順層鉆孔水力壓裂增滲技術(shù)在單一低透氣性煤層的應(yīng)用

薛志鵬

(山西煤礦安全培訓(xùn)中心，山西 太原 030012)

在低透氣性的煤層中，常規(guī)鉆孔布置及參數(shù)在進(jìn)行預(yù)抽采的過程中難以滿足要求。采用順層水力壓裂技術(shù)，是在利用高壓水的沖擊力的前提下，在煤層中鉆取順層鉆孔，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。低透煤層煤礦井下順層壓裂工藝在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到為滿足井下防爆、多量程穿層壓裂等要求，需要采用大流量泵體[1]。順層水力壓裂過程中的高壓水，除較少部分通過返排孔流出，大部分通過煤裂隙流出或浸潤煤基質(zhì)被截留[2]。起裂所需壓力大于裂紋擴(kuò)展壓力，鉆孔起裂后,裂紋一般只在弱面上繼續(xù)擴(kuò)展，而其余方向裂紋不再發(fā)育[3]。

為減少水量流失，滿足裂隙擴(kuò)展的范圍與程度需要，滿足寺家莊礦井下實(shí)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，設(shè)計優(yōu)化水壓目標(biāo)方向，改進(jìn)水力壓裂在順層條件的實(shí)際生產(chǎn)工藝，消除瓦斯治理盲區(qū)的相關(guān)工程實(shí)驗(yàn)。并建立對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(diǎn)研究壓裂壓力更加符合實(shí)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(shí)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)備提出更高的技術(shù)要求的同時，還容易造成壓裂過程的煤與瓦斯突出[8]。壓裂孔視平面應(yīng)力問題，如圖2所示，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。

圖1 順層鉆孔設(shè)備及管路連接示意

圖2 煤層壓裂孔周圍應(yīng)力狀態(tài)

小主應(yīng)力隨著壓裂壓力P增大而降低，最大裂紋擴(kuò)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(shí)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)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

1.2 封孔長度

根據(jù)現(xiàn)場壓裂試驗(yàn)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，一方面容易密封不嚴(yán)，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，這對回采具有很大的不利影響。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，每個壓裂孔的封孔長度不得少于20 m，封孔示意如圖3所示，壓裂前準(zhǔn)備、施工工藝流程如圖4所示。

圖3 順層封隔器封孔示意

圖4 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)行修正后再進(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(yàn)

2.1 順層鉆孔壓裂鉆孔布置

根據(jù)寺家莊礦15301工作面煤層地質(zhì)情況及工作面的實(shí)際生產(chǎn)情況，試驗(yàn)區(qū)域距構(gòu)造區(qū)域50 m，在試驗(yàn)區(qū)，先對壓裂時間及壓裂影響半徑進(jìn)行試驗(yàn)考察，圖5為壓裂孔及考察孔設(shè)計圖，圖中藍(lán)色鉆孔為壓裂孔，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。另外考察孔K1下管30 m，“兩堵一注”水泥砂漿封孔20 m，孔口安裝閘閥(壓裂時處于開啟狀態(tài))，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)計表如表2所示。

圖5 采煤工作面壓裂半徑考察鉆孔布置圖

表2 壓裂半徑考察孔參數(shù)設(shè)計

15301工作面順層孔水力壓裂試驗(yàn)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，順層水力壓裂鉆孔設(shè)計孔徑94 mm，孔深120 m，圖中藍(lán)色鉆孔為壓裂鉆孔(Y1～Y20號孔)。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1個考察孔(K1～K21號孔)。

15301工作面進(jìn)風(fēng)巷順層壓裂鉆孔及考察孔設(shè)計圖如圖6所示，施工參數(shù)如表3所示。在井下施工過程中，要達(dá)到鉆孔的有效性，這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。

圖6 15301工作面回風(fēng)巷順層水力壓裂鉆孔及輔助孔設(shè)計圖(m)

表3 15301工作面順層鉆孔壓裂參數(shù)設(shè)計

15301工作面完成了7個順層鉆孔壓裂，壓裂情況如表4所示。

表4 15301工作面順層鉆孔壓裂情況

2.2 順層鉆孔水力壓裂效果考察

根據(jù)壓裂現(xiàn)場實(shí)施情況，完成壓裂影響半徑、抽采效果等考察工作，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(kuò)展范圍即為壓裂有效半徑，且裂縫擴(kuò)展后，破壞了煤層的原始結(jié)構(gòu)，因此在施鉆過程中，會出現(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，由于高壓水的驅(qū)趕作用，煤層內(nèi)的游離瓦斯將被驅(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，可解吸瓦斯含量較原始含量減小的區(qū)域即為壓裂有效半徑范圍。為縮短考察時間，本次試驗(yàn)效果考察將采用直接法測定壓裂區(qū)域的可解吸瓦斯含量。鉆孔施工過程中測定距壓裂孔不同距離處的瓦斯含量，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，直觀說明了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)，可以直觀地反應(yīng)壓裂對煤體的增透作用，統(tǒng)計試驗(yàn)孔與對比孔的抽采量及抽采濃度，即可表征試驗(yàn)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，立即進(jìn)行封孔聯(lián)抽；試驗(yàn)孔在鉆孔后，需要進(jìn)行水力壓裂，完成后再封孔聯(lián)抽，根據(jù)鉆孔瓦斯抽采量，鉆孔控制范圍、結(jié)合抽采區(qū)域煤層瓦斯含量(根據(jù)抽采效果配合考察)。

寺家莊礦井下順層孔的抽放單元根據(jù)實(shí)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(shí)際在工作面外圍200 m，如圖7所示。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7 不同區(qū)施工對比圖(m)

由圖8與圖9可知，在15301進(jìn)風(fēng)試驗(yàn)地點(diǎn)，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.

圖8 不同區(qū)瓦斯抽采濃度變化

圖9 不同區(qū)瓦斯抽采純量變化

3 結(jié) 語

1) 采用順層鉆孔壓裂水力技術(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(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行順層鉆孔水力壓裂效果的研究，改進(jìn)得到水力壓力在單一低透氣性煤層的實(shí)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)。