新元礦3號煤層水力壓裂增透技術研究及應用

高振博

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

新元礦31009工作面主采3#煤層，位于二疊系下統山西組中部。埋深618m，煤層均厚為2.85m，煤層傾角一般為 2°～4°，平均 3°，局部達 6°。3#煤層直接頂為砂質泥巖，厚度為1.49m，老頂為細粒砂巖，厚度為1.65m，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。具體煤層頂底板巖層情況如表1所示。該礦3號煤層為突出煤層，瓦斯含量達14.89m3/t，局部區域瓦斯含量達到18m3/t左右，瓦斯壓力為2.44MPa，透氣性系數為0.017mD，硬度f＜0.4。在對該煤層進行采掘作業前，必須進行瓦斯抽采。原有的針對煤巷掘進采取的抽采方式效率較低，工程量較大。為節約井巷工程，提高瓦斯抽采效率，通過大量的調查、研究和考察，結合現有的瓦斯抽采新工藝、新技術[1]，決定在31009尾巷結合千米鉆進工藝對3號煤層采取水力壓裂增透新技術，快速抽采煤層瓦斯。

表1 頂底板巖層性質

2 水力壓裂技術原理

煤礦井下水力壓裂技術是利用高壓水促使煤層原有裂隙張開，并形成新的裂隙，增加煤層透氣性。其技術原理主要包括以下幾個方面。

2.1 水力壓裂裂縫起裂機理

原始煤層中本身含有一定量的裂隙，壓裂開始后，水在高壓的作用下進入煤層中的原生裂隙，當注入水壓高于煤層的滲失水壓時，原生裂隙前端應力增大，裂隙將起裂與延伸，煤層內原來閉合的裂隙就會張開，形成新的水流通道，隨著高壓水的持續注入，壓裂水就進入到次生裂隙中，裂隙范圍不斷增大，形成貫通的裂隙區域[2]。因此，煤層的滲透性變大，新產生的裂隙為瓦斯流動提供了良好的通道。

2.2 水力壓裂裂縫延伸及擴展

在高壓水的作用下產生新的裂隙后，在裂隙邊緣部位，當積累的水壓大于煤體弱面粘結力時，弱面開裂，高壓水將煤顆粒向前推進，形成新的封堵區域。隨著壓力的升高，煤體進一步被壓開，導致裂隙弱面發生擴展、延伸，裂隙范圍不斷增大，直到水流遇到較大裂隙時，水流匯入大裂隙通道，無法積聚，壓裂過程結束[3]。隨著煤體內部裂隙的起裂與延伸，最終將形成壓力孔為中心的裂隙網絡，達到了增加煤層裂隙范圍的目的，增加了煤層的透氣性。

2.3 煤礦井下水力壓裂適用性

對于彈性的原生結構煤，煤體較硬，孔隙率不大，隨著高壓水的持續注入，原來閉合的裂隙會開裂，在高壓水進入弱面時，積累的水壓大于煤體粘結力時，裂隙弱面發生擴展延伸，最后形成裂隙網絡，適合采用水力壓裂的方法來增加煤層的透氣性；對于碎粒煤和糜棱煤，由于煤體節理面復雜，原生裂隙已被破壞，高壓水注入后，會在最弱裂縫處產生應力集中并撐開裂縫，然后再尋找下一個最弱裂縫，循環下去，不能持續積累水壓完成進一步的延伸與擴展，因此形成不了完整有效的裂隙通道，不適合采用水力壓裂的方法[4]。

3 水力壓裂的現場實施

3.1 試驗鉆孔的布置

本次水力壓裂選在31009工作面尾巷，該施工巷道沿3號煤層向西下坡掘進，煤層傾角一般為2°～4°，平均3°，局部達6°左右，煤層厚度2.85m左右，該區域瓦斯含量較高，屬于低滲透突出煤層，根據煤層賦存條件和巷道布置方式進行鉆孔布置[5]。水力壓裂鉆孔布置圖如圖1所示，鉆孔參數見表2。

圖1 鉆孔布置圖

表2 壓裂鉆孔參數表

3.2 壓裂鉆孔封孔

水力壓裂要求鉆孔封孔具有較高的強度，密封性好，封孔不好會直接導致水力壓裂的失敗。若封孔深度處于應力集中的峰前位置，可能會導致產生新的應力集中；若封孔深度處于應力集中的峰后位置，則有可能會產生水流通道。因此選在應力集中處設置封孔，以提高封孔的嚴密性。通過分析，最終確定了該壓裂孔的封孔位置離孔口60m。

3.3 水力壓裂高壓注水系統

本次水力壓裂采用BYW65-400型壓裂泵，由于壓裂段長度達200m，壓裂過程中壓裂液濾失嚴重，一臺泵的流量不足以支撐煤層起裂，因此需使用兩臺壓裂泵組并聯進行（額定壓力29.5MPa，額定流量65.4m3/h)，并安裝有水表、壓力表、卸壓閥、安全閥等附件。在壓裂泵組安裝地點附近設置一個長×寬×高為10×1×2m的水池，并使用Φ108mm水管為其不間斷供水；在水池中安裝一臺能力大于66m3/h流量的離心泵給兩臺泵組供水，供水壓力0.03～0.1MPa。水力壓裂系統布置示意圖如圖2所示。

圖2 水力壓裂系統布置示意圖

3.4 水力壓裂實施

在壓裂過程開始后，對注水壓力、液量、流量等數據進行實時監測直至數據不再變化達到穩定，并繪制出注水壓力、流量隨時間變化的曲線如圖3所示。

在壓裂試驗過程中，高壓水充滿煤體裂隙中，隨著注水壓力的增大，高壓水不斷積聚能量直到煤體產生新的裂隙，壓力迅速下降，流量大幅上升。在新產生的裂隙中，隨著壓力的增大，高壓水再次積聚能量，再次使原來的裂隙延伸、擴展，經過反復多次的壓力下降過程，最終壓力和流量相對穩定，壓裂停止。整個壓裂過程中，總共向煤體中注水126.8m3，泵注壓力平均值為27.2MPa，注水流量為608L/min，壓裂總時長約為3.6h。通過注水壓力與流量的變化可以看出：煤體起裂壓力約為34.2MPa，裂縫延伸壓力約為28.6MPa。

圖3 注水壓力、流量隨時間變化

4 水力壓裂效果考察

為了考察水力壓裂前后煤層透氣效果，壓裂前在距離壓裂孔側40m處設置測試孔，壓裂后在水力壓裂影響范圍邊緣處每隔5m設置1個抽采觀測孔來測定瓦斯抽采參數。其中，1#～6#號觀測孔距離壓裂孔中心的距離分別為5m、10m、15m、20m、25m、30m。壓裂后各觀測孔抽采瓦斯濃度、純度隨時間變化曲線如圖4、5所示。

圖4 抽采濃度隨時間變化

圖5 抽采純流量隨時間變化

由圖4可知，壓裂前測試孔最大瓦斯抽采濃度為33%，壓裂后1#～3#觀測孔最大瓦斯抽采濃度為81.8%、78.2%、70.2%，是測試孔抽采濃度的2.1～2.4倍。測試孔瓦斯抽采濃度在15d以后基本達到穩定，約為11%，而1#～3#觀測孔在第30d時抽采濃度平均值為47.2%，與測試孔壓裂前的最大瓦斯抽采濃度相近；4#～6#觀測孔的瓦斯抽采濃度平均值與測試孔大致相同。由圖5可以看出，壓裂前測試孔最大瓦斯抽采純流量為0.023m3/min，壓裂后1#～3#觀測孔最大瓦斯抽采純流量為0.061m3/min、0.055m3/min、0.48m3/min，是測試孔抽采純流量的2～2.5倍。測試孔瓦斯抽采純流量在15d以后趨于穩定，約為0.007m3/min，而1#～3#觀測孔在第30d時抽采純流量平均值為0.017m3/min，與測試孔壓裂前的最大瓦斯抽采純流量相近；4#～6#觀測孔的瓦斯抽采純流量平均值與測試孔基本一致。綜上所述，通過對新元礦3號煤層實施水力壓裂技術后，實驗壓裂的主要影響范圍在15～20m左右，在此范圍內瓦斯抽采濃度和純流量都大幅度提高。

5 結論

選用水力壓裂新技術來增加煤層透氣性，并結合巷道具體情況確定了長鉆孔壓裂抽采的具體方案。通過對比壓裂實施前后的瓦斯抽采參數可知，壓裂影響區域抽采濃度平均提高了2.3倍，瓦斯抽采純量平均提高了2.2倍，水力壓裂提高了瓦斯抽采效率，效果良好。