煤礦井下水力壓裂產(chǎn)能主控因素研究

田 洪 徐 濤 郭臣業(yè)

(1.重慶煤礦安全監(jiān)察局， 重慶 401121； 2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 焦作 454003;3.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司， 重慶 400060； 4.重慶市煤層氣開發(fā)企業(yè)工程技術(shù)中心， 重慶 400060)

近年來(lái)，隨著礦井開采深度的不斷增加及開采強(qiáng)度的不斷加大，礦井瓦斯災(zāi)害已成為制約我國(guó)煤礦安全形勢(shì)好轉(zhuǎn)的主要因素。廣大科技工作者不斷摸索，把地面油氣領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的水力壓裂技術(shù)運(yùn)用到煤礦井下，以增加儲(chǔ)層透氣性，防治煤與瓦斯突出和沖擊地壓、減少煤炭回采過(guò)程中的瞬時(shí)大量涌出、煤體降塵等。

煤礦井下水力壓裂是利用高壓水通過(guò)鉆孔以大于煤巖層慮失速率的排量注入、克服最小地應(yīng)力和煤巖層的抗拉強(qiáng)度，在目標(biāo)層形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)造縫增透，并排出目標(biāo)區(qū)域的煤巖顆粒，實(shí)現(xiàn)卸壓增透。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-7]從造縫機(jī)理、裂縫形態(tài)、運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)理、煤巖應(yīng)力應(yīng)變與滲透率關(guān)系及儲(chǔ)層改造工藝等方面對(duì)地面油氣的水力壓裂進(jìn)行了深入的研究，取得了較好的進(jìn)展。在煤礦井下水力壓裂原理及技術(shù)研究方面，河南理工大學(xué)蘇現(xiàn)波等人把地面油氣領(lǐng)域廣泛采用的水力壓裂技術(shù)運(yùn)用到井下，創(chuàng)新了煤礦井下水力壓裂增透抽采瓦斯方法，并在河南、山西、重慶等礦區(qū)進(jìn)行了規(guī)模試驗(yàn)，重慶已有礦井將該技術(shù)作為儲(chǔ)層強(qiáng)化的常規(guī)技術(shù)進(jìn)行了全面推廣，并取得了顯著的井下煤層氣抽采效果。煤礦井下水力壓裂技術(shù)能在一定程度滿足煤礦高效抽采煤層氣與瓦斯防治的需要，是保障煤礦安全生產(chǎn)的有效途徑。查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料顯示，目前未對(duì)煤礦井下水力壓裂產(chǎn)能的主控因素進(jìn)行研究。當(dāng)前的煤礦井下壓裂實(shí)踐，很大程度上還處在盲目被動(dòng)的狀態(tài)。近幾年跟蹤了大量的工程，對(duì)影響煤礦井下水力壓裂效果的主控因素進(jìn)行研究，希望通過(guò)該研究，對(duì)井下工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供參考。

通過(guò)對(duì)河南、山西、重慶地區(qū)近20個(gè)礦井的水力壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和典型性篩選，確定了11個(gè)壓裂孔數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)樣本數(shù)據(jù)(河南地區(qū)煤層厚、含量高、透氣性較差、水大、構(gòu)造發(fā)育；山西地區(qū)煤層極厚、含量高、透氣性稍好、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。重慶地區(qū)急傾斜近距離低透薄煤層群，可以代表中國(guó)南北方的煤層地質(zhì)條件)，通過(guò)對(duì)可能影響煤礦井下水力壓裂產(chǎn)能的儲(chǔ)層透氣性、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤層厚度、瓦斯含量、瓦斯壓力、布孔方式、泵注程序、注水量、注水壓力及儲(chǔ)層顆粒返排情況等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定影響壓裂效果的主控因素。效果數(shù)據(jù)為壓裂孔影響范圍內(nèi)抽采一個(gè)月的純量數(shù)據(jù)，瓦斯壓力和含量取本區(qū)測(cè)試的平均值。

1 水力壓裂效果的影響因素研究

1.1 儲(chǔ)層透氣性對(duì)效果的影響

在進(jìn)行煤礦井下瓦斯抽采時(shí)，煤儲(chǔ)層透氣性是衡量煤層抽采難易程度的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)的分析(圖1)，煤層透氣性與抽采量具有較好的線性相關(guān)性。在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把壓裂目標(biāo)區(qū)域的透氣性作為主要考慮的因素之一。

圖1 儲(chǔ)層透氣性與抽采純量的關(guān)系

1.2 煤層埋深對(duì)產(chǎn)能的影響

煤層埋深不僅是控制煤層含氣量的重要因素，還決定著地應(yīng)力的大小，繼而對(duì)破裂壓力產(chǎn)生影響。但煤礦井下受采掘影響，地應(yīng)力已經(jīng)發(fā)生相當(dāng)大的變化，煤層埋深對(duì)地應(yīng)力的控制作用減弱。對(duì)樣本數(shù)據(jù)分析(圖2)知，線性相關(guān)性為0.006，說(shuō)明煤礦井下水力壓裂和地面油氣的水力壓裂區(qū)別較大，在壓裂設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)煤層埋深只作適當(dāng)考慮。

圖2 煤層埋深與抽采純量的關(guān)系

1.3 煤體結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響

煤體是極其復(fù)雜的空間集合體，存在大量不規(guī)則的裂隙(包括割理)和基質(zhì)塊，煤體結(jié)構(gòu)在一定程度上反映煤儲(chǔ)層透氣性。按照焦作礦院四分法對(duì)煤體結(jié)構(gòu)分類，把同一煤體結(jié)構(gòu)的樣本的抽采純量取平均，做出煤體結(jié)構(gòu)和抽采純量的關(guān)系如圖3所示。煤體偏硬的壓裂效果較好，線性相關(guān)性較好。因此在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇Ⅰ、Ⅱ類煤(硬煤)，若不可避免Ⅲ、Ⅳ類煤(軟煤)，可選擇頂?shù)装鍓毫?，以適應(yīng)不同情況的壓裂需求。

1.4 煤層厚度對(duì)產(chǎn)能的影響

煤層是瓦斯(煤層氣)最主要的儲(chǔ)集源，煤層厚度影響目標(biāo)區(qū)域的瓦斯總量。但從長(zhǎng)期的壓裂實(shí)踐，特別是從樣本數(shù)據(jù)來(lái)看，煤層厚度與壓裂之后的瓦斯產(chǎn)能相關(guān)性很小，說(shuō)明在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化布孔方式可以彌補(bǔ)煤層厚度的不足。

圖3 煤體結(jié)構(gòu)與抽采純量的關(guān)系

圖4 煤層厚度與抽采純量的關(guān)系

1.5 煤層瓦斯含量與瓦斯壓力對(duì)產(chǎn)能的影響

煤礦井下水力壓裂實(shí)質(zhì)上解決“有沒有”和“能不能”這兩個(gè)問(wèn)題，瓦斯含量表征有沒有氣的問(wèn)題，瓦斯壓力影響著煤層瓦斯的解析速率。瓦斯含量和瓦斯壓力與抽采純量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 煤層瓦斯含量和瓦斯壓力與抽采純量關(guān)系

1.6 布孔方式對(duì)產(chǎn)能的影響

對(duì)于煤礦井下不同的地質(zhì)和井工條件，為提高壓裂效果，在壓裂布孔時(shí)，采取頂?shù)装?、本煤層和穿層的方式。目?biāo)煤層為軟煤時(shí)，一般采用頂?shù)装宀伎追绞竭M(jìn)行壓裂，或者采用穿層布孔，在壓裂孔周圍布置卸壓孔排水排渣，使煤層卸壓，增加煤層透氣性。目標(biāo)煤層為硬煤時(shí)，一般采用頂?shù)装寤蛘弑久簩硬伎追绞?，壓裂形成裂縫體系，增加抽采效果。通過(guò)研究布孔方式與抽采純量的關(guān)系(圖6)，得知頂?shù)装搴痛硬伎仔Ч鄬?duì)較好，本煤層因封孔困難或直接壓裂對(duì)煤層要求條件較高，效果相對(duì)較差。

圖6 布孔方式與抽采純量的關(guān)系

1.7 注液量和注液壓力對(duì)產(chǎn)能的影響

注液量與抽采純量的關(guān)系見圖7，注液壓力與抽采純量的關(guān)系見圖8。壓裂效果的好壞和壓裂液注入量、注入壓力并沒有直接的關(guān)系。所以，在煤礦井下水力壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，并不需要追求大注入量和超高壓力，這樣既降低了對(duì)壓裂設(shè)備的要求及壓裂成本，又增加了壓裂過(guò)程的安全性和抽采效果。

圖7 注液量與抽采純量的關(guān)系

圖8 注液壓力與抽采純量關(guān)系

1.8 其他因素對(duì)產(chǎn)能的影響

通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，鉆孔長(zhǎng)度、泵注程序?qū)Ξa(chǎn)能并無(wú)規(guī)律性的影響，在壓裂設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合具體情況考慮。水力壓裂過(guò)程中，通過(guò)壓裂孔周邊卸壓排水排渣量的多少對(duì)儲(chǔ)層透氣性和產(chǎn)能的影響較大，通過(guò)對(duì)ZT-01孔和ZM-01井分別排渣16.6 t和6.1 t，從每月產(chǎn)能分別為89 000 m3和22 123 m3來(lái)看，排渣越多，煤層卸壓越充分，抽采效果也會(huì)越好。

2 結(jié)論及建議

(1)儲(chǔ)層透氣性、煤體結(jié)構(gòu)、布孔方式等因素是影響煤礦井下水力壓裂產(chǎn)能的主控因素。

(2)在壓裂設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別是高應(yīng)力地區(qū)，應(yīng)盡可能考慮壓裂時(shí)鄰近孔排渣，以使目標(biāo)煤體充分卸壓，增加抽采效果。

(3)上述是單因素分析的結(jié)果，事實(shí)上，產(chǎn)能可能受多因素影響。但本文的單因素分析，仍可對(duì)煤礦井下壓裂設(shè)計(jì)提供重要參考。

(4)煤礦井下水力壓裂目前還處在研究的初級(jí)階段，還面臨壓裂影響區(qū)域無(wú)法精確判定等問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究。

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