水力壓裂增透技術在魯班山北礦瓦斯治理中的應用

張翠蘭 任世林 陳興燚 張尚斌

(1.重慶市能源投資集團科技有限責任公司；2.中國石油化工集團西南石油局有限公司勘探開發研究院)

我國煤與瓦斯突出災害嚴重，瓦斯治理是煤礦安全工作的重中之重。我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層[1]。目前瓦斯治理的措施主要有密集鉆孔、預裂爆破、鉆孔預抽，因密集鉆孔、預裂爆破等瓦斯治理措施施工工藝復雜、工作量大、有效影響范圍小、瓦斯抽采率低等問題，開采層瓦斯突出主要采用鉆孔預抽技術[2]。煤層透氣性低嚴重制約了瓦斯抽采效果，必須對高瓦斯和突出煤層進行卸壓增透以提高煤層瓦斯抽采效果。水力壓裂技術是目前最常用的煤層增透技術。2010年以來，重慶市能源投資集團試驗水力壓裂煤層增透技術，經過幾年的發展，目前該技術已成為了一項瓦斯治理常規手段，對煤層實施水力壓裂增透后，能大幅增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，從而縮短抽采時間，減少鉆孔工程量。魯班山北礦礦煤層瓦斯含量大，透氣性系數低，井下鉆孔抽采效果差，嚴重制約了瓦斯治理和防突效果，影響了礦井的部署接替及安全生產。近年來，魯班山北礦進行了深孔預裂爆破、水力割縫等多項增透措施試驗，取得了一定的效果，但爆破及水力割縫的影響范圍均比較小，不適合大規模實施。目前礦井多數鉆孔均采用常規方式進行瓦斯抽采，抽采效果差。為解決魯班山北礦目前存在的問題，提高瓦斯抽采效果，進一步解放生產力，確保礦井安全生產，在142底板巷道施工穿層鉆孔進行水力壓裂，積極探索魯班山北礦瓦斯治理的新途徑。

1 工程概況

魯班山北礦為450 kt/a高瓦斯中型礦井，全區穩定可采，2#煤層為解放層，8#煤層為被解放層，優先采用扒皮式綜合機械化開采上解放層。8#煤層埋深為330 m，煤層厚0.73～4.42 m，平均厚2.5 m，煤層較穩定，頂板主要為砂巖或泥質巖、砂巖類組合，有一層0.02～0.20 m偽頂；底板個別地方為砂巖，其他由泥質巖組成。根據煤層賦存狀況和地形地貌，采用平硐開拓方式。

8#煤層合層區瓦斯含量平均為25.55 m3/t，8#煤層之一瓦斯含量平均為16.01 m3/t，8#煤層之二瓦斯含量平均為7.16 m3/t，8#煤層之三瓦斯含量平均為15.31 m3/t。堅固性系數f=2～4，煤層走向180°，平均傾角為21°。近年來，魯班山北礦采用常規方式抽采瓦斯，鉆孔平均單孔瓦斯抽采純量僅為0.002 m3/min左右。

2 煤層壓裂增透原理及影響因素

煤礦井下水力壓裂增透技術是利用高壓泵組將壓裂液以大于煤儲層吸收能力的速度注入，克服煤層本身的破裂壓力后，煤層弱面會被劈開一條或多條裂縫，以建立起煤層與抽采鉆孔之間的高速通道，高效抽采煤層瓦斯。

煤層水力壓裂時，在孔壁處裂縫壓裂的初期，裂縫存在長度、高度、寬度方向的三維擴張，裂縫橫向的方向垂直于最小主應力方向。壓裂過程中存在流動摩擦阻力與液柱重力產生的壓力，在孔壁裂縫開啟之前，鉆孔孔壁與壓裂篩管之間的環狀空隙的液體越來越多，形成憋壓。壓力上升到孔壁裂縫的起裂壓力后，高壓水進入裂縫并隨著裂縫的起裂、擴展和延伸不斷增加，壓裂管內必須憋壓才能壓開更多的裂縫和補充壓力損失，需要泵入更多的壓裂液以提供持續水壓力，因此，整個壓裂過程是一個壓裂液進多出少的過程。

煤層自身性質和外部環境、施工因素均會影響其水力壓裂增透效果。在對國內外相關理論進行深入研究的基礎上，進行了大量的水力壓裂試驗，發現影響煤巖水力壓裂效果的因素主要有6個方面：①地應力與地質構造；②煤層自身特性，包括煤層硬度、瓦斯含量、初始透氣性、瓦斯壓力、孔隙體積、含氣飽和度、分布狀況、煤階、沉積環境、力學性質和水動力條件；③施工參數，包括注入排量、砂比濃度；④壓裂規模，包括壓裂孔數目等；⑤壓裂液和支撐劑性能；⑥排采參數。

影響水力壓裂增透效果的因素很多，其中地應力和煤體強度為主控因素，地應力大小和方向是控制水力壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態的關鍵[3]。同時，水力壓裂過程中，壓裂液對瓦斯有一定的驅趕作用。

3 壓裂鉆孔設計

基于煤層壓裂鉆孔水力壓裂裂縫擴展規律，結合魯班山北礦的現場情況，在142底板巷布置4個壓裂鉆孔，1#和2#鉆孔間距為100 m，2#和3#鉆孔間距為80 m，鉆孔傾角為15°，鉆孔穿透8#煤層，終孔距8#煤層頂板0.5 m，鉆孔開孔孔徑為94 mm，終孔孔徑為75 mm。4#鉆孔穿過8#煤層壓B2煤層設計，鉆孔孔徑為75 mm。鉆孔施工布置見圖1，壓裂孔參數見表1。

3.1 封孔設計

原則上封孔深度為鉆孔的深度，在施工水力壓裂鉆孔時，必須清楚記錄煤層段位置，送入的壓裂管在煤層位置使用篩管。采用砂漿水泥封孔，封孔管前端布置2根篩管。1#～3#壓裂鉆孔由孔口封至8#煤層底板，通過注漿管送漿至8#煤層底板，再通過篩管返漿。4#鉆孔封至B2煤層底板。封孔設計見圖2。

3.2 水力壓裂參數計算

3.2.1 破裂壓力

根據參考文獻[4]計算方法，破裂壓力計算公式為

pf≥σ1+σ3-2(σ1-σ3)cos2θ+Rt,

(1)

σ1=0.021 6H+6.780 8 ,

(2)

σ3=0.018 2H+2.232 8 ,

(3)

式中，pf為破裂壓力，MPa；σ1、σ3分別為最大、最小水平主應力，MPa；θ為目標方向角,(°)；Rt為煤巖體抗拉強度，取2.6 MPa;H為埋深，m。

孔號鉆孔層位開孔高度/m 方位/(°)傾角/(°)孔深/m1#8#1.23551539.42#8#1.23551542.73#8#1.23551545.44#2#1.23554541

圖2 壓裂孔封孔示意

經測算管道摩阻約2 MPa。根據142底板巷道的埋深、巖體抗拉強度、目標方向角，經綜合計算，各壓裂孔破裂壓力計算結果見表2。

表2 各孔破裂壓裂計算參數 MPa

3.2.2 總注水量

注水量計算公式為

v=abhk,

(4)

式中，v為注水影響體體積，m3；a為影響體長度，m；b為影響體寬度，m；h為影響體高度，m;k為影響體孔隙率，%。

根據142底板巷道實施地點的條件及預壓裂的有效半徑30 m，經過計算，壓裂層需注水量見表3。

表3 壓裂水量理論計算 m3

3.3 配套工程

目前常用的壓裂泵組有BRW200-31.5型乳化液泵組、CBYL400型壓裂泵組。BRW200-31.5型乳化液泵組電機功率為125 kW，額定壓力為31.5 MPa，最大流量為12 m3/h，缺點是流量小，不能滿足規模壓裂的液量供給，重慶地區的水力壓裂多選用BRW200-31.5型壓裂泵組。

本次水力壓裂選用重慶市能源投資集團科技有限責任公司與重慶水泵廠有限公司合作研制的CBYL400型壓裂泵組，具有流量大、體積小、智能化程度高等優點[5-6]。根據前面計算的破裂壓力和總注水量的設計要求，在其3檔運行時，壓裂參數即可滿足要求，運行參數見表4。

表4 CBYL400型壓裂泵組運行參數

4 抽采鉆孔設計

4.1 壓裂區域

為了進一步驗證壓裂區域的抽采效果，在3個壓裂孔條帶范圍施工20 m×20 m的網格條帶預抽鉆孔，若抽采效果差，可在中間布置10 m×10 m的網格條帶預抽鉆孔。本次共設計抽采鉆孔21個,鉆孔孔徑為75 mm，終孔位置距8#煤層頂板0.5 m，每組施工鉆孔2個，每相鄰2組錯開布置，所有鉆孔均布置在壓裂鉆孔范圍內[7-9]，見圖3。

圖3 壓裂區域抽采鉆孔設計平面

4.2 非壓裂區域

為了對比驗證壓裂區域的抽采效果，在壓裂影響范圍外布置網格預抽鉆孔[10]。本次共設計抽采鉆孔79個，鉆孔按15 m×15 m網格布置，鉆孔孔徑為75 mm，終孔位置距2#煤層頂板0.5 m。

5 壓裂過程及影響范圍分析

2016年3月31日—4月15日，分別對1#～4#壓裂鉆孔進行了水力壓裂，具體壓裂情況如下：

(1)1#鉆孔壓入水量為132 m3，最大壓力為16 MPa，壓裂后在142底板巷道距1#鉆孔以外80 m處有一個鉆孔出水，鉆場口的抽放人工放水桶放出的水發黑，有煤粒，停止壓裂。

(2)2#鉆孔分3次壓裂，壓入水量共273 m3，最大壓力為24.5 MPa，壓裂后142底板巷道2#壓裂鉆孔前后30 m范圍巷道吊渣嚴重。

(3)3#鉆孔壓入水量為70 m3，最大壓力為15.3 MPa，壓裂后142底板巷道3#鉆孔周圍巷道頂板多處吊渣、多處錨桿出水，并與4#壓裂鉆孔壓通。

(4)4#鉆孔進行了2次壓裂，第一次于2016年3月31日進行，壓入水量為150 m3，最大壓力為14.2 MPa，于2016年4月15日對4#壓裂孔進行重復壓裂，壓入水量為16 m3，最大壓力為27 MPa，觀察發現與3#鉆孔溝通，3#鉆孔出水明顯增大，停止壓裂；壓入水量共166 m3，最大壓力為27 MPa。

各鉆孔壓入水量及壓力情況見表5。

各孔的壓裂影響范圍可通過以下兩方面來判定[2]：一是壓裂過程中附近鉆孔及巷壁的出水情況；二是壓裂區域內抽采鉆孔施工過程中的見水情況。從壓裂過程中鉆孔及巷壁的出水情況可以看出，壓裂區域內全部為壓裂影響范圍。壓裂區域內抽采鉆孔施工過程中發現，所有抽采鉆孔見煤層時均大量含水，并造成鉆孔施工過程中風排粉穿煤困難。通過壓裂區域內抽采鉆孔施工過程中的見水情況可知，所有鉆孔均在壓裂影響范圍內。

表5 142底板巷道水力壓裂情況

6 壓裂抽采效果

6.1 壓裂區域

對鉆孔水力壓裂完成后，立即對壓裂孔進行排水，待孔內水量變小后接入抽采系統，由于壓裂孔壓入大量的水，有一個排采過程，經現場觀察，壓裂孔內正壓瓦斯明顯減少，于是對抽采觀測鉆孔進行抽采。壓裂區域抽采情況見表6。

表6 142底抽道壓裂區域抽采情況

由表6可知，壓裂區域內抽采鉆孔的平均單孔抽采純量在連續4個月內均呈現了穩中帶升的趨勢，抽采純流量從一開始的2.059 m3/min上升到3.96 m3/min，平均單孔抽采純量最大達0.158 4 m3/min，說明該區域壓裂后的抽采效果明顯。

6.2 非壓裂區域

對比鉆孔于2014年4月13日陸續接入抽采系統進行抽采。2016年4月4日增加的3個鉆孔為壓裂前的考察孔，由于施工處于地質構造帶附近，鉆孔未見煤，但瓦斯量特別大。非壓裂區域抽采情況見表7。

表7 非壓裂區域抽采情況

根據142底板巷道非壓裂區域礦井始抽至2016年8月15日88周周報數據計算結果，鉆孔的抽采純量為0.021 9 m3/min，142底板巷道壓裂區域內的平均單孔純量是0.121 m3/min,即壓裂后抽采鉆孔的平均單位抽采純量是壓裂前的5.5倍。

6.3 經濟效益分析

壓裂區域內的平均單孔抽采純量是對比孔抽采純量的5.5倍，若保持抽采時間不變的情況下，僅需要非壓裂區域18%的鉆孔即可達到同樣的抽采量，即鉆孔工程量可減少82%。經計算，抽采同樣瓦斯總量時所需要的抽采時間可縮短82%。

水力壓裂推廣應用后，每個壓裂孔的成本可降低到約3萬元/孔，按每個壓裂鉆孔的影響半徑為30 m考慮，其影響面積約2 826 m2，若按原8 m×8 m 網格布置需施工鉆孔44個，進行水力壓裂后，可減少為1個。每個鉆孔按50 m計算，可節約鉆孔工程量2 150 m，按《煤炭建設工程概預算定額(2007 基價)》計算穿層鉆孔單價約135元/m，即鉆孔可節約費用29.03萬元，減去壓裂鉆孔成本后，可節約26.03萬元。同時，每個壓裂鉆孔影響范圍內可節約43個鉆孔的施工時間。

7 結 論

(1)對魯班山北礦142底板巷道8#煤層實施水力壓裂，壓裂孔的影響范圍半徑可達40 m以上。水力壓裂能大幅度提高鉆孔瓦斯抽采純量，壓裂區域內抽采鉆孔的平均單孔抽采純量是非壓裂區域單孔抽采純量的5.5倍，鉆孔工程量可減少82%，抽采時間可縮短82%。142底板巷道條帶水力壓裂現場應用表明，水力壓裂對于魯班山北礦增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率效果顯著。通過水力壓裂過程的分析、壓裂影響范圍、壓裂抽采效果的研究分析，表明水力壓裂在魯班山北礦是適用的、可行的。

(2)水力壓裂增透技術在魯班山北礦穿層條帶瓦斯治理中成功應用，基本形成了適用于該礦井穿層鉆孔水力壓裂工藝，應用水力壓裂技術可提高區域煤層透氣性，增加煤體瓦斯涌出通道，提高瓦斯抽采效率，縮短瓦斯抽采時間，降低瓦斯災害治理成本，保證礦井的安全生產和部署接替。下一步將進行大面積推廣應用，充分發揮水力壓裂增透技術的效果。