低透煤層井下重復(fù)水力壓裂后含水率與瓦斯含量變化規(guī)律研究

孫 朋

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國(guó)礦井開(kāi)采深度的不斷增加，大多數(shù)礦井煤層面臨的低透氣性、高瓦斯、高地溫、高地應(yīng)力的形勢(shì)也日益嚴(yán)峻，將嚴(yán)重影響煤層瓦斯的抽采和礦井安全高效的生產(chǎn)。其中煤層透氣性是最關(guān)鍵的制約因素，如在我國(guó)中95%以上的煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井煤層透氣性系數(shù)僅為10-6～10-7μm2，即為0.04～0.004 m2/(MPa2·d)，遠(yuǎn)小于判定較難抽放煤層的臨界值0.1 m2/(MPa2·d)，因此解決瓦斯抽采困難的關(guān)鍵是如何提高煤層的增透性[1-4]。

目前低透煤層應(yīng)用的主要增透方式是水力沖孔[5]、水力割縫[6]、水力掏槽[7]、深孔控制預(yù)裂爆破[8]等，但由于這些技術(shù)存在著有效影響范圍小、工作量大、施工工藝復(fù)雜、抽采效果差等問(wèn)題，難以在我國(guó)得到大幅度大范圍的應(yīng)用。水力壓裂技術(shù)最早作為油氣井增產(chǎn)的主要措施，近些年被引進(jìn)煤礦井下條帶掘進(jìn)、石門揭煤等工程實(shí)踐中，并取得了良好的效果[9-10]。但在基礎(chǔ)理論、裝備水平、工藝參數(shù)、效果考察等方面暴露出了眾多不足，尚沒(méi)有形成基于煤層物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯賦存特征、地應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造裂隙場(chǎng)、氣—固耦合場(chǎng)等特點(diǎn)的煤礦成套水力壓裂理論和技術(shù)體系[11-12]。

由此許多學(xué)者從裂縫擴(kuò)展規(guī)律、增透效果方面開(kāi)展了水力壓裂增透試驗(yàn)并獲得了大量成果，但截至目前在工藝參數(shù)優(yōu)化方面的研究成果少見(jiàn)報(bào)道。特別是注水量作為水力壓裂工藝重要控制參數(shù)，注水量的多少更是影響壓裂效果的重要指標(biāo)，目前如何準(zhǔn)確確定注水量，已嚴(yán)重影響水力壓裂技術(shù)在煤炭行業(yè)的發(fā)展。因此，本文以探討井下水力壓裂低透煤層后含水率與瓦斯含量的變化規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)展井下底板巷上行鉆孔重復(fù)注水壓裂試驗(yàn)，分析重復(fù)注水壓裂后己15煤層含水率、瓦斯含量及其變化規(guī)律，并初步確定水力壓裂區(qū)域有效注水量的臨界值，為低透煤層水力壓裂泵注量的計(jì)算、壓裂后煤巷安全高效的掘進(jìn)與抽采鉆孔的優(yōu)化提供參考。

1 煤層水力壓裂瓦斯運(yùn)移機(jī)理

煤層水力壓裂增透技術(shù)是以不可壓縮的高壓水為動(dòng)力，克服目標(biāo)煤層的自然漏失、瓦斯壓力和圍巖應(yīng)力，向目標(biāo)煤層中注入大量的高壓水，在其“水楔”作用下迫使目標(biāo)煤層連通原生裂隙并起裂—擴(kuò)展—延伸新裂隙，如此發(fā)展下去，使得煤體內(nèi)部布滿以壓裂鉆孔為中心的裂隙空間，形成瓦斯解吸—擴(kuò)散—滲流的運(yùn)移通道，從而達(dá)到增大煤層透氣性的目的[13-15]。

壓裂過(guò)程中的裂隙空間主要是原始煤體自身的原生裂隙和以壓裂孔為中心形成的次級(jí)裂隙圈。高壓水在煤體中的流動(dòng)是按照先易后難順序進(jìn)行的，首先進(jìn)入次級(jí)裂隙圈，其次連通原生裂隙進(jìn)入次級(jí)裂隙，最后進(jìn)入微縫網(wǎng)絡(luò)。微縫網(wǎng)中壓裂水會(huì)先與孔隙中的游離瓦斯接觸，再向裂隙兩側(cè)滲透，在孔隙水和瓦斯的壓力差作用下產(chǎn)生的壓力梯度，會(huì)使游離瓦斯從孔隙高壓力區(qū)流向孔隙低壓力區(qū)，這時(shí)部分水分會(huì)替換離開(kāi)的游離瓦斯，整個(gè)過(guò)程稱之為驅(qū)替效應(yīng)。因此，整個(gè)壓裂過(guò)程會(huì)導(dǎo)致壓裂鉆孔有效影響范圍內(nèi)的瓦斯重新分布，高壓水、吸附瓦斯和游離瓦斯將重新處于一個(gè)新的平衡狀態(tài)，直到外界因素打破這個(gè)狀態(tài)為止。當(dāng)對(duì)壓入煤體中的高壓水排出后，這時(shí)解吸瓦斯和游離瓦斯將從壓裂過(guò)程中形成的微縫網(wǎng)中運(yùn)移出。

但是，如果向目標(biāo)煤層注入的水量遠(yuǎn)超過(guò)裂隙起裂—擴(kuò)展—延伸所需要的水量，并在裂隙前端起裂受阻的條件下，就會(huì)使得大量的壓裂水短時(shí)間內(nèi)聚集在裂隙中，導(dǎo)致裂隙面壁上的水壓力大于地應(yīng)力，將會(huì)逐漸擠壓—強(qiáng)化裂隙兩側(cè)的煤體，此裂隙也會(huì)得到拓寬，但在一定程度后壓裂水將會(huì)在此裂隙周圍的弱點(diǎn)重新起裂—擴(kuò)展—延伸，形成次級(jí)裂隙。當(dāng)被強(qiáng)化的部分煤體與原生高強(qiáng)度煤體構(gòu)成一個(gè)相對(duì)密閉的區(qū)域時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的部分瓦斯和高壓水都將被限制其中；而周圍沒(méi)有被強(qiáng)化的煤體會(huì)使微縫網(wǎng)得到充分發(fā)育，驅(qū)替效應(yīng)的作用效果也會(huì)更為明顯。因此，在向低透煤層注入過(guò)量高壓水后，煤體局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同瓦斯含量和含水率的異常情況。

2 試驗(yàn)工作面概況

本次試驗(yàn)礦井為平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦，簡(jiǎn)稱“平煤股份十二礦”，該礦位于平頂山礦區(qū)東部，所批準(zhǔn)開(kāi)采煤層主要為己組、庚組，而己組中所主采的己15和己16-17煤層均為突出煤層。該礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害較為嚴(yán)重，主要是因?yàn)橹鞑擅簩勇裆畲?、瓦斯壓力大和煤層透氣性差，造成了礦井掘進(jìn)難、鉆孔工程量大、抽采效率低、生產(chǎn)接替緊張等現(xiàn)狀。

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榧?5-31040工作面煤巷條帶區(qū)域，施工地點(diǎn)為己15-31040進(jìn)風(fēng)巷低位瓦斯治理巷，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)煤層為己15煤層。該工作面傾向長(zhǎng)215 m，走向長(zhǎng)725 m，煤厚平均3.3 m，可采儲(chǔ)量67萬(wàn)t，煤層傾角平均10°。工作面標(biāo)高在-638～-685 m，地面標(biāo)高為+190 m左右，埋深828～877 m。工作面平均原始瓦斯壓力1.0 MPa、瓦斯含量8.675 m3/t，透氣性系數(shù)0.021 8 m2/(MPa2·d)。工作面頂板為砂質(zhì)泥巖、砂巖，底板均為砂質(zhì)泥巖，煤層整體賦存較好，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

3 上行穿層鉆孔重復(fù)水力壓裂試驗(yàn)

在底板巷內(nèi)施工上行穿層壓裂鉆孔，采用“兩堵一注”的封孔工藝進(jìn)行全巖段封孔，封孔材料為P.O42.5水泥和U型膨脹劑。壓裂鉆孔與目標(biāo)煤層如圖1所示。

圖1 壓裂鉆孔與目標(biāo)煤層示意Fig.1 Schematic diagram of relationship between hydraulic fracturing borehole and coal seam position

本次壓裂試驗(yàn)泵體使用BYW450/70型煤礦井下壓裂泵組，以及可承壓70 MPa、φ51 mm的高壓膠管。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域的地質(zhì)條件，壓裂采用少量多次的注水方式。封孔完成待水泥漿凝固48 h后，并保證壓裂孔周圍200 m內(nèi)及壓裂工作巷道下風(fēng)側(cè)的所有工作人員撤離到安全范圍后，方可進(jìn)行高壓水力壓裂。壓裂主要流程：①無(wú)關(guān)人員撤離且警戒人員準(zhǔn)備到位后，連接管路開(kāi)始5 MPa試壓，整個(gè)管路無(wú)異常即可；②開(kāi)始第一次壓裂，到達(dá)規(guī)定的注水量后停止壓裂，保壓2～3 d；③與第一壓裂工序相同，依次重復(fù)壓裂直至完成總注水量即可。

壓裂工藝參數(shù)：泵注流量為150、250 L/min，在壓裂過(guò)程中兩流量交替使用，可節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)壓裂時(shí)間和提高壓裂增透效果；重復(fù)壓裂復(fù)壓時(shí)間以單孔保壓壓力降至5 MPa以下，或保壓2～3 d為宜，單孔全部壓裂后的保壓時(shí)間為7～10 d；復(fù)壓前壓裂孔控制排水卸壓1 h，便于復(fù)壓裂縫轉(zhuǎn)向及減少壓裂空白帶。壓裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 壓裂數(shù)據(jù)Tab.1 Fracturing data of borehole

4 水力壓裂效果考察

以1號(hào)壓裂孔為中心，采用“十”字形的布孔方式，沿煤層走向方向孔間距為5 m設(shè)計(jì)了Z1—Z9共9個(gè)φ94 mm考察鉆孔，沿煤層傾向方向孔間距為8 m設(shè)計(jì)了Q1—Q9共9個(gè)φ94 mm考察鉆孔，考察鉆孔布置如圖2所示。

圖2 考察鉆孔的布置平面Fig.2 Layout plan of boreholes for fracturing effect investigation

保壓結(jié)束后再施工考察鉆孔，并依次取煤樣且實(shí)驗(yàn)室測(cè)定己15煤層瓦斯含量和含水率，測(cè)定的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 重復(fù)注水壓裂后己15煤層的含水率和瓦斯含量Tab.2 Gas content and water content of Ji-15 coal seam after hydraulic fracturing

4.1 瓦斯含量的變化規(guī)律

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，利用Origin軟件以1號(hào)壓裂孔為圓心，沿煤層走向里段、傾向巷道上幫為負(fù)半軸，沿煤層走向外端、傾向下幫為正半軸，分析考察壓裂后己15煤層瓦斯含量的變化情況(圖3)。

圖3 己15煤層走向和傾向瓦斯含量對(duì)比曲線Fig.3 Comparison curve of gas content change on Ji-15 coal seam

通過(guò)對(duì)表2和圖3分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)得重復(fù)注水壓裂后己15煤層瓦斯含量為1.09～7.36 m3/t，平均為3.189 m3/t，較原始含量8.675 m3/t平均降低5.486 m3/t；沿煤層走向距壓裂孔28 m內(nèi)測(cè)的己15煤層瓦斯含量為1.66～7.36 m3/t，平均為3.054 m3/t，較原始含量平均降低5.625 m3/t；沿煤層傾向距壓裂孔35 m內(nèi)測(cè)的己15煤層瓦斯含量為1.09～4.28 m3/t，平均為2.322 m3/t，較原始含量平均降低6.353 m3/t；沿煤層傾向己15煤層的平均瓦斯含量2.322 m3/t，較沿煤層走向的平均瓦斯含量3.054 m3/t降低了0.732 m3/t。

在1號(hào)壓裂孔周圍35 m范圍內(nèi)煤體的瓦斯含量較原始含量平均降低了63%，但沿煤層傾向的瓦斯含量降幅平均高于走向，沿煤層走向里段的瓦斯含量降幅平均高于外段，沿傾向方向巷道下幫的瓦斯含量降幅平均高于上幫。

4.2 含水率的變化規(guī)律

考察重復(fù)注水壓裂前后己15煤層含水率的變化情況，如圖4所示。

圖4 己15煤層走向和傾向含水率對(duì)比曲線Fig.4 Contrast curve of water content change on Ji-15 coal seam

由表2和圖4分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)得水力壓裂后己15煤層含水率1.93～8.74%，平均為3.70 m3/t，較原始含水率1.26%平均提高2.44%；沿煤層走向距壓裂孔28 m內(nèi)測(cè)的己15煤層含水率為1.93～8.74 m3/t，平均為3.92%，較原始含水率平均提高2.66%；沿煤層傾向距壓裂孔35 m內(nèi)測(cè)的己15煤層含水率為2.36～5.79%，平均為3.45%，較原始含水率平均提高2.19%；沿煤層走向己15煤層的含水率3.92%，較沿煤層傾向的含水率3.45%平均提高了0.47%。在壓裂孔周圍35 m內(nèi)煤體的含水率，整體較原始含水率提高了3倍左右，但沿煤層走向的含水率增幅平均高于傾向，沿煤層走向外段的含水率增幅平均高于里段，沿煤層傾向巷道上幫的含水率增幅平均高于下幫。與瓦斯含量的變化規(guī)律對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者的變化情況截然相反，己15煤層含水率增加較大的區(qū)域瓦斯含量下降較小，而含水率增加較小的區(qū)域瓦斯含量下降較大。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)注水量超過(guò)適合己15煤層微縫網(wǎng)發(fā)育所需的注水量，改變了煤體局部區(qū)域的瓦斯含量和含水率。

4.3 瓦斯含量與含水率之間的關(guān)系規(guī)律

考察重復(fù)注水壓裂后己15煤層瓦斯含量與含水率之間的關(guān)系規(guī)律如圖5所示。

圖5 己15煤層走向和傾向瓦斯含量與含水率對(duì)比曲線Fig.5 Comparison curve between gas content and water content on Ji-15 coal seam

從圖5中發(fā)現(xiàn)，己15煤層含水率低于3%的瓦斯含量曲線變化起伏較小；含水率高于3%的瓦斯含量曲線變化波動(dòng)較大。據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知，含水率小于3%的區(qū)域己15煤層瓦斯含量為1.09～3.49 m3/t，平均2.13 m3/t；含水率大于3%的區(qū)域己15煤層瓦斯含量為1.49～6.99 m3/t，平均3.44 m3/t，較2.13 m3/t平均提高了62%。因此，當(dāng)壓裂后己15煤層含水率低于3%時(shí)，該區(qū)域的瓦斯含量平均較低且較為均等；而當(dāng)含水率高于3%后，該區(qū)域的瓦斯含量平均較高且忽高忽低，此時(shí)所涵蓋區(qū)域可以稱之為壓裂后的瓦斯異常區(qū)。

5 結(jié)論

(1)重復(fù)注水壓裂參數(shù)：注水次數(shù)5次，穩(wěn)定注水壓力22～28 MPa，單次注水量8～32 m3，泵注流量為150、250 L/min，復(fù)壓時(shí)間為單孔保壓壓力降至5 MPa，保壓時(shí)間為7～10 d。

(2)壓裂后壓裂孔周圍35 m內(nèi)己15煤層的瓦斯含量較原始含量平均降低了63%，而含水率較原始平均提高了3倍左右。

(3)壓裂后己15煤層含水率的變化規(guī)律與瓦斯含量相反，含水率增加較大的區(qū)域瓦斯含量下降較小，而含水率增加較小的區(qū)域瓦斯含量下降較大。

(4)當(dāng)壓裂后己15煤層含水率低于3%時(shí)，該區(qū)域的瓦斯含量平均較低且較為穩(wěn)定；而當(dāng)含水率高于3%后，該區(qū)域的瓦斯含量平均較高且忽高忽低。此結(jié)果可用于判定水力壓裂低透煤層的瓦斯異常區(qū)域，可為低透煤層水力壓裂泵注量的計(jì)算、壓裂后煤巷安全高效的掘進(jìn)與抽采鉆孔的優(yōu)化提供參考。

(5)在預(yù)定水力壓裂有效影響半徑的前提下，水力壓裂有效注水量的最高值為該區(qū)域內(nèi)煤體含水率的3%。