水力壓裂封孔技術在松軟厚煤層中的研究與應用

郝瑞云

(山西煤炭進出口集團科學技術研究院有限公司,太原 030000)

目前高突礦井瓦斯治理及綜合利用措施主要是采取鉆孔瓦斯抽采技術[1-2]。鉆孔封孔技術作為瓦斯抽采的重要技術部分,決定著瓦斯抽采的效果。圍繞瓦斯抽采封孔技術,國內外專家學者通過研究鉆孔圍巖變形破壞規律,分析鉆孔漏氣原理,提出相應的封孔理論技術和工藝,研發出配套的抽采裝備和封孔材料,提高鉆孔的密封性,增加瓦斯抽采濃度,為瓦斯抽采技術發展提供理論指導和實踐經驗[3]。松軟煤層由于透氣性差,鉆孔圍巖受采動二次破壞裂隙發育嚴重,裂隙與外部空氣聯通形成導氣通道,抽采負壓不穩定,瓦斯衰減速度快,鉆孔封孔的難度增加,瓦斯抽采效果差[4]。針對松軟煤層封孔工藝存在的封孔參數不合理、密封效果差等問題,研究新型封孔工藝成為提高松軟煤層瓦斯抽采效果的重要研究方向。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3#煤層埋深約495～525 m,煤厚4.49～7.17 m,平均5.65 m,構造較簡單,屬于穩定煤層。根據2018年《礦井瓦斯涌出量測定報告》,

鑒定霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井,3#煤層瓦斯含量為3.49～15.79 m3/t,平均6.87 m3/t;煤層平均厚度5.65 m,透氣性系數為0.090 6～0.202 8 m2/(MPa2·d)。3#煤層屬低透氣性難抽-可抽煤層。目前礦井瓦斯治理主要措施為工作面預抽,封孔方式采用“兩堵一注”封孔工藝,鉆孔初始抽采濃度為47%,平均抽采濃度為31%,預抽瓦斯量約0.982～4.870 m3/min。導致瓦斯抽采濃度低的主要原因是封孔效果不理想。

影響瓦斯抽采效果的主要因素為漿液不能完全與鉆孔裂隙形成密閉,鉆孔圍巖裂隙發育與外部環境聯通[5-6]。為了提高抽采效率需要提前人為干預裂隙發育,保證漿液能夠進入裂隙中，形成密閉層。通過理論計算確定合理的封孔深度、壓裂位置、深度、數量等封孔參數,優化水力壓裂封孔工藝。

2 合理封孔參數計算

2.1 合理封孔深度及壓裂位置

霍爾辛赫礦煤層賦存深度525 m,上覆巖層容重2 500 kN/m3,為了能夠觀測鉆孔內壁圍巖變形破壞情況,分析鉆孔密封深度,采用鉆孔窺視儀對3305工作面瓦斯抽采鉆孔內部結構進行觀測,觀測情況如圖1所示。

圖1 鉆孔內部結構觀測圖Fig.1 Drilling internal structure

圖1(a)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發育少,圍巖完整性較好,受集中應力變形破壞小;圖1(b)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發育,圍巖受集中應力作用發生彈性破壞;圖1(c)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發育嚴重,局部發生塌落,圍巖處于應力集中區，受集中應力作用發生塑性破壞;圖1(d)可以看出,鉆孔煤壁裂隙發育較圖1(c)有所減少,圍巖變形趨于穩定,圍巖進入原巖應力區,受擾動的影響逐漸變小。

根據鉆孔窺視儀的現場觀測,結合《防治煤與瓦斯突出細則》規定,本煤層瓦斯抽采鉆孔封孔深度不低于8 m,按照富余系數2計算,確定現場封孔深度取值區間為8～16 m。

2.2 合理壓裂深度

根據霍爾辛赫3#煤層巷道實際賦存條件,煤層平均厚度5.6 m,鉆孔孔徑 113 mm,鉆孔應力按照各向等壓計算為11.25 MPa,修正系數1.3。將參數帶入圍巖裂隙分布公式計算。

鉆孔圍巖煤體破碎區半徑：

(1)

塑性區半徑:

(2)

彈性區半徑:

Re=5Ro.

(3)

式中:Ro為破碎區內邊界,0.08 m;po為原巖應力,11.25 MPa;c為內聚力,0.24 MPa;φ為內摩擦角,30°。

通過計算可得鉆孔圍巖煤體破碎區半徑Rs=0.17 m;塑性區半徑Rp=0.2 m;彈性區半徑Re=0.4 m。

確定鉆孔圍巖松動圈分布范圍,為鉆孔封孔壓裂深度提供理論依據。注漿密封應深入鉆孔塑性區延伸至彈性區,確定合理壓裂深度取值區間為 0.2～0.4 m 之間。為保證注漿封孔效果能夠滲入鉆孔圍巖發育裂隙當中形成密封層,余量系數取1.25,確定現場封孔壓裂深度取值區間為0.25～0.50 m。

2.3 合理注漿參數

1)注漿壓力確定。為保證注漿漿液在圍巖裂隙中形成密封層,按照漿液擴散范圍覆蓋鉆孔圍巖塑性區,注漿擴散半徑根據公式按最大值計算[7]:

(4)

式中:pg為注漿壓力,MPa;t為注漿時間,900 s;Rg為注漿半徑,取63 cm;Rz為鉆孔半徑,帶壓注漿取60 mm;ω為裂隙張度,取0.4 mm;μ為漿液粘度,取40 MPa·s。由公式可確定注漿壓力區間為1.3～1.5 MPa。

2)注漿量確定。鉆孔密封效果受注漿量直接影響。注漿量分為三部分:充填鉆孔圍巖裂隙注漿量、圍巖壓裂注漿量、鉆孔封孔注漿量。注漿量根據公式計算[8]:

Vg=φ(Vk+Vt+Vf) .

(5)

式中:Vk為鉆孔漿液體積,m3;Vt為裂隙漿液體積,m3;Vf為壓裂漿液體積,m3;Vg為封孔漿液體積,m3;r為鉆孔體積擴大系數,取1.3;θ為漿液裂隙體積系數,取0.25;Rz為鉆孔半徑,60 mm;rc為篩管半徑25 mm;rg為裂隙半徑,25 mm;l為封孔深度,取8～16 m;hf為壓裂半徑,12 mm;B為鉆孔封孔段縫槽數量,一般取1～3;ω為壓裂體積修正系數,1.2;φ為漿液余量系數,取1.2。由公式可確定注漿量區間為0.25～0.40 m3。

通過公式計算確定最優封孔參數取值范圍,在現場進行封孔作業時,封孔深度控制在8～16 m,封孔壓裂深度控制在0.25～0.50 m,注漿壓力控制在1.3～1.5 MPa,注漿量控制在 0.25～0.40 m3。

3 現場試驗

本次試驗地點3305回采工作面運輸順槽,孔間距3 m,孔徑113 mm,孔深120 m,鉆孔開孔高度距巷道底板1.4 m,鉆孔傾角為煤層傾角+1°。依據現場試驗條件進行抽采鉆孔施工設計,通過試驗對普通“兩堵一注”封孔工藝和水力壓裂封孔工藝進行對比分析。

水力壓裂封孔工藝采用三水平四因素正交試驗法分析不同鉆孔深度、壓裂數量、壓裂位置及壓裂深度,共布設9組對比試驗鉆孔,通過等水平正交試驗極差分析確定最優封孔參數。

A 組試驗鉆孔封孔方式采用“兩堵一注”封孔工藝,設計封孔深度16 m,試驗布置如表1所示。

表1 “兩堵一注”封孔工藝試驗布置Table 1 Sealing process test of two-sealing-one-injecting

B組—D組試驗鉆孔封孔方式采用水力壓裂注漿封孔工藝,設計封孔深度分別為10 m,13 m,16 m;封孔段壓裂數量分別為1,2,3條;壓裂切割深度分別為0.15 m，0.20 m，0.35 m,試驗布置如表2所示。

表2 水力壓裂注漿封孔工藝試驗布置Table 2 Sealing process test of hydraulic fracturing and grouting

每隔5 d對12組鉆孔瓦斯抽采濃度進行檢測,檢測時間跨度為80 d,記錄180組數據,將各組鉆孔瓦斯抽采濃度數據繪制成曲線圖,如圖2所示。

(a) A組瓦斯抽采曲線圖

(b) B組瓦斯抽采曲線圖

(c) C組瓦斯抽采曲線圖

(d) D組瓦斯抽采曲線圖圖2 各組試驗鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖Fig.2 Gas concentration curves of boreholes in different tests

由圖2可看出,采用普通“兩堵一注”封孔方式的A組各鉆孔,其瓦斯抽采濃度偏低,瓦斯衰減速度快,在抽采濃度80 d后衰減到20%。

通過對比A組—D組鉆孔濃度變化可知,采用壓裂技術后，鉆孔濃度隨壓裂的數量和深度的增加而提高。B組鉆孔濃度比A組鉆孔瓦斯濃度有所增加,但受封孔深度不足影響,80 d后抽采濃度衰減到30%,衰減速度仍較快。C組與D組瓦斯抽采濃度高,瓦斯濃度變化基本一致,抽采效果好,試驗期間抽采濃度基本保持在50%以上,且衰減速率較小,封孔效果明顯提升。

通過上述試驗結果分析可知,采用水力壓裂封孔技術相較于普通“兩堵一注”封孔技術的初始抽采濃度提升約1.3～1.8倍,平均抽采濃度提升約1.7倍。封孔效果隨著封孔深度的延伸、壓裂數量和深度的增加成正比例提高。從正交試驗封孔結果及封孔經濟性綜合考慮,最優的封孔參數為封孔深度13 m,封孔段壓裂數2條,壓裂深度 0.35 m,注漿壓力1.5 MPa,注漿量0.4 m3。

4 結論

本文針對松軟煤層透氣性差,鉆孔裂隙密封效果差，瓦斯抽采濃度低等問題,提出水力壓裂封孔技術。通過理論計算和現場驗證,確定最優的封孔參數為封孔深度13 m,封孔段壓裂數2條,壓裂深度 0.35 m,注漿壓力1.5 MPa,注漿量0.4 m3。實施新工藝后,初始瓦斯抽采濃度提升約1.3～1.8倍,平均抽采濃度提升約1.7倍。