本煤層鉆孔水力壓裂增透技術研究

王珂

（山西煤礦礦用安全產品檢驗中心，太原 030012）

本煤層鉆孔水力壓裂增透技術研究

王珂

（山西煤礦礦用安全產品檢驗中心，太原 030012）

為了解決五陽煤礦煤層瓦斯含量高、煤層透氣性低、瓦斯抽采效率低下的問題，在7806上巷進行了水力壓裂增透現場試驗，對本次壓裂選擇合適的配套設備，對水力壓裂的工藝流程進行合理的分析說明，提出了一種新型的封孔方法“傾斜布袋式帶壓封孔技術”。該封孔技術滿足壓裂孔的封孔質量標準；對2號孔進行了重復壓裂，對于3號孔進行了一次壓裂，壓裂后2號鉆孔自然瓦斯流量是壓前的3.79倍，瓦斯流量衰減系數降低56.65%，煤層透氣性系數為壓前的5.69倍，3號鉆孔瓦斯流量是壓前的3.57倍，瓦斯流量衰減系數降低69.04%，壓后煤層透氣性系數是壓前的5.08倍；最后確定了本次水力壓裂半徑不小于11.7 m。

低透氣性煤層；鉆孔；水力壓裂；瓦斯抽采

大量試驗和理論研究表明，隨著煤層開采深度的增加，地應力不斷增加，煤層透氣性系數隨之減小，從而制約了煤層瓦斯的抽采效果，并在很大程度上影響了礦井的正常接替[1-3]。五陽礦井正面臨著這樣的問題，開采深度向深部延伸，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量與地應力大體呈線性增加，瓦斯災害成為制約該礦安全、高效生產的第一因素，現行的瓦斯治理措施已難以滿足高效生產的需求，迫切需要一種新型區域和局部治理工藝，以徹底改變目前抽采困難、采掘接替緊張的局面。水力壓裂正是為了滿足這一需求而誕生的一種集區域和局部瓦斯治理為一體的新工藝。該工藝將地面煤層氣開發的成熟技術移植到井下，針對不同的煤體結構采用不同的壓裂方案，以達到增透、提高抽采效率、縮短抽采時間的目的。

1 礦井概況

山西潞安五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內，根據礦井生產能力及煤層賦存條件，五陽煤礦現在僅開采3號煤層，目前共布置2個生產采區，即76和78采區。每個采區布置1個綜采放頂煤工作面和4個掘進工作面。采煤方法為走向長壁后退式采煤法，生產方式為綜采放頂煤。頂板管理方法為全面跨落法管理頂板。

本試驗所在的7806工作面位于+600 m水平的78采區，絕對涌出量9.0 m3/min，瓦斯時常超限，對采掘生產產生了一定的影響，且會出現小型瓦斯動力現象。

2 水力壓裂增透原理

水力壓裂是利用高壓水進入煤體，在煤體的孔隙-裂隙中借助煤壁弱面的支撐作用，高壓水克服鉆孔壁的摩擦阻力作用，壓入速度大于水的濾失速度時，高壓水的內水壓力增大，達到煤壁的抗拉強度后，在裂隙尖端形成應力集中，使裂隙張開，并進入下一級弱面，產生更多的人為裂隙，使裂隙相互貫通并形成裂隙網絡，增大煤體透氣性，增加煤體吸附瓦斯的解吸作用，提高瓦斯抽采效果，降低了瓦斯含量及煤層所含的瓦斯壓力[4-6]。

3 水力壓裂試驗情況

3.1 壓裂地點

通過井下實地考察并結合參數測試結果及現場施工條件，選定7806上巷作為井下鉆孔水力壓裂的試驗地點，本次壓裂試驗設置2個壓裂孔和3個檢驗孔，鉆孔布置位置示意，見圖1。

圖1 鉆孔布置位置示意圖

3.2 壓裂設備及工藝

煤層水力壓裂系統由壓裂泵、流量計、壓力表、封孔器等組成，煤礦井下鉆孔水力壓裂設備系統，見圖2。

圖2 煤礦井下鉆孔水力壓裂設備系統

本次壓裂選用傾斜布袋式帶壓封孔技術，該方法的思路基于加壓水泥漿滲入抽采孔壁裂隙，封閉裂隙提高封孔質量，防止鉆孔漏氣，提高抽采濃度和抽采效果，壓裂鉆孔施工完成后，對瓦斯壓力、瓦斯含量及自然瓦斯流量進行測試，計算出壓前百米鉆孔瓦斯流量衰減系數和煤層透氣性系數，壓裂過程中，嚴格按照壓裂規程及安全技術措施進行施工，對不同的時刻的注水壓力值及注水流量進行數據記錄，壓裂鉆孔附近布置甲烷傳感器，并時刻觀察壓裂區域的瓦斯濃度、煤壁有無漏水及煤壁有無片幫及移動現象，壓裂進行以后，先對壓裂孔進行自然流量測試，并在壓裂鉆孔附近施工檢驗孔，對壓前壓后的瓦斯參數變化情況進行對比，分析壓裂的效果。水力壓裂工藝，見圖3。

圖3 水力壓裂工藝圖

3.3 壓裂過程

3.3.13 號鉆孔水力壓裂

2013年8月12日，進行3號鉆孔水力壓裂試驗，11∶50開始，13∶47結束，歷時117 min，總注入水量約42 m3。本次壓裂因安全銷被切斷而被迫終止。壓裂結束后，現場技術人員發現距3號壓裂孔約80 m處的底抽巷頂板漏水，表明煤層裂隙已經延伸并連通，本次壓裂成功。3號鉆孔壓裂施工曲線（不包括洗孔過程），見圖4。

圖4 3號鉆孔水力壓裂施工曲線

3.3.2 2號鉆孔水力壓裂

1）2 號鉆孔一次壓裂。2013年8月14日，進行2號鉆孔水力壓裂試驗，12∶00開始，14∶37結束，歷時157 min，總注入水量約58.8 m3。2號鉆孔壓裂施工曲線（不包括洗孔過程），見圖5。

圖5 2號鉆孔一次壓裂施工曲線

2）2號鉆孔二次壓裂。為進一步提高水力壓裂效果，2013年8月15日，進行了2號鉆孔二次水力壓裂試驗，12∶06開始，14∶37結束，歷時157 min，總注入水量約62 m3。2號鉆孔二次壓裂施工曲線（不包括洗孔過程），見圖6。

圖6 2號鉆孔二次壓裂施工曲線

3.4 水力壓裂效果分析

2號、3號鉆孔壓前壓后百米鉆孔瓦斯流量用曲線圖來表示，見圖7。

圖7 2號、3號鉆孔壓裂前后瓦斯流量曲線圖

可以看出：對2號壓裂孔而言，其壓裂前自然瓦斯流量平均值為14.04 L/min，3號壓裂孔壓前的自然瓦斯流量為8.07 L/min，2號壓裂孔壓裂后自然瓦斯流量平均值為53.11 L/min，3號壓裂孔壓裂后自然瓦斯流量為28.84 L/min。采用井下鉆孔水力壓裂技術，2號鉆孔自然瓦斯流量為壓前的3.79倍，3號鉆孔瓦斯流量為壓前3.57倍，由于本次封孔嚴密壓前及壓后瓦斯濃度量均較高，基本達到純量，故不對其自然濃度進行比較。

試驗結果數據表明，對于2號壓裂孔而言，壓裂后鉆孔瓦斯流量衰減系數降低56.65%，鉆孔極限瓦斯排放量是壓前的6.15倍；對于3號壓裂孔而言，壓裂后鉆孔瓦斯流量衰減系數降低69.04%，鉆孔極限瓦斯排放量是壓前的1.63倍。

就壓裂前后煤層透氣性系數而言，對于2號壓裂孔而言，壓裂后煤層透氣性系數為壓前的5.69倍；對于3號壓裂孔而言，壓裂后煤層透氣性系數是壓前的5.08倍。

通過對檢驗孔的瓦斯流量、抽采量及打鉆出水情況可以推測，本次水力壓裂的壓裂半徑至少大于11.7 m。

4 結論

當注水壓力為27～30 MPa時，水力壓裂鉆孔在煤層走向方向上的影響半徑可達到11.7 m以上，壓裂以后煤層的瓦斯流量、透氣性能都得到了明顯提高，鉆孔的流量衰減系數得到一定程度的降低，從而降低或消除了一定范圍內的突出隱患。壓裂過程使煤體水分增加，對改善井下作業環境、控制粉塵濃度有一定作用。

[1]林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術[M].徐州：中國礦業大學，1988.

[2]趙陽升，楊棟，胡耀青，等.低滲透煤儲層氣開采有效技術途徑的研究[J].煤炭學報，2001，26（5）：455-458.

[3]孫炳興，王兆豐.水力壓裂增透技術在瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術，2010，38（11）：78-81.

[4]趙慶珍，馮海朝，王鵬.水力割縫對工作面煤壁與頂板穩定性的影響研究[J].山西煤炭，2010，30（6）：41-43.

[5]張國華.本煤層水力壓裂致裂機理及裂隙發展過程[D].阜新：遼寧工程技術大學，2013.

[6]李學臣.提高單一透氣性煤層抽放效果的增透途徑[J].煤礦安全，2011，42（4）：90-92.

Permeability Enhancement Technology by Hydraulic Fracturing for Boreholes in Single Coal Seam

WANG Ke
(Shanxi Mine Safety Products Testing Center,Taiyuan 030012,China)

To solve such problems as high content of gas,low permeability,and low efficiency of gas drainage,a permeability enhancement experiment was conducted at the upper roadway of No.7806.Corollary equipment and process of the hydraulic fracturing were explained.The paper proposes a new borehole sealing method,inclined sack-type pressurized sealing technology,which could satisfy the quality standards for the fracturing boreholes.No.2 borehole was fractured twice and No.3 borehole once.After fracturing No.2 borehole,its gas flow increased at 3.79 times,attenuation coefficient reduced by 56.65%, and permeability coefficient increased at 5.69 times compared the gas flow before fracturing.For No.3 borehole,its gas flow increased at 3.57 times,the attenuation coefficient reduced by 69.04%,and the permeability coefficient increased at 5.08 times.Finally,hydraulic radius is determined to be greater than or equal to 11.7m.

low permeability coal seam;borehole;hydraulic fracturing;gas drainage

TD712

A

1672-5050（2015）03-0031-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.011

（編輯：樊敏）

2015-03-10

王珂（1975-），女，山西陽泉人，大學本科，高級工程師，從事煤礦安全生產技術管理工作。