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(kāi)采以及待開(kāi)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(kāi)采煤層[3]。伴隨開(kāi)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(wèn)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]。
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(kāi)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(mén),采用以地面垂直鉆井的方式利用水力壓裂的技術(shù)開(kāi)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(mén)、煤炭部門(mén)、地質(zhì)類(lèi)等部門(mén)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(kāi)始全面實(shí)施煤層水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)[9]。
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(guò)煤層覆蓋層的巖層壓力)將大量的水(液體壓入的速度超過(guò)煤層的自然吸水速度)通過(guò)鉆孔壓入到目標(biāo)低滲透性含瓦斯煤層,當(dāng)超過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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
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(guò)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。
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(wú)固定規(guī)律,直接導(dǎo)致再次封堵。
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(guò)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(kāi)始擴(kuò)展,裂隙寬度也逐漸開(kāi)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。
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(guò)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(lèi),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。
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(guò)程形態(tài)。觀察圖3。水力壓裂過(guò)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(guò)程中變縫橢圓形態(tài)圖
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(guò)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(wú)解,所以通過(guò)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:
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(kāi)采的主采煤層,傾角在26°~29°范圍內(nèi),硬度較小。通過(guò)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(kāi)采困難較大。
乳化液泵是本次實(shí)驗(yàn)的主要核心設(shè)施,在用來(lái)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(kāi)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(lái),以此來(lái)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(guò)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(wú)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。
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(kāi)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(kāi)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。
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(guò)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(kāi)始注水操作,注水在五小時(shí)左右以后,開(kāi)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(guò)觀察分析,壓力逐漸增大在水壓致裂整個(gè)過(guò)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。
瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)為100%。打開(kāi)閘門(mén)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(guò)程中,瓦斯氣體的排放是由煤氣表來(lái)監(jiān)測(cè)的。通過(guò)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(guò)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
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(guò)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(wèn)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。