地面水力壓裂對井下煤層瓦斯抽采影響分析*

劉進平，高 云，李 欣

(潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 046000)

0 引言

煤層氣開采既是我國清潔能源產業的重要組成部分，也是煤礦企業防治煤礦瓦斯動力災害的主要措施之一[1]。高河煤礦屬于典型的高瓦斯礦井，井下煤層瓦斯含量高，滲透率低，瓦斯抽采工作難度較大。

水力壓裂技術作為一項主要的水力化增透措施[2-4]，在石油工業被廣泛應用，效果十分顯著[5]。鑒于此，國內外學者對水力壓裂在煤層氣中的應用方面做了大量的研究工作[6]。呂有廠等[7]根據平煤十礦高瓦斯低透氣性的煤層賦存特性，研究利用本煤層水力壓裂技術成功地將壓裂后瓦斯抽采流量和濃度提高了5倍以上；韓金軒等[8]介紹了國內外現有的煤層氣儲層壓裂的手段和工藝；李安啟等[9]分析并評估了實踐過程中形成復雜壓裂裂隙系統的影響因素；王耀鋒等[10]綜述了國內水力化煤層增透技術的研究進展，為水力化措施解決低透氣性煤層瓦斯抽采難題指明了方向；賈同千等[11]研究并驗證了復雜地質低滲煤層水力壓裂-割縫綜合瓦斯增透技術，取得了很好的效果；翟成等[12]通過開展不同壓力、頻率條件下型煤試樣的脈動水力壓裂實驗，認為脈動水力壓裂比普通水力壓裂卸壓增透具有更好的應用效果。然而，對于地面水力壓裂鉆井影響井下煤層瓦斯抽采規律的研究，特別是對于煤礦實踐過程的相關研究內容較少。因此，為了探討地面水力壓裂鉆井在提高井下煤層滲透率，降低煤層瓦斯含量的可行性和效果，自2013年起，高河煤礦在全礦井范圍內實施地面壓裂鉆井抽采3#煤層瓦斯[13]，同時，通過壓裂作業在3#煤層中建立主裂縫，并對煤儲層固有的孔隙裂隙進行了溝通，進而增強了煤儲層滲流能力，提高了煤層氣井的產能和井下瓦斯抽采效果。

1 礦區地面壓裂鉆井實施概況

1.1 地面壓裂井施工概況

水力壓裂是目前開采低滲透、超低滲透的非常規油氣資源的主要手段[14]。首先利用地面高壓泵組，通過井筒向地層注入大排量、高粘液體，在井底形成高壓液體，當該液體壓力超過地層承受能力時，便會在井底附近的地層形成裂縫。繼續注入攜帶支撐劑的液體，裂縫逐漸向前延伸，支撐劑起到支撐裂縫作用，形成了具有一定尺寸的高導流能力的填砂裂縫，使油氣輕松地通過裂縫流入井中，從而達到增透增產效果[15]。

高河煤礦全礦區地面壓裂井按用途分為消突井和排采井2種，根據壓裂液和支撐劑的不同分為4種，包括活性水+石英砂、活性水氮氣伴注+石英砂、活性水氮氣伴注+石英砂+木質支撐劑以及氮氣泡沫+石英砂。本文僅考慮活性水作為壓裂液，石英砂作為支撐劑的壓裂作業鉆井。按照施工順序分為鉆井工程、壓裂工程和排采工程。

根據地面壓裂井整體規劃，2013年共完成地面壓裂井39口，排采29口，地面井15，16，17，18，19，132，135，136，149，150為消突井，不進行排采；2015年完成地面井29口，排采25口，其中地面井107，116，117，118為消突井，不進行排采。

其中華高109井，位于沁水盆地長治斜坡帶二崗山斷層南，目標煤層為E2307工作面。其施工過程中壓力和排量曲線如圖1所示。

圖1 華高109井施工綜合曲線Fig.1 Construction comprehensive curve of Huagao 109 fracturing well

1.2 地面壓裂鉆井壓裂范圍

高河煤礦地面壓裂井使用微震法監測壓裂過程中裂隙的產生和擴展規律，并由此初步判斷其壓裂范圍。微震監測的原理是通過監測壓裂活動引起巖體中應力重分布過程中伴生煤層和巖石破裂時發出的地震波，對地震波進行信息處理以此獲取微震活動事件發生的位置、能量和非彈性微震體應變等，并由此計算出所伴生的巖體中應力場分布特征與流變參數的改變，從而達到判斷裂縫擴展和巖體穩定性的目的。本文以2013年完井的華高149井為例[13-16]，華高149井為消突井，壓裂液為活性水，支撐劑為石英砂，單井設計壓裂液 800 m3，支撐劑 50 m3。華高149地面壓裂井壓裂裂縫監測試驗壓裂時間持續118 min，由裂縫三維定位系統和微震信號實時傳輸系統獲得微震監測存儲信號以及實時監測壓裂裂縫擴展分布和壓裂井實時監測壓裂裂縫擴展形態(見圖2)。

圖2 華高149井壓裂裂縫發育和擴展Fig.2 Fracture development and expansion of Huagao 149 fracturing well

華高149井產生的最長裂隙長度為132 m，方位角為北偏西84°，最短裂隙長度為89 m，方位角為南偏東10°，平均裂隙長度為106 m。因此可以初步判斷，如圖2所示，大圈區域是以主裂隙長度為半徑的區域，認為是華高149井最大壓裂范圍，小圈區域是以最小裂隙為半徑的圓形區域，認為是華高149井最小影響區域。

通過對全礦井范圍壓裂井壓裂范圍進行綜合統計分析，高河煤礦地面壓裂井壓裂范圍有效區域(最小區域)為半徑75 m，最大壓裂半徑為150 m。

2 井下煤層瓦斯抽采效果考察

2.1 壓裂鉆井對煤層滲透率影響效果

主要選擇以E2307采煤工作面為主要考察對象。E2307工作面位于山西組3#煤層北翼東二盤區順次第七采煤工作面。地處沁水盆地長治斜坡帶二崗山斷層以南，其上方靠近山西省長治市堠北莊鎮楊暴村和北津良村等。工作面布置和壓裂井位置如圖3所示。

圖3 E2307采煤工作面地面壓裂井布置示意Fig.3 Schematic diagram of ground fracturing well layout in E2307 coal mining face

考慮壓縮系數和溫度對煤儲層滲透率的影響，根據徑向流動方程，得到E2307工作面煤儲層滲透率見公式(1)，采用測井數據進行數值模擬反演可獲得反演煤層滲透率。滲透率公式如下：

(1)

式中：PSC為標準狀況下的大氣壓，取0.101 33 MPa；ZSC為標準狀況下的氣體壓縮系數，取1；TSC為標準狀況下的開氏溫度，取293.15 K；Pe為原始煤層平均瓦斯壓力，取1.331 MPa；Q為產氣流量，m3/min；K為滲透率，mD；h為煤層厚度，取4 m；re為壓裂半徑，取平均值102 m；rw為氣井半徑，取0.139 m；Z為氣體壓縮系數；μ為流體黏度，取101.255×10-3MPa·s。選取E2307工作面地面壓裂井華高102，104，105和107井。根據排采結果，得到單井平均日產量分別為340.794，324.3，396.609 m3。反演得到煤儲層滲透率見表1。

表1 測井數據反演煤層滲透率Tab.1 Inversion of coal seam permeability by logging data

根據煤層透氣性系數大致估算壓裂前煤層滲透率大概為0.065 6 mD。不考慮煤層地質構造、壓裂范圍變化、局部瓦斯壓力變化等情況，通過反演滲透率與壓裂前滲透率數據對比，滲透率分別提高了13.3，13.1和19.2倍。

2.2 壓裂鉆井對瓦斯抽采濃度的影響

通過對E2307工作面近3年的瓦斯抽采數據的收集，統計分析了E2307工作面的進風巷、回風巷、輔運巷和膠帶巷的抽采瓦斯濃度隨時間變化關系(見圖4)。由于4條巷道的鉆孔布置工作進展不一致，因此對于輔運巷和膠帶巷的鉆孔瓦斯濃度統計工作較為滯后。從圖4中可以看出，回風巷瓦斯濃度平均高于進風巷、輔運巷和膠帶巷的瓦斯濃度，分析認為主要是回風巷預抽E2307相鄰工作面瓦斯的千米鉆孔對于瓦斯濃度增加的原因。因此，本文僅考慮進風巷、膠帶巷和輔運巷預抽瓦斯濃度受地面壓裂井影響。根據圖3地面壓裂井分布及其壓裂范圍可以知道，受地面壓裂井影響區域面積最大的為進風巷，膠帶巷次之，輔運巷最低。從整個抽采時期來看，進風巷和回風巷瓦斯濃度開始有一個濃度增大的趨勢，到2016年5月達到最大值，之后濃度開始下降，考慮受地面壓裂井影響的壓裂區域隨著鉆孔布置工作的推進逐漸增加，認為回風巷瓦斯濃度增加的主要原因是地面壓裂井提高了壓裂區域鉆孔的瓦斯濃度，繼而導致整個巷道的瓦斯濃度的增加，比較而言壓裂區域較少的膠帶巷和輔運巷其瓦斯濃度變化幅度較小，即未壓裂區域鉆孔瓦斯濃度的值較為穩定，說明地面壓裂井對井下鉆孔抽采瓦斯具有確實的影響作用。之后隨著前期鉆孔瓦斯流量的衰減以及非壓裂區域鉆孔數量的增加致使回風巷瓦斯濃度逐漸降低。同時，對比分析進風、膠帶、輔運3條巷道同期瓦斯濃度可知，瓦斯濃度數值為：輔運巷>膠帶巷>進風巷，即受壓裂井影響區域越大的巷道因其透氣性增大鉆孔抽采瓦斯流量衰減越快。

圖4 E2307工作面巷道鉆孔預抽瓦斯濃度隨時間變化關系Fig.4 Relationship between pre-extracted gas concentration in roadway drilling of E2307 working face with time

為了直觀分析和研究地面壓裂鉆井對井下煤層瓦斯抽采效果的影響，在E2307非壓裂區域布置了5組實驗鉆孔，分別為N1，N2，N3，N4和N5鉆孔。實驗鉆孔組和相鄰位置壓裂區域鉆孔組進行直接對照分析，非壓裂區域和壓裂區域鉆孔實測瓦斯濃度對比如圖5所示，由于實驗鉆孔組位于膠帶巷的尾端，與主管路距離較遠，因此其抽采負壓略低于相鄰壓裂區域鉆孔組。通過對壓裂區域鉆孔組鉆孔161-1，161-2，161-3等抽采瓦斯濃度與抽采負壓的關系分析可知，在鉆孔密封條件、煤層透氣性等條件不變的情況下，非壓裂區域鉆孔實測瓦斯濃度大于15%且小于65%，壓裂區域鉆孔實測瓦斯濃度大于50%且小于85%。隨著抽采負壓增大，單一鉆孔實測瓦斯濃度呈現離散型變化趨勢；而同一時間和同一抽采負壓下鉆孔瓦斯濃度亦無明顯規律。當前區域鉆孔預抽瓦斯濃度與抽采負壓并非呈現正相關關系，即鉆孔單孔瓦斯濃度受抽采負壓影響較小。因此，對照分析表明，地面壓裂井對于井下煤層鉆孔單孔抽采瓦斯濃度的提高效果比較顯著。

圖5 非壓裂區域和壓裂區域鉆孔實測瓦斯濃度對比Fig.5 Comparison of borehole measured gas concentration in non fractured area and fractured area

同時，還統計了非壓裂區域和壓裂區域鉆孔平均瓦斯濃度數據，如圖6所示。非壓裂區域鉆孔組平均瓦斯濃度最小為35.4%，最大為44.58%，平均為41.032%。壓裂區域鉆孔組平均瓦斯濃度最小為59.72%，最大為78.88%，平均為70.462%。

圖6 非壓裂區域和壓裂區域平均鉆孔瓦斯濃度對比Fig.6 Comparison of average borehole gas concentration in non fracturing area and fracturing area

煤層鉆孔受地面壓裂井影響，鉆孔瓦斯濃度增幅如圖7所示。最大增幅為122%，最小增幅為34%，平均增幅為71%。因此，在抽采混量不變的情況下，鉆孔瓦斯濃度的增加，可以有效地提高匯流管路內瓦斯純量，增加井下煤層鉆孔抽采瓦斯效率。

圖7 壓裂區域鉆孔瓦斯濃度增加幅度Fig.7 Increase range of borehole gas concentration in fracturing area

2.3 壓裂鉆井對瓦斯抽采純量的影響

圖8 E2307工作面鉆孔預抽瓦斯純量隨時間變化關系Fig.8 The relationship between the pre-extracted gas slag quantity of borehole and time in E2307 working face

以E2307工作面為例，收集并分析了自2015年10月14日至2017年6月26日期間的進風巷、回風巷、輔運巷和膠帶巷預抽瓦斯純量數據隨著時間的變化關系，如圖8所示。由圖8可知，瓦斯純量隨時間基本呈現一個遞增的線性變化趨勢。即隨著各巷道鉆孔布置工作的逐步推進，鉆孔數量和鉆孔進尺的增加，相應地各巷預抽采瓦斯純量也逐漸增加。比較進風巷、膠帶巷和輔運巷抽采瓦斯純量的大小，即瓦斯純量：進風巷>膠帶巷>輔運巷。同時，由圖8可知，回風巷瓦斯純量的變化幅度亦大于膠帶巷和輔運巷，根據3條巷道鉆孔布置工作的進展，可知膠帶巷和輔運巷抽采瓦斯純量的增量主要來源于鉆孔數量和鉆孔進尺的增加，而回風巷抽采瓦斯純量的增幅更大，認為是鉆孔數量和鉆孔進尺增加以及地面壓裂井壓裂區域鉆孔的貢獻。綜合考慮認為地面壓裂井增加了壓裂區域煤層的透氣性，提高了壓裂區域鉆孔瓦斯濃度，也增加了煤層解吸空間和瓦斯運移通道，促使瓦斯能更快更多的從煤層中解吸出來，表現為巷道瓦斯純量增幅更大且抽采瓦斯純量總量更大。進而也說明了地面壓裂井作用下井下煤層瓦斯抽采的可行性和有效性。同時，可以看出，單一巷道瓦斯純量整體呈現線性增加規律，但是局部仍然表現出離散性，表明其受抽采負壓、風流變化、鉆孔質量、回采工作影響較大。4條巷道中進風巷瓦斯純量增加最為明顯，且平均值大于其余回風巷、輔運巷和膠帶巷。

3 結論

1)地面壓裂鉆井水力壓裂后煤層反演滲透率提高了13倍以上。

2)瓦斯濃度最大增幅為122%，最小增幅為34%，平均增幅為71%。同樣，瓦斯純量也有大幅度的提高。

3)高河煤礦地面壓裂鉆井作業對于提高壓裂煤層的滲透能力以及增加井下瓦斯抽采效率具有較好的效果，對高河煤礦及賦存條件相似的煤礦和煤層提高煤層瓦斯抽采效率和預防井下瓦斯動力災害具有積極的借鑒意義。