水力壓裂增透技術在瓦斯抽采中的應用

倪士佳

摘要：水力壓裂增透技術是目前我國煤礦瓦斯抽采技術之一，近年來，取得了舉得大發展。

關鍵詞：水力壓裂增透技術；瓦斯抽采；應用

1 瓦斯抽采現狀

在瓦斯抽采過程中，煤層賦存條件、煤層硬度、地質構造、煤損害類型、埋深等因素都會在一定程度上影響煤層透氣性，從而影響瓦斯抽采的順利進行。如果煤層透氣性相對較高，提取效果將得到有效提高。然而，我國許多煤層一般都是低滲透煤層，因此很難抽采瓦斯。為此，在瓦斯抽采過程中，應注意適當擴大煤層裂隙的范圍和密度，以增強煤層透氣性效應，從而保證瓦斯抽采效果。目前，常見的煤層強化增透技術主要包括深孔控制預裂爆破技術、水力壓裂增透技術、CO2預裂增透技術、水力擴孔和水力開槽技術等。

2 水力壓裂的原理

2.1裂縫起裂原理

水力壓裂技術是通過鉆孔將流體壓入煤層，當壓入液體的速度遠遠超過煤層的自然吸水能力時，由于流動阻力的增加，進入煤層的液體壓力將逐漸增加，當壓力超過煤層上方的巖壓時，煤層中原來封閉的裂隙將被壓開，形成新的流動網絡，煤層的滲透率將增加，被壓裂隙將為煤層瓦斯流動創造有利條件。

2.2裂縫延伸原理

當將水注入到弱面充水空間時，在注水泵的作用下會產生一定的壓力，即注水壓力。此外，在煤層孔隙的潤濕和毛細管作用下，一些注水壓力會損失，這部分損失的壓力稱為濾失壓力。如果注水壓力大于濾失壓力，將導致水流入煤層壓裂系統，水將混合煤顆粒并形成堵塞區。在這種情況下，一級弱裂面壓力會逐漸增大，導致煤層裂隙擴大，堵塞效果減弱。隨著煤顆粒逐漸擴散到第四周，將形成二次堵塞。

2.3壓裂增透原理

壓力水進入煤層之后，依次進入一級弱面（張開度較大的層理或切割裂隙）、二級裂隙弱面、原生微裂隙，同時壓力水在裂隙弱面內對壁面產生內壓作用下，導致裂隙弱面發生擴展、延伸以至相互之間發生連接貫通過程實現壓裂分解。從而使內部裂隙弱面的擴展、延伸以及相互之間貫通，形成相互交織的貫通裂隙網絡，達到提高煤層滲透率的目的。

3 水力壓裂增透技術在煤礦瓦斯抽采中的應用

3.1水力壓裂試驗情況

3.1.1水力壓裂設備及儀表

選用額定壓力為31.5MPa、最大排量為200L/min的乳化液泵。為便于操作和控制，壓裂泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件，采用直感耐震壓力表對注水壓力進行觀測。此次試驗的壓裂泵上和注水管上配備的壓力表量程均為60MPa，乳化液箱容積為2m3。壓裂系統由壓裂泵、水箱和壓力表等組成。

3.1.2壓裂鉆孔布置及施工

2018年6月16日，在礦井五采區左7路28#底抽巷施工了水力壓裂測試鉆孔。鉆孔方位角為N128°，即壓裂鉆孔與巷道線夾角90°；鉆孔傾角45°左右，基本上垂直煤層層面。壓裂測試孔平均長45m，終孔位置位于左7路28#采面運輸巷設計位置，鉆孔見煤點埋深在710～720m。距壓裂測試孔里部50m施工了1排4個鉆孔作為壓裂觀測孔，外部50m處有1個測壓鉆孔。

3.1.3壓裂鉆孔封孔及注水

2018年7月15日，采用采用的是專用封孔料和封孔泵進行封孔，封孔長度為鉆孔孔口至28#煤層底板。具體方法為首先在靠近鉆孔孔口段專用封口器（兩堵一注封孔材料），然后根據鉆孔的封孔長度計算出所需封孔料的體積，再借助專用封孔機將預先配制好的體積比為1.0：0.5～0.6（封孔料：水）的封孔料通過注漿管注入鉆孔直到全部注完為止，封孔24h后安裝在線計量裝置觀測鉆孔的瓦斯濃度及流量。在2018年8月13日中班17：20，開始對水力壓裂測試鉆孔進行了注水壓裂，至22：28發現距水力壓裂測試孔水平距離50m處的觀測孔出現滴水現象并有增大的趨勢，注水壓力迅速降低至7.8MPa左右，隨即關閉閘閥，結束注水。試驗最高注水壓力為18MPa，累計注水時間5h，注水量55噸左右。在該煤層注水試驗過程中，由于受到供水量因素的影響，注水環節出現多次中斷，通過對第一次注水過程以及注水壓力進行觀測，分析可知，在壓裂的初始階段，水壓致裂壓力逐漸增加，隨著壓裂的持續進行，壓力增加速度增長放緩。通過對注水壓力進行監測發現，在進行煤層注水過程中，注水壓力在15MPa～18MPa之間，注水停止后，液體壓力逐漸降低。通過多次注水，水壓逐漸增加。在該煤層中，當注水壓力達到18MPa后，水壓不再增加。在水力壓裂增透試驗中，注水壓力是十分重要的技術參數，適宜的注水壓力能有效促進煤層松動，促進煤層裂隙寬度的增加，改善煤層結構。

煤層破裂壓力經驗估算值為16.8MPa，考慮到注水壓力損失，注水壓力應大于該值。本次試驗注水壓力為18MPa，符合經驗計算條件。

3.2水力壓裂效果分析

2018年8月14日下午l5：O0，打開閘閥開始放水，放水9h后在15日凌晨零點整安裝煤氣表并開始考察鉆孔瓦斯流量，此時鉆孔排放瓦斯體積分數100%。測試孑L壓裂后自然排放考察觀測至8月30日20：36，排放期問每天觀測煤氣表排放量并準確記錄讀數時間。排放期間最大自排瓦斯流為0.0700m3/min，平均0.0434m3/min，累計放瓦斯量991m？。（

在壓裂水的排放過程中，煤層裂隙寬度逐漸增加，有利于瓦斯抽采。通過對瓦斯流量進行監測發現，在鉆孔位置，瓦斯流量逐漸增加，最大流量值為0.07m？/min。煤層壓裂增透試驗完成后，對鉆孔進行封孔處理，封孔第七天后，瓦斯流量已經降低至最低值，瓦斯平均流量為0.00034m？/min。根據本次壓裂試驗，煤層透氣性顯著改善，在注水過程中，鉆孔用水量逐漸增加。

4 結語

壓裂是提高煤層滲透性的有效途徑，也是提高預抽氣體濃度的有力保證。水力壓裂技術的發展和應用對我國煤礦瓦斯抽采效果具有重要意義。隨著科學的發展，水力壓裂技術將會更加完善和廣泛應用。

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（作者單位：黑龍江龍煤雞西礦業有限責任公司滴道盛和煤礦立井抽采區）