低滲煤層井下水力壓裂增透技術應用研究

史小衛 林 萌 王思鵬

(河南省煤層氣開發利用有限公司,河南省鄭州市,450016)

低滲煤層井下水力壓裂增透技術應用研究

史小衛 林 萌 王思鵬

(河南省煤層氣開發利用有限公司,河南省鄭州市,450016)

闡述了井下水力壓裂的技術原理,介紹了配套的井下施工裝備及應用結果。結果表明,河南煤化集團鶴煤公司六礦2115掘進工作面經水力壓裂后,效檢超標率降至26%,有效掘進時間大幅增加,掘進速度平均提高了2倍以上;給出了三種抽采方式下的經濟效益對比分析情況,瓦斯井下壓裂抽采噸煤瓦斯治理成本僅為4.8元。

瓦斯治理 低滲透煤層 水力壓裂

我國煤礦瓦斯抽采效果總體不佳,主要受限于煤層的低透氣性和煤層松軟的結構特點,故提高松軟煤層的透氣性是亟待解決的難題。地面煤層氣井上壓裂能夠大規模地改善煤層透氣性差的問題,但一次性投入較大,排水降壓采氣周期較長,不能滿足煤礦生產的要求,而且地面開發技術目前還局限于原生結構保存較完好的煤層中。井下鉆孔預抽煤層瓦斯適用于開采單一煤層和煤層群開采首采突出礦井,其技術途徑主要有兩個:(1)通過預先松動原始煤體提高煤層的透氣性,如水力割縫、大直徑鉆孔預抽本煤層瓦斯和保護層開采技術等;(2)采用合理布孔實現本煤層邊采邊抽的卸壓抽采,如穿層網絡鉆孔、順層交叉鉆孔或迎面斜鉆孔布孔方式等。以上技術均取得了一定效果,但如果煤層賦存地質條件特殊時,采用這些技術松動卸壓的范圍不足以達到區域增透的目的,對此,本文對煤層水力壓裂增透技術進行了應用研究,以期解決特殊地質條件下低滲松軟煤層增透難題。

1 技術原理

在成煤過程中,煤層中發育了大量原生裂隙和孔隙,同時由于構造擠壓,在煤層內部產生了一系列與層面呈一定角度相交的構造裂隙,稱為切割裂隙。在原始狀態下的煤層層理、割理裂隙、原生微裂隙、孔隙存在的規模和尺度存在差異,這些裂隙弱面所在平面與原巖應力場中主應力方向之間的空間位置關系不同,導致了裂隙的連通程度不同,這決定了煤層透氣性的好壞。

煤層水力壓裂增透技術,即利用水的不可壓縮性,在煤層各弱面內對壁面進行支撐,使弱面發生張開、擴展和延伸,對煤層形成內部分割。在層理或切割裂隙張開度增大的過程中,其張開壁面的切向拉應力增加。當在某位置的切向拉應力大于與此相連的次級弱面的壁面之間的聯結力和相應切線方向的原始應力之和時,將在該位置處發生次級弱面起裂,水在壓力作用下進入其中,同樣發生上一級弱面所經歷的擴展延伸過程,依此規律反復發展下去,直至達到煤分層中的微裂隙,水便達到對煤層的逐級分割作用。這種分割過程一方面通過弱面的張開和擴展增加了裂隙等弱面的空間體積,提高層理或切割裂隙的張開度和導通性;另一方面通過裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之間的連通,從而形成一個相互交織的多裂隙連通網絡。正是由于這種裂隙連通網絡的形成,煤層透氣性才得到有效提高。

2 井下壓裂施工裝備

煤礦井下壓裂系統由高壓壓裂泵、水箱、流量表、壓力表、高壓管路和封孔器等組成,見圖1。

圖1 壓裂系統布置示意圖

壓裂泵采用三缸柱塞泵,最大工作壓力50 MPa,最大工作排量1.5 m3/min,具有多檔變速的特點,可以實現壓力和泵排量等參數的瞬時數據實時記錄和歷史曲線顯示的功能,集成了安全保護限值的功能,實現了超負荷運轉自動卸載。同時研發了遠程監控系統,對壓裂現場和設備進行了遠距離監視監控,使操作人員在環境較好且安全系數較高區域實時監控,保證壓裂施工能安全可靠運行。

3 工業性試驗

本系統先后在河南省的平頂山、鶴壁、鄭州、焦作、陜澠—義馬—新安、宜洛和禹縣等礦區共實施了千余次的工業性試驗,基本涵蓋了河南省不同地質類型的礦區。

3.1 回采工作面水力壓裂

中平能化集團十礦是河南省瓦斯涌出量最大的礦井。主采煤層屬難抽采煤層,原始煤層滲透率0.0013 mD,常規鉆孔瓦斯抽采衰減期不超過10天,平均單孔瓦斯流量僅2 m3/d。

己15-24080機巷走向長800 m,共完成了壓裂36孔次,高位巷完成壓裂11孔次。經過井下壓裂改造后,施工本煤層鉆孔130個,穿層鉆孔200個,累計并網抽采鉆孔 277個,鉆孔總長度25000 m,噸煤鉆孔長度達到0.048 mt。實測壓裂后透氣性系數0.15 mD,單孔瓦斯流量最高780 m3/d,最低25 m3/d,平均200 m3/d,經過28個月的連續抽采,至2011年2月份仍然有較大的抽采量,見圖2,工作面平均日抽采量為1340 m3/d,累計抽出瓦斯量約110萬m3,噸煤抽出瓦斯量約2 m3/t,相當于成功的地面煤層氣井的產氣量。

圖2 中平能化集團十礦24080工作面機巷抽采支管瓦斯抽采情況

3.2 掘進工作面水力壓裂

河南煤化集團鶴煤公司六礦2115工作面進風巷設計全長516 m,采用鉆場抽采或超前排放鉆孔進行邊掘邊抽的方式,每個鉆場布置12個抽采孔,單孔平均瓦斯日抽采量23.3 m3/d。自2006年5月開始掘進至2009年6月,由于預抽效果不達標,措施效檢超標率達到70%,措施重復率高,有效掘進時間短,累計掘進286 m,月平均進尺僅13.6 m。

2009年6月,該技術開始在鶴煤公司六礦2115工作面進風巷成功應用。壓裂后,各壓裂孔瓦斯抽采數據明顯提高,壓裂孔單孔的瓦斯抽采量就和壓裂前整個鉆場的瓦斯抽采量相當,煤體壓裂前后瓦斯抽采量見表1。

表1 煤體壓裂后瓦斯抽采量

在同樣的抽采負壓、抽采管路情況下,單孔日抽采瓦斯量達到190.9～1021 m3/d,為壓裂前最大日抽采量的7.7～41.3倍。由于壓裂孔抽采量的增加,進風巷瓦斯抽采總管道濃度由原來的15%升至22%。壓裂孔抽采量明顯提高,為巷道掘進提供了安全保障。截止2010年7月,該工作面壓裂后效檢超標率平均26%,大幅增加了有效掘進時間,掘進速度平均提高了2倍以上,實現了安全貫通。

4 經濟效益分析

為盡量避免由單孔抽采量差別導致計算數據誤差較大的問題,對比對象均選取一定區域的總量進行考察,如井下以整個回采工作面抽采支管考察數據為準,地面煤層氣井選取1 km2的13座煤層氣垂直井產氣量為考察范圍。井下抽采鉆孔施工成本以100元/m計,井下壓裂成本以10萬元/孔次計,煤層氣井單井單層壓裂施工成本以30萬元計,排采成本為年運營成本(含電費、人工工資等)15萬元/a,排采設備費用以50萬元/套計。核算的噸煤瓦斯治理成本分別為:井下壓裂抽采4.8元/t,常規抽采12.8元/t,地面壓裂預抽8.2元/t,因此,井下壓裂治理瓦斯可有效降低瓦斯治理投入,有效改善抽采效果。以平煤十礦己15-24080采煤工作面、戊9-20180采煤工作面以及山西晉城地區地面煤層氣井為例,分別對在采煤工作面井下壓裂抽采、不壓裂抽采,以及地面抽采進行應用參數對比,見表2。

表2 井下壓裂技術參數對比

5 結語

煤礦井下水力壓裂增透技術是針對單一、松軟、低滲煤層的具體特點,在煤礦井下已布置的巷道內,對未采區和采動影響區實施壓裂增透措施,能夠有效連通煤層內的原生裂隙和構造割理,提高裂縫的連通性和導流能力,從而大幅度增加煤層透氣性,經過大規模的工業性試驗應用證明,該技術能有效提高鉆孔瓦斯抽采效率,降低區域瓦斯治理措施工程成本,提高瓦斯治理工程功效。同時還存在如下難題需要進一步攻關研究:(1)針對大采長工作面的長鉆孔分段壓裂技術仍需要進一步攻關研究;(2)煤礦井下水力壓裂增透為高危行業中的高壓作業,當前相關的行業標準尚未頒布實施,缺乏指導性的作業規范和市場準入門檻標準。

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合防治技術[M].北京:煤炭工業出版社,2001

[2]何學秋,周世寧.煤和瓦斯突出的流變機理[J].煤礦安全,1992(1)

[3]劉鶴年.流體力學[M].北京:中國建筑工業出版社,2001

(責任編輯 梁子榮)

Hydraulic pressurized cracking and permeability improvement technology applied to low permeability coal seam

Shi Xiaowei,Lin Meng,Wang Sipeng
(Henan Provincial Coal Seam Gas Development and Utilization Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan 450016,China)

The principle of hydraulic pressurized cracking technique was discussed and the support equipments for the construction in the pit were developed and applied to the coalmine.The results show that the over limit rate of the gas effect inspection index was reduced to 26%after hydraulic pressurized cracking on No.2115 working face in No.6 Mine of Hebi Mining Corporation,Henan Coal Chemical Industry Group.The effective driving time was greatly prolonged.The driving rate was over 2 times higher than previous in average.The economic analysis of three kinds of gas drainage teehnics shows that the cost for gas drainage by hydraulic pressurized cracking is RMB 4.8 yuan/t.

gas control,low permeability coal seam,hydraulic pressurized cracking

TD712.62

A

史小衛(1982-),男,河南焦作人,工程師,碩士,主要從事煤礦瓦斯防治和煤層氣勘探開發研究工作,現任河南省煤層氣開發利用有限公司礦山安全工程分公司總工程師。