西曲礦水力壓裂增透瓦斯抽采試驗(yàn)與應(yīng)用

李 強(qiáng)

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

西曲礦18501工作面位于南五盤(pán)區(qū)南部，工作面主采8#煤層，煤層均厚4.2 m，平均傾角為3°，中部含一層泥巖夾矸，煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，均厚0.23 m，直接頂為石灰?guī)r，均厚2.4 m，基本頂為石灰?guī)r，均厚為2.4 m，直接底為細(xì)砂巖，均厚1.54 m，老底為粉砂巖，均厚為3.13 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料顯示，8#煤層的瓦斯含量為13.60 m3/t，煤層透氣性在0.002 24～0.037 7 m2/(MPa2·d)范圍內(nèi)，8#煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為19.60%，為提高瓦斯的抽采率及抽采速度，通過(guò)對(duì)煤層局部進(jìn)行水力壓裂增透試驗(yàn)來(lái)觀測(cè)該技術(shù)對(duì)瓦斯抽采效果的提升程度。

1 定向水力增透機(jī)理分析

為分析煤層中使用定向水力壓裂技術(shù)增透的機(jī)理，假設(shè)水力壓裂的過(guò)程在彈性體中完成，即代表著在計(jì)算過(guò)程中僅考慮煤層受到地應(yīng)力和高壓水壓力的作用，具體壓裂鉆孔壁面的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。根據(jù)相關(guān)研究[1-2]，得出鉆孔孔壁上3個(gè)主應(yīng)力的表達(dá)式為

(1)

圖1 壓裂鉆孔壁面應(yīng)力狀態(tài)示意圖

式中：σr、σθ、σzz—距離鉆孔截面圓心R距離并與σy方向θ角位置處的徑向、切向和軸向正應(yīng)力分量;τrθ、τθz、τzr—離鉆孔截面圓心R距離并與σy方向θ角位置處的徑向、切向和軸向剪應(yīng)力分量。根據(jù)式(1)能夠看出壓裂鉆孔的初始起裂位置應(yīng)處于θ-z平面，在假設(shè)鉆孔的孔壁發(fā)生拉伸破壞時(shí)，再結(jié)合最大拉應(yīng)力理論能夠得出，當(dāng)煤巖體的抗拉強(qiáng)度與孔壁的最大拉應(yīng)力相等時(shí)，此時(shí)孔壁便會(huì)出現(xiàn)裂縫，再結(jié)合式(1)能夠得出最大拉應(yīng)力σmax的表達(dá)式為

(2)

在壓裂過(guò)程中，鉆孔孔壁的破裂條件為σmax=σt，σt為煤的抗拉強(qiáng)度，則據(jù)此能夠得出鉆孔裂縫的起裂方向θf(wàn)，起裂方向θf(wàn)通過(guò)下式可得

(3)

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究表明[3-4]，地層中的孔隙壓力p0的增大會(huì)減小鉆孔的起裂壓力，煤體或者巖體的抗拉強(qiáng)度σt會(huì)增大鉆孔的起裂壓力，據(jù)此當(dāng)假設(shè)兩種壓力相互抵消時(shí)，則能夠得出鉆孔的起裂條件的表達(dá)式為

(4)

式中：pw—水力壓裂起裂壓力；θ—起裂方向；σx、σy—沿x、y方向的正應(yīng)力分量；τxy、τyz、τxz—沿著xoy、yoz、xoz面的剪應(yīng)分量。進(jìn)一步將式(4)中的孔壁應(yīng)力進(jìn)行表達(dá)式替換能夠得出，水力壓裂的起裂壓力pw會(huì)受到煤層傾角α，煤層傾向β及起裂方向θ的影響。在相同的應(yīng)力狀態(tài)下，鉆孔的起裂壓力的大小會(huì)隨著煤層傾角的增大而減小，隨著煤層最大主應(yīng)力與煤層傾向夾角的增大而逐漸減小。

2 水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)

2.1 水力壓裂增透瓦斯抽采方案

根據(jù)該礦8#煤層的具體情況，并結(jié)合18501工作面煤層的特點(diǎn)，在回風(fēng)巷實(shí)施了水力壓裂技術(shù)，共在18501工作面回風(fēng)巷布置5個(gè)鉆孔，其中壓裂孔2個(gè)，檢驗(yàn)孔3個(gè)，具體壓裂鉆孔布置位置，如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置平面圖

在進(jìn)行鉆孔施工時(shí)1#、3#、5#鉆孔為檢驗(yàn)鉆孔，鉆孔的長(zhǎng)度為40 m，開(kāi)孔的高度為1 m，鉆孔的水平傾角為4°，垂直于煤壁打設(shè)，封孔長(zhǎng)度為8 m，2#、4#鉆孔為壓裂孔，鉆孔的長(zhǎng)度為40 m，鉆孔的水平傾角為4°，開(kāi)孔高度距離巷道底板1 m，垂直于煤壁打設(shè)，封孔長(zhǎng)度為20 m。其中1#鉆孔與2#鉆孔間距為9 m，2#鉆孔與3#鉆孔間距為8 m，3#鉆孔與4#鉆孔間距為4 m，4#鉆孔與5#鉆孔間距為2 m。在鉆孔打設(shè)完畢后立即進(jìn)行封孔作業(yè)，檢驗(yàn)孔使用φ65的阻燃抗靜電PVC管結(jié)合專用的封孔材料進(jìn)行封孔作業(yè)，壓裂孔運(yùn)用橡膠注水封孔器與無(wú)縫鋼管進(jìn)行連接，并采用專用的封孔材料對(duì)孔口20 m的范圍進(jìn)行有效封孔。

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時(shí)，水力壓裂系統(tǒng)主要由乳化液泵站、高壓膠管、高壓接頭、高壓放水器、高壓閥門(mén)及封孔器組成，注水過(guò)程中注水壓力的范圍在10～15 MPa，單孔注水量視現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的具體情況決定，具體水力壓裂工藝如圖3所示。

1-混液箱；2-井下供水管；3-添加劑；4-卸載閥；5-壓力表；6-變速箱；7-電機(jī)；8-壓裂泵；9-流量計(jì)；10-連接件；11-壓裂管圖3 高壓水力壓裂工藝圖

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)施工時(shí)，具體的操作流程如下：①首先檢查各管路的連接情況，確保高壓管路連接完好；②打開(kāi)注水泵和注水孔口的閥門(mén)；③啟動(dòng)高壓注水泵，開(kāi)始進(jìn)行高壓注水水力壓裂作業(yè)；④在水力壓裂鉆孔過(guò)程中，要對(duì)壓裂鉆孔周圍巷道圍巖的情況進(jìn)行觀察，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)停泵處理。

2.2 水力壓裂過(guò)程

在水力壓裂方案設(shè)計(jì)完成及準(zhǔn)備工作完成后，便開(kāi)始對(duì)4#鉆孔進(jìn)行壓裂作業(yè)，在開(kāi)始注水作業(yè)時(shí)設(shè)置注水壓力為2 MPa，隨著注水作業(yè)的進(jìn)行，逐漸提升注水壓力，在施工時(shí)發(fā)現(xiàn)3#鉆孔出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象，且3#鉆孔的涌水量在逐漸增大，在進(jìn)行注水作業(yè)時(shí)，當(dāng)水壓達(dá)到12 MPa，4#鉆孔周圍便有較大的裂紋出現(xiàn)，且鉆孔的局部出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，隨著高壓注水作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)的最大的注水壓力16 MPa時(shí)，累計(jì)進(jìn)行注水14 min，注水量約為4.2 m3，具體4#鉆孔的水壓變形曲線如圖4所示。

圖4 4#鉆孔注水壓力—注水時(shí)間曲線圖

當(dāng)4#鉆孔水力壓裂施工完畢后，對(duì)2#鉆孔進(jìn)行注水作業(yè)，在注水過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)注水壓力達(dá)到13 MPa，水壓便不會(huì)再升高，2#鉆孔的最高注水壓力雖為13 MPa，但在2#鉆孔進(jìn)行注水施工時(shí)并未出現(xiàn)周邊檢查孔滲水現(xiàn)象，基于此可判斷水力壓裂的影響半徑大于4 m。

綜合上述2#和4#鉆孔的水力壓裂試驗(yàn)可知18501工作面煤層的破斷壓力為16 MPa，壓裂的半徑大于4 m。

2.3 增透后抽采效果分析

在水力壓裂方案實(shí)施前對(duì)2#鉆孔的瓦斯抽采濃度及流量進(jìn)行持續(xù)5 d的觀測(cè)，在水力壓裂方案實(shí)施后，繼續(xù)對(duì)2#鉆孔的抽采濃度和抽采流量進(jìn)行持續(xù)15 d的觀測(cè)，并同時(shí)通過(guò)對(duì)非壓裂區(qū)域和水力壓裂區(qū)域的瓦斯抽采濃度及流量進(jìn)行持續(xù)28 d的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出瓦斯抽采效果與抽采天數(shù)的曲線圖，如圖5所示。

a-2#鉆孔瓦斯?jié)舛燃傲髁繉?shí)測(cè)數(shù)據(jù)；b-壓裂區(qū)域與非壓裂區(qū)域瓦斯抽采濃度圖5 水力壓裂前后瓦斯抽采效果曲線圖

通過(guò)分析圖5(a)可得出，在水力壓裂作業(yè)實(shí)施后，18501工作面瓦斯的抽采濃度及抽采流量均有較大程度的提升，在2#鉆孔未進(jìn)行水力壓裂前，瓦斯的抽采濃度平均為8.2%，在進(jìn)行水力壓裂后瓦斯的抽采濃度迅速提升到28%，水力壓裂后鉆孔的瓦斯抽采濃度提升了約3.4倍，另2#鉆孔在未進(jìn)行水力壓裂前的平均抽采流量為9.2×10-3m3/min，在水力壓裂后，抽采流量上升為6.0×10-2m3/min，壓裂后的瓦斯抽采流量提升了約6.5倍。

通過(guò)分析圖5(b)得出，非水力壓裂區(qū)域的瓦斯抽采的最高濃度為10.7%，平均抽采濃度為5.3%，在非水力壓裂段，瓦斯抽采濃度的曲線呈由高到低的趨勢(shì)，這是由于瓦斯的自然衰弱造成的；對(duì)于水力壓裂段，瓦斯抽采的最高濃度為34.8%，平均濃度為23.3%，瓦斯抽采的總體趨勢(shì)呈現(xiàn)出先升高后降低，再升高、降低的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于在抽采初期，瓦斯均聚集在檢查孔附近，形成了較高的瓦斯?jié)舛?，隨著抽采工作的進(jìn)行，鉆孔內(nèi)的高壓水會(huì)不斷排出，這便使得鉆孔間的瓦斯通道進(jìn)一步形成，在抽采負(fù)壓的作用下，將吸附狀態(tài)下的瓦斯轉(zhuǎn)換為游離狀態(tài)的瓦斯，瓦斯進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到鉆孔附近形成高濃度瓦斯，故會(huì)出現(xiàn)抽采高峰期，即在抽采的4～8 d瓦斯的平均抽采濃度為31.1%。

綜合上述分析可知，在18501工作面采用水力壓裂方案后，瓦斯的抽采濃度和抽采流量明顯增大，壓裂區(qū)域的瓦斯抽采濃度與非壓裂區(qū)域的瓦斯抽采濃度相比提高了約4.43倍。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水力壓裂增透機(jī)理進(jìn)行具體分析，并結(jié)合18501工作面的具體情況對(duì)定向水力壓裂增透瓦斯抽采方案的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，根據(jù)水力壓裂施工過(guò)程中及施工完成后的觀測(cè)結(jié)果可知，18501工作面煤層的破斷壓力為16 MPa，壓裂的半徑大于4 m，水力壓裂后瓦斯的抽采濃度提高了4.43倍，提升工作面瓦斯抽采效果明顯。