壓力表的量程。整個(gè)水力壓裂增透系統(tǒng)由管路、監(jiān)控系統(tǒng)以及壓力表組成。MMP特指煤分子結(jié)構(gòu)中的大分子相，壓開的裂縫和裂隙中加入表面活性劑液，利用表面活性劑以及目標(biāo)分子之間的作用相互影響，一方面，煤孔隙中吸附儲(chǔ)存的瓦斯被有機(jī)溶劑驅(qū)替置換出來，以此來溶解煤分子結(jié)構(gòu)中的小分子，其大多賦存于裂隙以及微孔、煤基質(zhì)中，通過這樣的方式從而增大孔隙度。煤的比表面積降低，煤吸附CH4的能力同時(shí)也降低了；另一方面，裂縫中填充了非均質(zhì)無機(jī)礦物質(zhì)以及石英砂支撐劑，以此提高煤層的滲透率。流量計(jì)、供水管路、壓裂泵、泄壓閥是構(gòu)成水力壓裂增透技術(shù)的主要設(shè)備。

6.2 壓裂鉆孔布置及施工

煤層煤點(diǎn)的埋深設(shè)置在450～460 m，距離底板瓦斯抽采巷四十米的位置進(jìn)行實(shí)施鉆孔的工作，鉆孔的相關(guān)參數(shù)中鉆孔直徑φ89 mm，施鉆角度為125°，鉆孔的間距為25 m。整體試驗(yàn)長(zhǎng)度設(shè)置為42.5 m。煤層水力壓裂增透的特點(diǎn)。本次試驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)是從煤層水力壓裂增透的特點(diǎn)出發(fā)，且在具體實(shí)施中要遵循原則四點(diǎn)如下：①鉆孔的布置不易與斷層陷落柱等構(gòu)造太近，②目標(biāo)區(qū)域首選為待抽采、待開采的區(qū)域，且范圍不能影響到壓裂的半徑，③煤層厚度穩(wěn)定時(shí)布置的一項(xiàng)重要考慮指標(biāo)，④避開含水煤巖層以防透水事故，⑤選擇中硬巖層作為鉆孔所經(jīng)巖層。

6.3 壓裂鉆孔封孔及注水

對(duì)本次水力壓裂的鉆孔及試驗(yàn)測(cè)試孔進(jìn)行封閉管理。使用水力漿帶壓封孔對(duì)目標(biāo)鉆孔進(jìn)行深度為13 m的封孔工作，本次封堵采用“兩堵一注”的封孔方式。在具體的施工過程中，優(yōu)先封孔孔口段位置，封孔長(zhǎng)度控制在一米左右，時(shí)間持續(xù)要達(dá)到一天，鉆孔中注入水泥漿，并且在鉆孔位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯的流量和。之后，對(duì)待測(cè)試的鉆孔開始注水操作，注水在五小時(shí)左右以后，開始發(fā)現(xiàn)有水滴的位置距離觀測(cè)孔大約五十米，持續(xù)觀察，隨著注水量持續(xù)加大，水位的不斷提升，滴水量也同步加大。本次測(cè)試中，注水時(shí)間為5 h，注水量約為55 m3，注水壓力為18 MPa。綜合考慮供水量等因素，注水中途水壓出現(xiàn)減緩的趨勢(shì)，多次發(fā)生注水停止的現(xiàn)象，通過觀察分析，壓力逐漸增大在水壓致裂整個(gè)過程中現(xiàn)象明顯，伴隨壓裂持續(xù)的推進(jìn)，壓力速度增長(zhǎng)率變低。持續(xù)注水觀察，注水壓力維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，停止注水后壓力減小。

反復(fù)多次試驗(yàn)之后，水壓逐漸增大。觀察發(fā)現(xiàn)水壓不再增加當(dāng)注水壓力達(dá)到17 MPa以后，煤層的致裂壓力估算值約為15.6 MPa，因?yàn)閷?shí)際操作有誤差的影響，所以注水壓力的實(shí)際值比預(yù)估值偏大。

6.4 水力壓裂效果分析

瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)為100%。打開閘門以防進(jìn)水，防水時(shí)間為9 h，整體壓裂試驗(yàn)后，待排水結(jié)束，使用煤氣表計(jì)算鉆孔氣體流量，觀察流量變化。等待瓦斯氣體自然排放。在這個(gè)過程中，瓦斯氣體的排放是由煤氣表來監(jiān)測(cè)的。通過整體試驗(yàn)觀察分析，0.06 m3/min為瓦斯流量的峰值，平均速度為0.04 m3/min，累計(jì)排放瓦斯總量為890 m3。通過圖4，可清楚的觀察出瓦斯氣體流動(dòng)隨整體排放時(shí)間的變化情況。

圖4 鉆孔瓦斯排放流量隨時(shí)間的變化的折線圖

7.結(jié)語(yǔ)

水力壓裂技術(shù)的技術(shù)概括就是以提高煤層透氣性、降低工作面瓦斯含量作為出發(fā)點(diǎn)，通過擴(kuò)大煤層間隙，以此釋放瓦斯壓力從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。水力壓裂技術(shù)既能有效提高瓦斯抽放量，又能促進(jìn)掘進(jìn)效率的提高。但目前水力壓裂主要的問題是裂縫擴(kuò)展不可控，并且裂隙分布不均勻，在裂縫的耦合發(fā)展機(jī)理方面尚未完全揭示，需更加深入探討。