底抽巷水力壓裂試驗(yàn)及應(yīng)用效果分析

路 璐

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

瓦斯抽采效果的優(yōu)劣往往會(huì)影響煤礦開(kāi)拓進(jìn)度，甚至最終影響煤礦的安全生產(chǎn)[1]。針對(duì)低透氣難抽放煤層，發(fā)展出很多卸壓增透技術(shù)，其中水力壓裂技術(shù)較為成熟[2]。水力壓裂是利用高壓水將煤巖體壓裂，改變煤巖體的受力狀態(tài)，形成大量的裂縫以增加圍巖的透氣性，提高瓦斯抽采率[3]。

1 工作面概況

新景礦位于陽(yáng)泉市西部，井田面積64.747km2，其中3#煤層為突出煤層，屬于煤與瓦斯突出礦井。3107底抽巷位于保安分區(qū)南翼東部，東為本區(qū)3105工作面（正掘），南為蘆南二區(qū)7206、7208工作面（已采），西為本區(qū)3107工作面（未掘），北隔采區(qū)大巷為3108工作面（未掘）。煤體瓦斯壓力 0.75～1.57MPa，瓦斯含量 7.3～17.82m3/t，透氣性系數(shù)為 0.0188～0.1377（m2/MPa2·d），為典型的高突低透煤層。

2 水力壓裂參數(shù)的確定

在進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)前，首先應(yīng)確定煤層水力壓裂相關(guān)參數(shù)。通過(guò)對(duì)注水流量、壓力、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)的影響效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，分析參數(shù)的影響規(guī)律，然后通過(guò)理論分析確定各壓裂參數(shù)。

2.1 壓裂參數(shù)的數(shù)值模擬

利用顆粒離散元程序，建立松軟低透煤層水力壓裂計(jì)算模型，從而模擬壓裂參數(shù)對(duì)壓裂半徑影響規(guī)律[4]，如圖1所示。編制相應(yīng)的計(jì)算代碼進(jìn)行數(shù)值摸擬，最后將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理并分析。

圖1 計(jì)算模型圖

圖2 不同流量下壓裂半徑與壓裂時(shí)間擬合曲線(xiàn)圖

松軟低透煤巖水力壓裂半徑隨著注水時(shí)間的增加而穩(wěn)定增長(zhǎng)，注水流量對(duì)于壓裂裂紋擴(kuò)展半徑也有較大的影響，大體趨勢(shì)是對(duì)于同一注水時(shí)間，注水流量越大，壓裂半徑也越大。

圖3 壓裂時(shí)間下壓裂半徑隨注水流量變化擬合曲線(xiàn)

壓裂半徑與注水流量為非線(xiàn)性正關(guān)系，當(dāng)注水時(shí)間控制為某一確定值時(shí)，松軟低滲煤體壓裂半徑隨著注水時(shí)間非線(xiàn)性增加。

由圖2、3可見(jiàn)，松軟煤層壓裂后，壓裂影響半徑的變化幅度與位置、壓裂流量及壓裂時(shí)間有關(guān)。距壓裂孔越近，壓裂流量越大，壓裂影響半徑增大越明顯；壓裂時(shí)間對(duì)增大壓裂半徑也有影響，其權(quán)重較小。

2.2 壓裂參數(shù)的確定

（1）泵注壓力

泵注壓力Pw為：

其中：

煤層破裂壓力

Pk=3σh-3σH+σt-P0

式中：

σh-最小主應(yīng)力，MPa；

σH-最大主應(yīng)力，MPa；

σt-抗拉強(qiáng)度，MPa；

P0-孔隙壓力，MPa。

壓裂管路液柱壓力PH=H×ρ×g

式中：

H-壓裂管路高程落差，m；

ρ-壓裂液密度，kg/m3；

g-重力加速度，m/s2。

壓裂液沿程摩阻Pr=L×λ

式中：

L-管路長(zhǎng)度，m；

λ-摩阻系數(shù)，MPa/m。

由此計(jì)算得到起裂壓力在20MPa左右，泵注壓力在25MPa左右。

（2）注水量

前置液用量按下列式計(jì)算：

式中：

V前-前置液用量，m3；

R-預(yù)計(jì)壓裂半徑，m；

r-孔眼半徑，m；

H-地層厚度，m；

φ-孔隙率，%。

當(dāng)前置液用量達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)量時(shí)，開(kāi)始計(jì)量頂替液，計(jì)算公式如下：

式中：

V替-頂替液用量，m3；

V外-孔外管道的容積，m3；

K-附加量系數(shù)，一般值為1.0～1.5；

V管-孔內(nèi)管柱容積，m3。

經(jīng)計(jì)算，該次壓裂孔煤層注水量約為100～120m3，實(shí)際壓裂注水量由現(xiàn)場(chǎng)情況靈活掌握。

3 試驗(yàn)方案

結(jié)合3107工作面地質(zhì)資料及巷道布置情況，共布置7個(gè)水力壓裂試驗(yàn)鉆孔，壓裂半徑40m，設(shè)計(jì)壓裂鉆孔間距70m，1#～7#鉆孔由外向里依次布置，5#壓裂孔為1#壓裂孔和2#壓裂孔之間的補(bǔ)充壓裂孔，壓裂鉆孔布置平面圖如圖4所示。

圖4 3107底抽巷壓裂區(qū)域鉆孔布置平面圖

4 卸壓增透效果考察

對(duì)壓裂區(qū)域進(jìn)行壓裂效果考察。首先測(cè)定未壓裂區(qū)域的煤層瓦斯相關(guān)參數(shù)，對(duì)水力壓裂進(jìn)行過(guò)程分析，并對(duì)壓裂區(qū)域煤層瓦斯含量、含水率等參數(shù)測(cè)定，確定水力壓裂影響半徑；然后在壓裂區(qū)域布置瓦斯預(yù)抽鉆孔，考察其抽采效果及抽采后煤層瓦斯含量，從而檢驗(yàn)水力壓裂后卸壓增透效果。

4.1 壓裂影響半徑考察

3107底抽巷共完成7個(gè)壓裂孔的水力壓裂工作。各壓裂孔在壓裂試驗(yàn)期間均未出現(xiàn)頂板掉渣現(xiàn)象，壓裂孔周邊圍巖有滲水現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)壓裂期間壓裂鉆孔周邊圍巖滲水情況統(tǒng)計(jì)及分析可知：2#壓裂孔泵注壓力19MPa左右，壓裂半徑為20m以上；5#壓裂孔泵注壓力為22MPa左右，壓裂半徑為50m以上；6#壓裂孔泵注壓力為23MPa，壓裂半徑為30m以上。

通過(guò)施工水力壓裂檢驗(yàn)孔判定壓裂半徑，根據(jù)鉆孔施工現(xiàn)象、鉆孔的瓦斯含量、含水率等參數(shù)來(lái)判定該處是否處在壓裂半徑內(nèi)。使用DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置測(cè)試煤樣的瓦斯含量，使用烘干法測(cè)試煤層含水率[5]。可知3#孔泵注壓力21MPa，壓裂半徑為52m左右；7#孔泵注壓力26.5MPa，壓裂半徑為47m左右。

綜合水力壓裂實(shí)施過(guò)程及檢驗(yàn)鉆孔考察可得，南五底抽巷水力壓裂泵注壓力20～26MPa、注水量100m3左右時(shí)，水力壓裂影響半徑在40～50m之間。

圖5 壓裂前后鉆孔抽采濃度及純量對(duì)比圖

4.2 抽采效果考察

水力壓裂后，考察鉆孔濃度0.64%～75.4%，抽采平均濃度39.22%，相比原始煤體瓦斯抽采平均濃度11.2%提升3.3倍，其中抽采濃度小于20%的觀測(cè)數(shù)據(jù)占所有數(shù)據(jù)的24%，抽采濃度大于20%且小于40%的觀測(cè)數(shù)據(jù)占所有數(shù)據(jù)的19%，抽采濃度高于40%的觀測(cè)數(shù)據(jù)占所有數(shù)據(jù)的57%，提升幅度巨大。壓裂后考察鉆孔單孔抽采純量為0.184～31.1L/min，平均單孔抽采純量3.01L/min，單孔抽采純量相比原始煤體瓦斯平均純量1.195L/min提高2.52倍，最高提升26倍。抽采情況如圖5所示。

5 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬分析了壓裂參數(shù)與壓裂影響半徑的關(guān)系，壓裂流量是最主要的影響因素，壓裂時(shí)間次之。

（2）根據(jù)工程實(shí)況及設(shè)備性能確定了壓裂參數(shù)，泵注壓力25MPa，煤層注水量100～120m3。

（3）壓裂試驗(yàn)后考察了卸壓增透效果，壓裂影響半徑40～50m，瓦斯抽采濃度提高了3.3倍，抽采量提高了2.52倍，抽采效果明顯。