水力壓裂增滲技術(shù)在低透氣性煤層的應(yīng)用

霍晶晶

（潞安化工寺家莊公司，山西 昔陽 045300）

在低透氣性煤層瓦斯抽采中，常規(guī)鉆孔布置及參數(shù)進(jìn)行預(yù)抽采往往難以滿足要求。順層鉆孔水力壓裂技術(shù)是利用高壓水的沖擊力在煤層中鉆取順層鉆孔[1]，高壓水壓入致裂。圖1 為順層鉆孔設(shè)備及管路連接示意圖。低透氣性煤層井下順層壓裂工藝在應(yīng)用中，為滿足井下防爆、多量程穿層壓裂等要求，需采用大流量泵體[2]。起裂所需壓力大于裂紋擴展壓力，起裂后裂紋一般在弱面繼續(xù)擴展[3]。

圖1 順層鉆孔設(shè)備及管路連接示意圖

順層鉆孔區(qū)段煤層瓦斯預(yù)抽更適應(yīng)低透氣性單一煤層突出礦井防突實際[4]。為滿足寺家莊礦井下實際工況，在15301 工作面開展改進(jìn)水力壓裂的封隔器串聯(lián)封孔工藝，優(yōu)化改進(jìn)水力壓裂在順層條件下的實際生產(chǎn)工藝，消除瓦斯治理盲區(qū)的相關(guān)工程實驗，并建立順層鉆孔水力壓裂技術(shù)在瓦斯抽采方面的影響效果評價體系。

1 順層鉆孔壓裂施工工藝研究

1.1 泵注壓力

煤巖損傷破壞的本質(zhì)是能量不斷演化的結(jié)果，采用能量的觀點研究壓裂壓力更加符合實際情況[5-7]。因此，本節(jié)通過能量的原理確定煤層高壓壓裂壓力的大小。壓裂壓力直接影響著壓裂的實際效果，在較小的壓裂壓力情況下，水流濕潤效果不明顯，無法達(dá)到理想效果；若壓裂壓力較大，需要對壓裂設(shè)備有更高技術(shù)要求的同時，還容易造成壓裂過程的煤與瓦斯突出[8]。壓裂孔是平面應(yīng)力問題，分析可知高壓水和地應(yīng)力直接影響周圍煤體的屈服破壞。

最小主應(yīng)力隨著壓裂壓力的增大而降低，最大裂紋擴展力發(fā)生在最大拉應(yīng)力方向。結(jié)合寺家莊礦工作面現(xiàn)場實際情況，針對不同的側(cè)壓系數(shù)進(jìn)行計算即可得到高壓壓裂時煤體破裂的臨界水壓值，采用能量原理計算臨界壓裂壓力值為18～25 MPa，相關(guān)計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

1.2 封孔長度

根據(jù)現(xiàn)場壓裂試驗發(fā)現(xiàn)，煤層壓裂過程中，封孔長度對于壓裂效果和煤壁的穩(wěn)定性具有重要影響。本次壓裂采用重慶煤科院提供專用封隔器（MKY80 型封隔器）和配套封孔管封孔，若壓裂孔封孔長度較短，一方面容易導(dǎo)致鉆孔中的水向外滲漏，無法保證壓裂量；另一方面將導(dǎo)致壓裂后的煤壁酥軟。煤層壓裂過程中一定要嚴(yán)格控制封孔長度，工作面前方煤體由于采動影響而處于破碎狀態(tài)，因此，封孔長度不得少于20 m。工藝流程如圖2。

圖2 壓裂工藝流程

以上設(shè)計的壓裂參數(shù)均為根據(jù)現(xiàn)有模型進(jìn)行的理論計算，由于寺家莊煤礦15 號煤層屬于厚煤層，具體施工參數(shù)的確定，需待對煤層進(jìn)行現(xiàn)場壓裂后，根據(jù)現(xiàn)場施工的條件進(jìn)行優(yōu)化，并對現(xiàn)有壓裂設(shè)計模型進(jìn)行修正后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并構(gòu)建成基于起裂壓力、壓裂半徑、漏失量計算、摩阻損失等參數(shù)的厚煤層水力壓裂參數(shù)設(shè)計體系。

2 順層鉆孔水力壓裂現(xiàn)場試驗

2.1 順層鉆孔壓裂鉆孔布置

寺家莊礦15301 工作面示意圖如圖3 所示。該工作面位于北一盤區(qū)，傾斜長度220 m，可采走向長度2288 m，煤層厚度在3.75～7.2 m，平均厚度5.24 m，平均傾角4°。15#煤層瓦斯壓力在0.43～0.51 MPa，瓦斯含量最大為11.22 m3/t，煤的破壞類型為Ⅲ類，礦井為煤與瓦斯突出礦井。試驗區(qū)域距構(gòu)造區(qū)域50 m，在試驗區(qū)先對壓裂時間及壓裂影響半徑進(jìn)行試驗考察，圖4 為壓裂孔及考察孔設(shè)計圖。壓裂施工前先在壓裂孔兩側(cè)間距20 m、30 m 處分別施工壓裂考察孔K1、K0，用于在壓裂過程中觀察出水情況。施工考察孔K1 時取煤樣測試煤體原始瓦斯含量及含水率?？疾炜譑1 下管30 m，“兩堵一注”水泥砂漿封孔20 m，孔口安裝閘閥，如果考察孔出水，說明壓裂影響區(qū)域已覆蓋考察孔與壓裂孔之間20 m 范圍，則關(guān)閉閘閥繼續(xù)壓裂，直到另一側(cè)考察孔出水則停止壓裂，并記錄壓裂開始到考察孔出水時間。壓裂結(jié)束后在距離壓裂孔35 m、40 m、45 m 布置壓裂影響半徑考察孔（K2、K3、K4），取樣測瓦斯含量、含水率與原始煤體對比進(jìn)一步考察壓裂范圍（如果所測含量比原始含量小則說明在壓裂影響半徑內(nèi)）。鉆孔參數(shù)設(shè)計表見表2。

表2 壓裂半徑考察孔參數(shù)設(shè)計表

圖3 15301 工作面示意圖

圖4 采煤工作面壓裂半徑考察鉆孔布置圖（m）

15301 工作面順層孔水力壓裂試驗壓裂孔間距按10 m、20 m 和30 m 設(shè)計，在15301 工作面回風(fēng)巷施工順層壓裂鉆孔，順層水力壓裂鉆孔（Y1#～Y20#孔）設(shè)計孔徑94 mm，孔深120 m。為了考察壓裂范圍及壓裂結(jié)束判識，在壓裂孔兩側(cè)相同間距各施工一個考察孔（K1#～K21#孔）。

15301 工作面進(jìn)風(fēng)巷順層壓裂鉆孔及考察孔設(shè)計施工參數(shù)詳見表3。在井下施工過程中，要達(dá)到鉆孔的有效性，需要對煤層瓦斯含量、原始水分以及煤層產(chǎn)狀進(jìn)行評價。選擇科學(xué)適合的鉆孔位置，輔助孔接入抽采管路，以保證壓裂過程能有足夠自由脹裂空間，同時，為防止破碎煤粒堵塞流水通道，需設(shè)防水排渣裝置。

表3 15301 工作面順層鉆孔壓裂參數(shù)設(shè)計表

2.2 順層鉆孔水力壓裂效果考察

根據(jù)現(xiàn)場壓裂情況，完成壓裂影響半徑、抽采效果等的考察工作，并根據(jù)壓裂效果對壓裂參數(shù)及鉆孔布置進(jìn)行優(yōu)化，形成適用于某一礦井同一水平同一地質(zhì)單元內(nèi)的壓裂參數(shù)及效果考察方法。

2.2.1 壓裂影響半徑考察

（1）施鉆現(xiàn)象判識

壓裂裂縫的有效擴展范圍即為壓裂有效半徑，裂縫擴展后，破壞煤層原始結(jié)構(gòu)，施鉆過程中，出現(xiàn)高壓水涌出現(xiàn)象，并攜帶顆粒狀煤屑。因此，可通過鉆孔排水間接確定壓裂有效半徑。

（2）瓦斯含量法

壓裂后，煤層內(nèi)的游離瓦斯將被高壓水驅(qū)趕至壓裂有效半徑外圍區(qū)域，因此可通過對效果考察孔的瓦斯含量測定對壓裂有效半徑進(jìn)行判識，瓦斯含量減小區(qū)域即為壓裂有效半徑范圍。為縮短考察時間，采用直接法測定壓裂區(qū)域的可解吸瓦斯含量，同時測定煤樣含水率。

寺家莊礦15301 工作面完成了壓裂影響半徑考察。當(dāng)壓裂注水達(dá)到60 m3時，考察孔K1 出水，關(guān)閉孔口閘閥，繼續(xù)壓裂達(dá)到80 m3時考察孔K0出水，直觀地說明順層鉆孔水力壓裂影響半徑達(dá)30 m 以上。

2.2.2 抽采效果考察

抽采濃度、抽采混合流量、抽采純量等作為對抽采效果評價的參數(shù)，可直觀反映壓裂對煤體的增透作用，通過對比表征試驗孔與對比孔的鉆孔瓦斯抽采難易程度。對比孔在鉆孔施工完成后，立即進(jìn)行封孔聯(lián)抽；試驗孔在鉆孔施工完成并進(jìn)行水力壓裂后再封孔聯(lián)抽，最終對比評價參數(shù)。

寺家莊礦井下順層孔的抽放單元根據(jù)實際生產(chǎn)要求，設(shè)計單元間間隔為200 m，單元所在位置原設(shè)在400 m 壓裂區(qū)，但受工作面生產(chǎn)限制，壓裂區(qū)實際在工作面外圍200 m，如圖5。設(shè)計抽放孔間距2.5 m，鉆孔長度120 m，封孔長度21 m。選擇一組未被壓裂且抽采鉆孔參數(shù)均一致的抽采單元進(jìn)行效果對比，安裝相同型號的抽采計量裝置進(jìn)行效果考察。

圖5 不同區(qū)施工對比圖（m）

從圖6 與圖7 可知，在15301 進(jìn)風(fēng)試驗地點，壓裂區(qū)平均濃度在36.2%，而非壓裂區(qū)僅在6.0%；壓裂區(qū)百孔純量（平均單孔純量）在3.73 m3/min，非壓裂區(qū)在0.35 m3/min。同時通過抽采排水系統(tǒng)測算，壓裂區(qū)排水量明顯降低，瓦斯含水率減小。

圖6 不同區(qū)瓦斯抽采濃度變化

圖7 不同區(qū)瓦斯抽采純量變化

3 結(jié)論

（1）采用順層鉆孔水力壓裂技術(shù)，抽采濃度明顯提高。壓裂區(qū)在36.2%，非壓裂區(qū)在6.0%，約提高6 倍。

（2）順層鉆孔水力壓裂區(qū)抽采純量明顯高于非壓裂區(qū)。壓裂區(qū)在3.73 m3/min，非壓裂區(qū)在0.35 m3/min，約提高11 倍。

（3）通過對實驗區(qū)域進(jìn)行順層鉆孔水力壓裂效果的研究，改進(jìn)得到水力壓裂在單一低透氣性煤層的實際生產(chǎn)施工工藝。采用抽采純量與濃度作為主要指標(biāo)，開展了工作面順層鉆孔水力壓裂技術(shù)對瓦斯抽采促進(jìn)效果進(jìn)行評價，為評測瓦斯抽采質(zhì)量，以瓦斯含量與含水率作為對比參數(shù)。