馬堡煤礦15#煤層水力壓裂增透技術(shù)研究

耿增達(dá),趙紅星

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長治有限公司,山西 長治 046000）

1 工作面概況

山西馬堡煤業(yè)有限公司（簡稱馬堡礦）位于武鄉(xiāng)縣城東北53km處墨鐙鄉(xiāng)馬堡村，隸屬于山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長治有限公司，生產(chǎn)能力為1.5Mt/a，屬高瓦斯礦井，主采8#、9#、15#煤層。15108綜放工作面位于井田15#煤層一采區(qū)，走向長度1627m，傾向長度180m。經(jīng)實(shí)測15108綜放工作面煤層瓦斯含量為10m3/t左右，現(xiàn)有瓦斯抽采措施抽采效果差，造成生產(chǎn)過程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸蓿瑸榇耍O(shè)計(jì)在15108回采工作面開展高壓水力壓裂增透試驗(yàn)提高瓦斯抽采率。

2 水力壓裂增透技術(shù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

2.1 水力壓裂增透技術(shù)的原理

煤層水力壓裂增透就是將一定流量的高壓水注入煤層中，煤層在水壓作用下產(chǎn)生并裂隙并發(fā)育變寬變長，使煤體滲透系數(shù)不斷加大，提高媒體透氣性，從而提高瓦斯抽采效果。水力壓裂增透的物理原理可簡要概括為：高壓水注入煤層借助流體水在煤層各種弱面內(nèi)對弱面兩壁面的支撐作用使煤層內(nèi)部弱面張開、擴(kuò)展和延伸，從而形成內(nèi)部分割，分割不但增加了裂隙等弱面的體積，而且使裂隙延伸從而增加了裂隙之間的連通，最終形成一個(gè)相互交織的多裂隙貫通網(wǎng)絡(luò)[1-6]。

2.2 水力壓裂增透實(shí)驗(yàn)流程

2.2.1 水力壓裂試驗(yàn)地點(diǎn)

水力壓裂增透技術(shù)試驗(yàn)地點(diǎn)選取15108工作面回風(fēng)順槽。

2.2.2 水力壓裂鉆孔布置及封孔

根據(jù)15108回采工作面煤層特點(diǎn)，施工鉆孔4個(gè)，其中包括檢驗(yàn)孔2個(gè)，壓裂孔2個(gè)。鉆孔布置如圖2-2所示，鉆孔參數(shù)為：鉆孔直徑113mm，開孔高度1m，傾角1°，與巷道夾角90°，鉆孔長度50m。

完成鉆孔施工后立即進(jìn)行封孔，檢驗(yàn)孔采用φ65阻燃抗靜電PVC管和專用封孔材料封孔，封孔深度8m。壓裂孔采用橡膠注水封孔器連接φ32加厚無縫鋼管，無縫鋼管每根2m，采用螺紋連接，采用專業(yè)封孔材料封孔，封孔長度20m。封孔后將各孔連接抽采管路并安裝孔板流量計(jì)，每天觀測鉆孔瓦斯?jié)舛群土髁浚B續(xù)觀測5天，并做好記錄。

2.2.3 水力壓裂設(shè)備及儀表

選用額定壓力為31.5MPa，最大排量為300L/min的乳化液泵。為便于操作和控制，壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，采用直感耐震壓力表對注水壓力進(jìn)行觀測。此次試驗(yàn)的壓裂泵上和注水管上配備的壓力表量程均為 60MPa。

2.2.4 水力壓裂實(shí)驗(yàn)過程

（1）準(zhǔn)備工作就緒后開始對4#孔進(jìn)行壓裂作業(yè)，初始壓力為5MPa，然后逐步提升壓力，當(dāng)發(fā)現(xiàn)3#觀測孔出現(xiàn)滴水現(xiàn)象并有逐漸增大趨勢，注水壓力迅速降低至4MPa左右，隨即停泵并關(guān)閉閘閥結(jié)束注水，試驗(yàn)最高注水壓力為16 MPa，累計(jì)注水時(shí)間14min，注水量4.2m 左右。

（2）同上述步驟依次對2#壓裂孔進(jìn)行注水作業(yè)，最高注水壓力達(dá)到13 MPa時(shí)，水壓開始驟降至3MPa，累計(jì)注水時(shí)間13min，注水量3.9m 左右。通過觀察發(fā)現(xiàn)，壓裂孔封孔處有水流出，而觀測孔沒有水流出，說明壓裂孔封孔沒有達(dá)到強(qiáng)度要求，2#孔注水壓裂失敗。由數(shù)據(jù)可知：15108綜放工作面水力壓裂實(shí)驗(yàn)煤層破裂壓力為16 MPa左右，壓裂半徑大于4m。

3 水力壓裂增透抽采效果分析

打開閘閥開始放水，放水 6小時(shí)候后將3#、4#孔分別連接至瓦斯抽采管路并安裝孔板流量計(jì)，每天測量單孔瓦斯抽采濃度和流量。連續(xù)觀測15天，并整理數(shù)據(jù)可知：3#觀測孔封孔后瓦斯抽采純量為0.0142m /min，濃度最大為9.4%；壓裂前抽采純量為0.0081 m /min，濃度為8.5%，平均瓦斯抽采純量為0.01 m /min。壓裂后最大抽采純量為0.043 m /min，最大抽采濃度為18.2%；最小抽采純量為0.0161 m /min，最小抽采濃度為12.1%。壓裂后平均瓦斯抽采純量為0.0211 m /min，15天內(nèi)累計(jì)抽采瓦斯455.76 m 。

4#壓裂孔封孔后瓦斯抽采純量為0.0153m /min，濃度為10.2%；壓裂前抽采濃度為7.6%，抽采純量為0.007 m /min，平均抽采純量為0.009 m /min。壓裂后最大抽采純量為0.0578 m /min，最大抽采濃度為26.8%；最小抽采純量為0.0188 m /min，最小抽采濃度為14.4%。壓裂后平均瓦斯抽采純量為0.0274m /min，15天內(nèi)累計(jì)抽采瓦斯591.84 m 。

水力壓裂結(jié)束后3#觀測孔和4#壓裂孔瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化曲線如圖1所示，瓦斯抽采純量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖1 鉆孔抽采濃度變化曲線

圖2 鉆孔抽采純量變化曲線

由圖2可知，壓裂結(jié)束當(dāng)天為瓦斯抽采量最大值， 3#孔抽采純量達(dá)到0.043 m /min，4#孔瓦斯抽采純量達(dá)到0.0578 m /min。瓦斯抽采量隨時(shí)間變化而漸低，15天后3#孔抽采量穩(wěn)定在0.016 m /min左右，4#孔抽采量穩(wěn)定在0.019m /min左右。期間瓦斯抽采量有波動現(xiàn)象，原因是壓裂注入煤層的水自然排出，煤層裂隙舒展，形成瓦斯流動通道，使瓦斯抽采量增大。

根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析可知，3#觀測孔水力壓裂前后最大瓦斯抽采量增大了約3倍，平均瓦斯抽采量增大了約2.1倍；4#壓裂孔注水壓裂前后最大瓦斯抽采量 增大了約3.8倍，平均瓦斯抽采量增大了約3倍。根據(jù)壓裂時(shí)觀測孔有水涌出現(xiàn)象得知，水力壓裂鉆孔在煤層走向上的壓裂半徑大于4m。

4 結(jié)論

（1）15108工作面煤層注水壓力為16MPa時(shí)，水力壓裂鉆孔在煤層走向方向上的影響半徑超過4m。

（2）壓裂前后鉆孔最大瓦斯抽采流量增大3倍以上，平均流量增大2倍以上，大幅提高了煤層透氣性和鉆孔瓦斯抽采效果，縮短了抽采周期。

（3）壓裂后增加煤層瓦斯抽采半徑4倍以上，鉆孔施工間距同時(shí)可增加四倍以上，大幅降低了鉆孔施工量。

（4）鉆孔水力壓裂后，通過瓦斯抽排，降低了其影響范圍內(nèi)的煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，改變了煤體內(nèi)部應(yīng)力分布，可以在一定程度上降低或消除突出隱患。

（5）壓裂后煤體內(nèi)水分增加，可以降低采掘過程中的煤塵產(chǎn)生量，改善井下作業(yè)環(huán)境。

[1]湖南省紅衛(wèi)煤礦,遼寧省煤炭研究院.水力壓裂增透排放瓦斯防止突出初步試驗(yàn)[J].煤礦安全,1973,11(01):1-10.

[2]周軍民.水力壓裂增透技術(shù)在突出煤層中的試驗(yàn)[J].中國煤層氣,2009,6(03):34-39.

[3]趙陽升,楊棟,胡耀青,段康廉,馮增朝,趙嵐.低滲透煤儲層煤層氣開采有效技術(shù)途徑的研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2001:455-458.

[4]姚尚文.高瓦斯低透氣性煤層強(qiáng)化增透抽采瓦斯技術(shù)研究[D].2005.

[5]姜瑞忠,蔣廷學(xué),汪永利.水力壓裂技術(shù)的近期發(fā)展及展望[J].石油鉆采工藝,2004:52-57.

[6]呂有廠.水力壓裂技術(shù)在高瓦斯低透氣性礦井中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2010(07):102-107.