雙泵并聯水力壓裂技術在新元煤礦中的應用

余正敖 張翠蘭 向沉錢 謝飛

摘 要：為解決新元煤礦高瓦斯低透氣性突出煤層3#煤層瓦斯抽采效率較低，鉆孔工程量較大，抽采達標時間長等難題，采取雙泵并聯水力壓裂增透技術對該礦31009工作面回風巷3#突出煤層進行了壓抽處理，實現了單孔瓦斯日最大抽采純量754m3/d，日平均抽采純量596m3/d的顯著效果，達到了提高瓦斯抽采效率，降低鉆孔工程量，縮短抽采達標時間等目的。

關鍵詞：雙泵并聯；水力壓裂；增透；瓦斯治理

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A

0 引言

陽泉礦區是我國大型的煤炭生產基地之一，是我國典型的高突礦區，開采過程中礦井瓦斯涌出量普遍較大，最大可達197m3/min，礦井瓦斯嚴重威脅著礦井的安全生產和經濟效益的發揮。

山西新元煤炭有限責任公司隸屬于陽泉煤業（集團）有限責任公司，新元煤礦3#煤層為煤與瓦斯突出煤層，原始瓦斯含量達14.89m3/t，煤層瓦斯壓力為2.44MPa。針對礦井目前存在的瓦斯含量高、瓦斯壓力大等難題，研究應用雙泵并聯水力壓裂增透技術，以達到經濟、快速、安全、高效地抽采煤層瓦斯的目的。

1 水力壓裂增透機理

雙泵并聯水力壓裂增透技術就是用并聯的兩臺高壓泵向孔內壓入液體，使其產生新的裂縫和使原始裂隙張開形成新的流通網絡，而增大煤體透氣性，有利于瓦斯在煤體內的流動。水力壓裂需要通過控制高壓水的壓力和排量，使壓裂影響控制在一定的范圍之內，以免出現可能導致的巷道圍巖變形，頂底板管理困難的狀況，并在壓裂影響范圍內形成均勻抽采瓦斯的立體通道網絡。

2 雙泵并聯水力壓裂系統及裝備

雙泵并聯水力壓裂系統通常主要包括壓裂泵組（壓裂泵、電機和控制系統等）、YLGH70型壓裂管匯系統、高壓膠管、孔內封孔管等。

壓裂泵選用兩臺陜西寶雞航天動力公司研發的BYW65-400型壓裂泵組并聯壓裂，該泵組性能穩定、可靠性高、輸出能力大，柱塞直徑D=11.5cm時，最大輸出壓力40MPa，柱塞直徑D=9cm時，最大輸出壓力60MPa；采用YLGH70型壓裂管匯系統和φ5cm/2000cm/70MPa的高壓膠管，最大承受壓力70MPa；孔內壓裂管采用外徑50mm，壁厚8mm，單根長度200cm，耐壓強度70MPa的無縫鋼管。

3 雙泵并聯水力壓裂方案設計及實施

3.1 工作面概況

新元煤礦31009輔助進風巷沿3號煤層頂板由東向西下坡掘進施工，對應地面標高1104.87m、井下標高486.0m，埋深618.87m，煤層傾角一般為2°～4°，平均3°，煤層厚度2.85m，煤層結構簡單。煤層賦存穩定，結構較簡單，屬中灰、低硫的優質貧瘦煤。煤層以亮煤為主，內生裂隙發育。煤層中一般含1～2層泥質夾矸，厚度一般為0.02m～0.05m，平均0.03m。

頂板圍巖情況：直接頂為砂質泥巖，厚度為1.49m左右；老頂為細粒砂巖，厚度為1.65m左右，上部依次為2.15m的砂質泥巖和1.90m的粉砂巖。底板為0.56m的砂質泥巖，直接底為0.97m的粉砂巖，老底為2.35m的砂質泥巖。

3.2 鉆孔設計、施工及封孔

由于煤層賦存、地質構造等情況均不確定，因此設計在31009回風巷迎頭距31009輔助進風巷真厚10m垂距、平距8.6m處施工兩個地質探孔（輔助孔），水力壓裂后兼做放水和抽采孔。兩個地質探孔施工完成后，根據探測情況系統分析，設計在31009回風巷迎頭施工31009輔助進風巷沿3號煤層頂板的順層壓裂鉆孔，設計孔深176.6m。

新元煤礦31009輔助進風巷在雙泵并聯水力壓裂實施過程中，1#泵最大壓力25.2MPa、最大流量37.3m3/h、注入總水量389.2m3；2#泵最大壓力24.9MPa、最大流量37m3/h、注入總水量390.8m3。兩臺泵穩定壓力為18MPa，合計注入總水量780m3。

壓裂鉆孔施工完成后，壓裂鉆孔采用無縫鋼管加水泥砂漿、孔口段采用聚氨酯化學材料、封孔管末端采用馬尾巴、中間采用注入水泥砂漿封堵，封孔段長度60m。兩個輔助鉆孔均采用“兩堵一注”的方式封孔，封孔長度為30 m。壓裂前，在輔助孔孔口安裝承壓不少于70MPa的截止閥。

在鉆孔施工、封孔的同時安排進行兩臺水力壓裂泵組的運輸、安裝、調試以及壓裂管路的鋪設工作，在所有鉆孔封孔及壓裂泵組調試完成后進行雙泵并聯水力壓裂系統試運行和打壓試驗。

4 雙泵并聯水力壓裂效果分析

4.1 壓裂影響范圍判定

本次試驗主要采用物探法和鉆探法對壓裂范圍進行判定。

瞬變電磁物探法：在31009回風巷迎頭結合31009輔助進風巷迎頭，分別在壓裂前、壓裂后采用瞬變電磁法對壓裂區進行掃描，通過對比分析確定水力壓裂影響范圍。

鉆探法：在31009輔助進風巷壓裂孔穿煤位置和前方30m位置各打垂直于巷道中線的兩組（兩個）鉆孔，在每個鉆孔的15m、25m、30m、35m、40m、45m、50m位置取樣，測試巖石含水率，對比附近區域的含水率參數，確定壓裂液所達位置。通過以上兩種方法的對比分析，本次水力壓裂影響半徑確定為45m～50m。

4.2 瓦斯抽采效果分析

為了進行水力壓裂前后抽采效果對比分析，在實施雙泵并聯水力壓裂前考察壓裂孔以及兩個輔助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采濃度隨時間的變化趨勢，直到穩定為止。水力壓裂后，采用同樣的方法考察壓裂孔以及兩個輔助孔的瓦斯抽采流量以及瓦斯抽采濃度。壓裂前后抽采情況對比表見表1。

通過對表1數據計算分析可知，壓裂孔、輔助孔平均抽采純量壓裂后較壓裂前，增幅分別達138倍、9.7倍、42.7倍，平均增幅達50倍。表明雙泵并聯水力壓裂能夠增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果明顯。

結論

（1）雙泵并聯水力壓裂后，3個試驗孔的平均抽采純量均大幅增加，平均增幅達到50倍，有利于提高瓦斯抽采率、減少抽采時間、縮短瓦斯治理周期、減少鉆孔工程量。

（2）在相同條件下，雙泵并聯水力壓裂施工方法可有效增加煤層透氣性，大幅度提高煤層抽采效果。

（3）水力壓裂范圍檢驗判定可將瞬變電磁法和鉆探法相結合，經檢驗判定本次試驗水力壓裂有效半徑為40m～50m。

參考文獻

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