復(fù)雜構(gòu)造帶低滲高瓦斯煤層水力壓裂增透技術(shù)

石曉紅，趙立朋，2，李俊堂，王如江，吳財芳

(1.華陽新材料集團瓦斯地質(zhì)研究應(yīng)用中心(陽泉新宇巖土工程有限責任公司)，山西 陽泉 045000；2.河南理工大學(xué) 資環(huán)學(xué)院，河南 焦作 454000； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

隨著開采區(qū)域向地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜的井田西部推進，礦井開采深度和強度加大，煤與瓦斯突出危險性增大。目前，礦井采用井下本煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和井下千米長鉆孔區(qū)域瓦斯抽采等方法進行煤與瓦斯突出災(zāi)害防治，但受煤層松軟、透氣性差、防突與采掘工程阻礙等因素影響，井下千米長鉆孔內(nèi)部容易發(fā)生塌孔，井下瓦斯抽采達不到預(yù)期效果，防突出效果不佳，在巷道掘進過程中時常發(fā)生瓦斯超限與突出事故。

近年來，地面煤層氣井開發(fā)成為一種新型礦井瓦斯治理技術(shù)，煤層氣(又稱“瓦斯”)開發(fā)與煤炭資源共采在我國能源行業(yè)成為共識，并得到廣泛應(yīng)用[1-2]。我國煤層滲透率普遍較低，通過儲層改造提高煤層滲透率是提高煤層氣產(chǎn)量的重要手段[3-4]。水力壓裂技術(shù)是煤層氣增產(chǎn)最常用的手段之一，當壓裂液流壓超過煤層的力學(xué)強度時，煤層中就會形成裂縫，提高滲透率，通過調(diào)整壓裂液的加砂量、前置液量等關(guān)鍵參數(shù)，能夠有效控制壓裂裂縫的縫高、縫長等參數(shù)，對于低滲煤層滲透率具有顯著改善效果。沁水和鄂爾多斯盆地煤層氣井利用水力壓裂技術(shù)成功突破我國“淺煤層”(<1 000 m)的煤層氣開發(fā)瓶頸[5]。

以陽泉新景礦高瓦斯煤層為研究對象，針對研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、滲透率低的煤層特點，利用水力壓裂增透技術(shù)，分析地面直井壓裂技術(shù)對煤層瓦斯抽采效果的影響，以期為研究區(qū)礦井瓦斯治理和煤礦安全開采提供依據(jù)。

1 復(fù)雜構(gòu)造帶瓦斯賦存特征

1.1 試驗區(qū)地質(zhì)特征

新景礦位于陽泉礦區(qū)大單斜構(gòu)造西部，區(qū)內(nèi)次一級褶曲構(gòu)造比較發(fā)育，在平面上褶曲走向為NNE-NE，以波狀起伏褶曲為主，呈向背斜相間、斜列式、平列式組合。在剖面上多以上部較開闊平緩，下部較緊閉的平列褶曲為主。但在局部地區(qū)也出現(xiàn)一些不協(xié)調(diào)的層間褶曲。這些不同形態(tài)、不同組合的褶曲群，構(gòu)成了區(qū)域構(gòu)造的主體。

結(jié)合研究區(qū)三維地震勘探資料，新景礦3#、8#和15#主采煤層的層間小斷層比較發(fā)育，總體趨勢為西部多于東部；并且在曲翼部更為發(fā)育，軸部相對次之，同時端部偏多，其他部位較少。3個主采煤層的斷層構(gòu)造發(fā)育較小，但這些中小斷層的組合構(gòu)造同樣是瓦斯局部富集的重要影響因素，且對主采煤層的瓦斯賦存及煤與瓦斯突出具有控制作用。新景礦瓦斯含量等值線如圖1所示。

圖1 新景礦瓦斯含量等值線圖

1.2 復(fù)雜構(gòu)造帶瓦斯賦存規(guī)律

煤層瓦斯的生成、賦存、運移和富集除了受其生成條件的影響外，更重要的是受地質(zhì)構(gòu)造的控制[6]，尤其是構(gòu)造演化[7]和水動力條件[8]的影響。礦井構(gòu)造組合特征決定了構(gòu)造應(yīng)力場和構(gòu)造煤的分布規(guī)律，礦井構(gòu)造通過控制構(gòu)造軟煤的分布進而控制突出區(qū)帶分布；相同熱演化條件下，構(gòu)造煤煤化程度偏高，其形成過程中有大量瓦斯生成，造成煤層含氣量高；構(gòu)造作用還可使煤層增厚、結(jié)構(gòu)破碎，有利于瓦斯聚積并易于突出[9]。理論研究和實踐表明，向斜為煤層氣富集的主要構(gòu)造形態(tài)[10]，向斜軸部為瓦斯富集區(qū)；斷層保存煤層氣的能力隨著斷裂性的不同而具有顯著的差異[11-12]，剪性和壓扭性斷層附近為瓦斯富集區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造強烈擠壓和剪切作用引起構(gòu)造應(yīng)力集中，構(gòu)造煤發(fā)育。中小型構(gòu)造同樣是瓦斯局部富集的重要條件，封閉型構(gòu)造有利于瓦斯的封存，開放型構(gòu)造有利于瓦斯的釋放。

1.3 復(fù)雜構(gòu)造帶煤儲層滲透性

研究區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征和應(yīng)力場分布特征造成區(qū)內(nèi)煤層孔隙率與滲透率普遍較低(見表1)。據(jù)國際上煤層氣井試井滲透率劃分，研究區(qū)煤層均為低滲、超低滲儲層，不利于后期的進一步的研究，以及煤層氣的開發(fā)與瓦斯抽采工作的進行。因此，采用國內(nèi)的儲層滲透率劃分方法，重新擬定研究區(qū)滲透率：高滲儲層滲透率>1×10-15m2；中滲儲層滲透率為1×10-16～10×10-16m2；中低滲儲層滲透率為1×10-17～10×10-17m2；低滲儲層滲透率為1×10-18～10×10-18m2；特低滲儲層滲透率<1×10-18m2[7]。按以上劃分標準，研究區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆谥袧B儲層。

表1 研究區(qū)煤層孔隙率與滲透率

2 低滲透煤層水力壓裂增透技術(shù)

2.1 地面直井井位選擇

研究區(qū)位于新景礦北九正副巷附近千米鉆機施工區(qū)域西部復(fù)雜構(gòu)造帶的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有6條斷層和5個沖刷帶，在研究區(qū)斷層附近選取9口煤層氣井(見圖1)。一方面，這些逆斷層主要受擔山—佛洼北向斜構(gòu)造控制，煤層的煤化程度偏高，其形成過程中有大量瓦斯生成，造成該區(qū)域煤層含氣量高；另一方面，這些逆斷層屬于壓扭性斷層，對煤層瓦斯有一定的封閉作用，且其構(gòu)造作用會使該區(qū)域的煤層結(jié)構(gòu)破碎、有利于煤層瓦斯的運移和聚積，易發(fā)生煤與瓦斯突出[13-14]。

稱取每份5.0 g的刺葡萄皮6份，各加入0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%鹽酸溶液100 mL，于40℃恒溫下水浴浸提40min，過濾，于波長523 nm處測定刺葡萄皮花青素的OD值，確定浸提溶劑質(zhì)量分數(shù)。

由于礦井地質(zhì)構(gòu)造對煤體結(jié)構(gòu)及煤層瓦斯賦存具有主導(dǎo)控制作用，從而使復(fù)雜構(gòu)造帶成為典型構(gòu)造軟煤瓦斯富集區(qū)，屬于一級和特級瓦斯地質(zhì)類型區(qū)域[15]。采用地面直井壓裂技術(shù)對主采煤層進行壓裂增透，使煤層氣直井水力壓裂形成的煤層高滲區(qū)與地質(zhì)構(gòu)造附近煤層的高滲區(qū)相互溝通，實現(xiàn)更大范圍的煤層防突，為提高礦井采掘進度和保證礦井安全生產(chǎn)提供根本保障[16]。

2.2 直井水力壓裂增透機理

煤層水力壓裂是煤儲層改造的關(guān)鍵技術(shù)，其機理是利用地面高壓泵組，以超過地層吸液能力的排量將壓裂液泵入鉆井內(nèi)，在鉆井底部產(chǎn)生高壓區(qū)，其壓力隨注水壓力的增加而增大[17]。當高壓區(qū)壓力超過地層力學(xué)強度后，在儲層中出現(xiàn)初始損傷，形成起裂裂縫，損傷區(qū)應(yīng)力得到釋放，并且高壓區(qū)隨壓裂液向外逐步擴展前移，出現(xiàn)在損傷區(qū)裂縫前端，范圍逐漸增大，并在宏觀裂縫前端周圍形成應(yīng)力集中，發(fā)生微裂紋的萌生和穩(wěn)定擴展，當這種損傷發(fā)展到一定程度后，將在某一方向上形成力學(xué)薄弱面，裂紋將沿此方向向前擴展，使儲層損傷成為連鎖反應(yīng)，宏觀裂縫得以進一步擴展和延伸。隨后注入帶有支撐劑的攜砂液，使水力裂縫繼續(xù)發(fā)育，并得到有效支撐，最終在儲層中形成具有一定長度和寬度、彼此相互連通的填砂裂縫帶[18-19]。

2.3 直井鉆井壓裂工藝

新景礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造軟煤發(fā)育，部分巖層強度低，直井裸眼完井井壁穩(wěn)定性差，故采用直井套管方式完井和水泥漿方式固井，采用高密度深穿透射孔技術(shù)射孔，壓裂液采用清潔活性水壓裂液。

因煤層埋藏較淺，閉合應(yīng)力較低，為提高裂縫導(dǎo)流能力，煤儲層水力壓裂選擇細—中—粗粒石英砂為支撐劑。并采用低砂比和逐級加砂模式，砂比由低到高依次加入，顆粒也由小到大依次加入，直至所劈開裂縫幾乎被全部支撐，達到遠距離支撐裂縫的目的。煤層井煤層水力壓裂工藝參數(shù)如表2所示。

表2 煤層井煤層水力壓裂工藝參數(shù)

3 地面直井水力壓裂效果評價

3.1 地面直井壓裂效果分析

按照上述的鉆井壓裂方案，對研究區(qū)9口地面煤層氣井進行水力壓裂，獲取煤層氣井水力壓裂綜合曲線圖，分析壓裂過程中油壓、排量和砂比等相關(guān)參數(shù)，綜合考慮并分析地質(zhì)構(gòu)造即斷層和褶皺對壓裂效果的影響。煤層氣井水力壓裂綜合曲線如圖2所示。

(a)XJ-2

(b)XJ-3

(c)XJ-4

(d)XJ-5

(e)XJ-6

(f)XJ-7

(g)XJ-8

(h)XJ-9

(i)XJ-10

由圖2可以看出，研究區(qū)的瓦斯抽采井壓裂曲線的差異較大，壓裂曲線可以分為3種成因。

1)構(gòu)造控制。研究區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造容易導(dǎo)致抽采井附近的煤層出現(xiàn)氣水異常。例如XJ-4井位于擔山—佛洼北向斜軸部，抽采煤層頂板為下石盒子組砂巖裂隙含水層，底板為山西組砂巖裂隙含水層(K7)，向斜軸部聚水，儲層供液能力增強，排采強度增大，壓降不易傳遞，導(dǎo)致儲層壓力很難降低。位于斷層附近的煤層容易發(fā)生壓裂裂縫溝通斷層，如XJ-5、XJ-6和XJ-7井，受走向NW的3條壓扭性逆斷層和擔山—佛洼北向斜控制。由于斷層構(gòu)造的控制作用，煤層煤化程度較高，構(gòu)造軟煤發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)破碎。造成壓裂施工后期提高砂比時，施工壓力下降。

2)沉積環(huán)境控制。研究區(qū)內(nèi)古沖刷帶附近，早期形成的煤層受到河流沖蝕作用，此區(qū)域煤層頂?shù)装鍘r性組合由較軟、變形量較大的粉砂巖或泥巖變?yōu)橛捕却?、致密、封蓋能力強的砂巖，在構(gòu)造發(fā)生形變時，致使煤層與頂?shù)装鍘r層之間出現(xiàn)相對滑動和揉搓，形成煤體結(jié)構(gòu)破壞區(qū)，壓裂過程中粉煤堵塞了正常的滲流通道，如XJ-8和XJ-9井。

3)工程技術(shù)影響。依據(jù)這幾口井的現(xiàn)場壓裂報告可知，XJ-2井在排采前期，由于設(shè)備故障導(dǎo)致較長時間停機，可能產(chǎn)生了由非連續(xù)排采引起的“氣鎖效應(yīng)”“賈敏效應(yīng)”和“速敏效應(yīng)”，滲流通道被堵塞。XJ-10井附近存在一條巷道，壓裂裂縫可能溝通了該巷道。

煤層氣井壓裂效果評價見表3。

表3 煤層氣井壓裂效果評價

綜合上述分析，XJ-5、XJ-6、XJ-7、XJ-8 井產(chǎn)氣量較高，總產(chǎn)氣量均在1×105m3以上，其中XJ-5井總產(chǎn)氣量最高，達到8.03×105m3；XJ-2、XJ-3、XJ-4和XJ-10井產(chǎn)氣量遠低于XJ-5井，其中XJ-4井總產(chǎn)氣量最低，僅為2 847 m3。

3.2 復(fù)雜構(gòu)造帶地面直井壓裂煤層防突效果井下考察分析

新景礦北區(qū)3216綜采工作面位于XJ-8井附近，在XJ-8井壓裂抽采影響范圍內(nèi)的3216瓦斯治理巷、3216切巷、3216回風巷和3216輔助進風巷各布置2個鉆孔進行煤心取樣，測定取樣地點煤層的瓦斯含量w、鉆屑瓦斯解吸指標k1和堅固性系數(shù)f值，用以考察地面壓裂直井瓦斯抽采防突效果。取樣點位置和測定結(jié)果如表4所示。

表4 3216綜采工作面煤與瓦斯突出危險性評價結(jié)果

由表4可見，XJ-8井完成抽采后，3#煤層平均瓦斯含量為11.47 m3/t，比原始瓦斯含量14 m3/t降低了2.53 m3/t；平均鉆屑瓦斯解吸指標k1為0.34 mL/(min1/2·g)，相較于原始地層的平均鉆屑瓦斯解吸指標0.64 mL/(min1/2·g)降低了0.31 mL/(min1/2·g)，降幅達到48%，大大低于臨界值0.5 mL/(min1/2·g)，消除了采掘工作面的煤與瓦斯突出危險性。同時，相較于原始煤層最大堅固性系數(shù)f值為0.3～0.4，煤層最大堅固性系數(shù)f值出現(xiàn)明顯增大，增大至0.59～0.66，經(jīng)地面水力壓裂過后的煤體變硬，從而進一步消除了煤與瓦斯突出危險性。

4 結(jié)論

1)地面水力壓裂是研究區(qū)煤層增透的有效方法，壓裂后煤層裂縫平均半翼縫長超過100 m，平均縫寬超過15 mm，煤層滲透率明顯增大，特別是位于向斜構(gòu)造控制的封閉性逆斷層構(gòu)造帶和沖刷帶煤層滲透率大幅增高，表明水力壓裂對復(fù)雜構(gòu)造帶煤層瓦斯治理具有顯著效果。

2)試驗證明，復(fù)雜構(gòu)造帶地面井水力壓裂抽采瓦斯技術(shù)能夠有效降低煤層瓦斯含量與瓦斯壓力，降低突出煤層發(fā)生煤與瓦斯突出的概率，從而提高煤巷安全高效掘進速度，有效緩解礦井工作面采掘失衡的情況，具有良好的安全效益。

3)經(jīng)過地面井瓦斯抽采，研究區(qū)噸煤瓦斯含量下降了2.53 m3/t，累計抽采瓦斯175.4萬m3，平均日產(chǎn)氣量2 622.3 m3，平均月產(chǎn)氣量7.46萬m3，平均瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù))96.23%。