地面井水砂壓裂增透技術(shù)應(yīng)用效果分析

趙 杰

(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司 智能礦山事業(yè)部通風(fēng)部，山西 陽(yáng)泉 045000)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)開(kāi)采煤層多為低透氣性、高瓦斯煤層，且瓦斯含量隨開(kāi)采深度呈增加趨勢(shì)。瓦斯治理關(guān)乎礦井安全生產(chǎn)，低滲透性煤層瓦斯抽采困難，治理效果不理想，增加煤層透氣性是提高抽采效果、縮短瓦斯治理周期的有效手段，水力壓裂增透、高壓水射流、水力割縫、深孔預(yù)裂爆破等多種增透技術(shù)被應(yīng)用于瓦斯治理。地面井水砂壓裂技術(shù)是基于水力壓裂機(jī)理建立的，實(shí)質(zhì)上是在高水壓作用下形成裂隙并充填入砂粒，最終裂隙逐漸貫通從而達(dá)到煤巖層增透的效果[1].諸多學(xué)者針對(duì)壓裂技術(shù)作了大量研究，付軍輝[2]對(duì)地面壓裂和井下抽采聯(lián)合工藝進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的工藝系統(tǒng)及水力壓裂的布置原則；王永革等[3]將地面井水力壓裂應(yīng)用于立井快速揭煤中，有效提升了瓦斯抽采效果，縮短了治理周期；張海軍[4]對(duì)地面井壓裂技術(shù)井下壓裂區(qū)分布范圍、裂縫的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)了其對(duì)瓦斯抽采以及生產(chǎn)的影響；李丹[5]指出了軟弱煤層壓裂過(guò)程中裂縫延展機(jī)理、裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等是重、難點(diǎn)；趙青云[6]針對(duì)地面直井壓裂提出了復(fù)雜構(gòu)造帶直井位置選擇以及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；王保玉等[7]提出了在地面井結(jié)合井下長(zhǎng)鉆孔的局部卸壓增滲的方法。為提高瓦斯治理效果，以新景礦15121工作面為工程背景進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)地面井水砂壓裂技術(shù)進(jìn)行煤層增透，并綜合考察其應(yīng)用效果，以期對(duì)類似條件礦井瓦斯治理提供參考。

1 工程概況

新景礦15121工作面位于+420 m水平，本工作面南側(cè)為太舊高速公路保護(hù)煤柱，西側(cè)為15123采煤工作面，北側(cè)為佛洼風(fēng)井保護(hù)煤柱。15#煤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、賦存穩(wěn)定，傾角2°～9°，平均7°，以鏡煤、亮煤為主，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，有自然發(fā)火傾向且具有突出危險(xiǎn)性，其參數(shù)特征見(jiàn)表1.基本頂為石灰?guī)r，呈深灰色，厚度14.53 m，含2～3層黑色泥巖夾層；直接頂為灰黑色泥巖，厚0.30 m，含植物化石；直接底為砂質(zhì)泥巖厚17.05 m.

表1 煤層參數(shù)特征表

2 地面井水砂壓裂試驗(yàn)

2.1 水砂壓裂技術(shù)原理

水砂壓裂技術(shù)以水力壓裂為理論支撐，在地面施工鉆井，利用地面壓裂泵車將混合好的且具有一定黏度的壓裂前置液泵入壓裂井中，待泵注壓力大于井壁周圍的地應(yīng)力及地層巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，井壁周圍的煤層產(chǎn)生大的裂縫，隨后繼續(xù)注入含有支撐劑的壓裂攜砂液，在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，溝通煤層裂縫，從而增加了煤層的透氣性，提高瓦斯預(yù)抽效果，有效改善壓裂影響范圍內(nèi)應(yīng)力集中狀態(tài)，達(dá)到消突的目的，提高采掘速度，確保安全生產(chǎn)。

2.2 地面井壓裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)地面井區(qū)域瓦斯治理效果，15121進(jìn)風(fēng)巷共施工了4口地面井(XJ-15—XJ-18)，其施工位置需盡量選擇未開(kāi)采區(qū)域，布置于中硬巖中，實(shí)際施工參數(shù)見(jiàn)表2，將試驗(yàn)段劃分為3個(gè)區(qū)域：巷道進(jìn)尺0～630 m段為未壓裂區(qū)域(區(qū)域一)；進(jìn)尺630～756 m段為XJ-15井壓裂影響范圍前方126 m(區(qū)域二)；進(jìn)尺756～1 617 m段為XJ-15～XJ-18壓裂影響區(qū)域(區(qū)域三)，地面井壓裂平面布置見(jiàn)圖1.

表2 地面井實(shí)際施工參數(shù)表

圖1 15121進(jìn)風(fēng)巷地面壓裂井平面布置圖

在區(qū)域一內(nèi)采用鉆孔增透預(yù)抽措施治理瓦斯，施工6個(gè)造穴鉆孔和7個(gè)普通預(yù)抽鉆孔，主孔深度為80 m，允許掘進(jìn)60 m，預(yù)留20 m超前距離，單循環(huán)工程量為1 024 m；區(qū)域二采用地面井預(yù)抽結(jié)合順層造穴鉆孔增透措施治理瓦斯，條帶鉆孔施工3個(gè)造穴鉆孔，6個(gè)普通預(yù)抽鉆孔，主孔深度為100 m，允許掘進(jìn)80 m，預(yù)留20 m超前距離，單循環(huán)工程量為910 m；在區(qū)域三內(nèi)施工3個(gè)措施孔，檢測(cè)前方掘進(jìn)區(qū)域瓦斯含量，主孔深度為80～100 m，預(yù)留20 m超前距離。

15121進(jìn)風(fēng)巷全長(zhǎng)為1 617 m，其中未壓裂區(qū)段為開(kāi)口至進(jìn)尺630 m，壓裂影響區(qū)段為630～1 617 m，長(zhǎng)度為983 m.

3 水砂壓裂試驗(yàn)結(jié)果

該工作面施工的4口地面井，僅在XJ-16(巷道1 055 m處，與XJ-16井底直線距離為27 m)、XJ-17井范圍內(nèi)(巷道1 305 m處，與XJ-17井底直線距離為50 m)出現(xiàn)砂質(zhì)物，地面井水砂壓裂影響范圍呈現(xiàn)非對(duì)稱、非均勻、非線性的特征。

3.1 地面井抽采效果

為衡量地面井抽放效果，對(duì)地面井中心(井底)至邊緣的不同位置進(jìn)行取樣測(cè)定瓦斯含量，統(tǒng)計(jì)各地面壓裂井影響范圍內(nèi)煤層瓦斯含量的最大值、最小值和算術(shù)平均值。發(fā)現(xiàn)抽放完成后地面井中心處瓦斯含量最小，影響邊緣處瓦斯含量最大。相較于未壓裂區(qū)井底附近的瓦斯含量降幅最大，且壓裂影響范圍的邊緣處降幅較低，水砂壓裂區(qū)域從中心向邊緣增透效果逐漸降低。地面井影響范圍內(nèi)瓦斯含量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，圖2.

圖2 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葓D

表3 地面井瓦斯含量表

每個(gè)壓裂井影響范圍內(nèi)的瓦斯含量較未壓裂區(qū)域平均下降幅度分別為11.21%、7.01%、11.96%、15.33%，XJ-18井影響范圍內(nèi)瓦斯含量降幅最大。其中XJ-17井底以北的范圍內(nèi)，由于受到陷落柱的影響，周圍測(cè)試數(shù)據(jù)較少，僅在邊緣測(cè)定的瓦斯含量為10.3 m3/t，井底瓦斯含量下降至6 m3/t左右，壓裂效果十分明顯；地面井中心附近的瓦斯含量降幅最大，影響范圍的邊緣處普遍瓦斯含量較大，降幅較低。

地面井的影響范圍以未壓裂區(qū)域瓦斯含量為基準(zhǔn)(臨界值為未壓裂區(qū)域平均瓦斯含量的10%)，瓦斯含量低于該臨界值的區(qū)域半徑為地面井影響半徑。

按照上述方法，通過(guò)對(duì)各地面井壓裂影響范圍煤層瓦斯含量井下匯總計(jì)算，得出XJ-15、XJ-16、XJ-17、XJ-18影響半徑分別為112 m、40 m、130 m、120 m，由于煤層賦存的不同及地質(zhì)條件的差異，水砂壓裂影響范圍呈現(xiàn)非對(duì)稱、非均勻、非線性的特征。

3.2 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葘?duì)比

3個(gè)試驗(yàn)區(qū)域掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛纫?jiàn)圖2.15121進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)尺0～630 m區(qū)段(區(qū)域一)，掘進(jìn)期間掘進(jìn)工作面最大瓦斯?jié)舛葹?.57%，平均為0.33%；630～756 m區(qū)段(區(qū)域二)，掘進(jìn)工作面最大瓦斯?jié)舛葹?.54%，平均為0.32%；756～1 617 m區(qū)段(區(qū)域三)，最大瓦斯?jié)舛葹?.89%，平均為0.37%，其中15121進(jìn)風(fēng)巷在1 200～1 300 m揭露陷落柱，掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛容^小，故排除此區(qū)段瓦斯?jié)舛群笃骄咚節(jié)舛葹?.46%.由此可知，水砂壓裂增加了煤層透氣性，通過(guò)形成瓦斯逸散通道使掘進(jìn)期間巷道涌出瓦斯量明顯增加。

4 地面井水砂壓裂工程應(yīng)用效果

4.1 掘進(jìn)效率對(duì)比

15121進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 617 m，其中未壓裂區(qū)段長(zhǎng)度為630 m，剩余983 m為壓裂影響區(qū)段。區(qū)域一內(nèi)每月掘進(jìn)最高60 m，平均每月進(jìn)尺為34.4 m；區(qū)域二內(nèi)平均每月進(jìn)尺為60.0 m；區(qū)域三掘進(jìn)期間最高單月進(jìn)尺為140 m，平均每月進(jìn)尺為115.0 m.采取地面井水砂壓裂技術(shù)可大幅提高巷道的掘進(jìn)效率，較采用造穴預(yù)抽措施提高了3.3倍。

4.2 瓦斯治理成本對(duì)比

1)15121進(jìn)風(fēng)巷瓦斯治理成本。進(jìn)風(fēng)巷運(yùn)用順層造穴鉆孔條帶預(yù)抽、地面井水砂壓裂預(yù)抽措施進(jìn)行瓦斯治理，該巷道共施工14個(gè)循環(huán)，完成鉆尺11 000 m；地面水砂壓裂井共施工4口，總工程量為2 554 m，壓水量為8 034.31 m3，壓砂量為170.62 m3.15121進(jìn)風(fēng)巷合計(jì)成本1 822.7萬(wàn)元。

2)15121回風(fēng)巷瓦斯治理成本。回風(fēng)巷采用底抽巷穿層造穴鉆孔條帶預(yù)抽方式治理瓦斯，每組施工7個(gè)穿層鉆孔，全巷共311組，累計(jì)施工鉆孔數(shù)量2 177個(gè)，完成鉆尺68 000 m.其中僅穿層造穴成本達(dá)5 026萬(wàn)元，已遠(yuǎn)超進(jìn)風(fēng)巷治理總成本，回風(fēng)巷瓦斯治理總成本約3 643萬(wàn)元。瓦斯治理成本對(duì)比見(jiàn)表4.

由表4可知，15121進(jìn)風(fēng)巷較回風(fēng)巷可節(jié)約1 820.7萬(wàn)元瓦斯治理成本。15121進(jìn)風(fēng)巷在采取了地面井水砂壓裂技術(shù)后，投入成本僅為15121回風(fēng)巷的50%.

表4 瓦斯治理成本對(duì)比表

5 結(jié) 論

1)采用地面井水砂壓裂抽放影響半徑多數(shù)在100 m以上，平均值為100.5 m，預(yù)抽后其影響范圍內(nèi)煤層瓦斯含量降低，相較于未壓裂區(qū)掘進(jìn)期間瓦斯?jié)舛容^高，地面井水砂壓裂技術(shù)可增加煤層透氣性。

2)采取地面井水砂壓裂措施縮減了井下瓦斯治理周期，提高巷道掘進(jìn)效率，為未采用水砂壓裂技術(shù)巷道掘進(jìn)效率的3.3倍。

3)采取地面井水砂壓裂措施可顯著降低瓦斯治理成本，相較于15121回風(fēng)巷地面井水砂壓裂技術(shù)降幅高達(dá)50%，經(jīng)濟(jì)效果顯著。