定向長鉆孔水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理中的應用

2020-10-14 07:30:42龔齊森王文春周東平周俊杰蔣和才王旭晟

煤礦現代化 2020年6期

龔齊森，王文春，周東平，周俊杰，蔣和才，王旭晟

（重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400060）

0 引言

我國大多數煤礦屬于高瓦斯礦井，且由于地質條件復雜多樣，許多高瓦斯煤礦煤層屬于松軟破碎煤層[1-2]，其抽采瓦斯鉆孔施工困難，易出現塌孔、縮孔，成孔能力極差，且煤層瓦斯滲透性較低，造成瓦斯抽采困難，抽采效率低，進而導致礦井回采生產秩序失衡，嚴重制約了礦井安全高效生產，因此，除了要解決抽采鉆孔的成孔能力外，增加低滲透性松軟煤層的瓦斯滲透性是解決瓦斯高效抽采的關鍵。長鉆孔水力壓裂技術是改變礦井松軟破碎煤層儲層結構的重要方法，該技術能夠增加煤層滲透能力、均衡瓦斯壓力、平衡地應力場以及抑制瓦斯涌出等具有良好的效果，為低滲透松軟破碎煤層的瓦斯抽采提供重要途徑。本文以王坡煤業3號煤層為工程背景，研究長鉆孔水力壓裂技術對低滲透松軟破碎煤層的增透效果，以期解決低滲透破軟煤層瓦斯治理的技術難題。

1 工程背景

王坡煤業主采3#煤層，煤層平均厚度為4.6 m，煤層平均傾角為5°。3#煤層老頂、老底均為中砂巖，直接頂板為黑色泥巖，局部含粉砂巖或砂質泥巖，直接底板為粉砂質泥巖或泥巖。煤層結構較簡單，一般含0～2層夾矸，單層夾矸厚度為0～0.4m。3#煤層屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。礦井最大相對瓦斯涌出量為54.58m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為138.78m3/min，瓦斯最大壓力為0.58MPa，為高瓦斯礦井。3#煤層瓦斯含量為8.53～10.44 m3/t，煤體屬于松軟破碎煤層，其堅固系數f為0.30～0.55，煤層透氣性系數為0.071m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯衰減系數為0.378d-1，屬于低透氣性煤層。

2 水力壓裂增透原理

2.1 增透機理

水力壓裂技術[3-4]是通過壓裂設備向煤層注射孔內注射高壓液體，其壓力要遠遠大于煤體的吸收能力，將注入孔的孔口進行封堵，這樣注入孔內的液體壓力將不斷上升，當液體壓力大于煤體的破裂壓力時，注入孔的孔壁會在高壓液體下的擠壓作用下形成初始裂縫，隨著高壓液體的不斷注入，在初始形成的裂縫尖端處發生起裂-擴展，這種過程將隨著高壓液體的持續注入而不斷發生，直至注入的高壓液體的流動速度等于煤體的滲透速度時，裂紋將不會在擴展延伸，此時煤體裂隙的壓裂范圍已達到此高壓液體流量下的最大范圍值，水力壓裂力學原理過程見圖1。

圖1 水力壓裂力學變化過程

針對圖1，水力壓裂機理及力學過程可具體細化為以下3個階段：

1）煤體壓密階段。在注入鉆孔的高壓液體壓力小于煤體破裂壓力前，鉆孔孔壁煤層在液態壓力作用下發生屈服和變形，隨著液體壓力的持續增大，孔壁煤層逐漸被進一步壓密，鉆孔孔徑擴大，所以此階段又被成為鉆孔擴孔階段。

2）裂隙產生階段?？妆诿后w在持續壓力作用下達到屈服極限后，進入硬化階段，隨著液體壓力進一步增大，達到了煤體破裂壓力值時，煤體發生失穩破壞，孔壁產生初始裂隙，這一階段是煤體被水流壓密而產生的作用結果，是下一階段裂隙發育擴展的必要條件。

3）裂隙擴展階段。在液體壓力作用下產生初始裂隙后，鉆孔空間整體表面積增大，導致液體壓力下降，所以需繼續增大注水量，增大液體壓力，使其大于煤體裂隙尖端的拉應力，使裂隙得到進一步的擴展延伸，直至煤體滲透速度達到注入液體流動速度時，裂隙將停止擴展，壓裂過程結束。

2.2 煤體破裂壓計算

在《巖體力學》中對于煤巖體臨界破裂的壓力分析認為，破裂壓力等于煤巖體抗拉強度加上此時在孔壁處形成的應力集中強度，即：

式中：Tht為煤巖體抗拉強度，MPa；Pb為煤巖體臨界破裂值，MPa；σmin為最小主應力，MPa；σmax為最大主應力，MPa。

根據實驗室對煤巖體的物性測試以及地應力測試結果，代入式中可得3#煤體破裂壓力為14.5MPa。

另外，根據王坡煤業相鄰礦井的地應力及注壓井測試結果，可知煤巖體破裂壓力梯度為1.50～2.10MPa/hm左右，王坡煤業3#煤平均埋深為700m，計算可知其煤體破裂壓力范圍為10.5～14.70MPa左右。

3 水力壓裂施工

3.1 壓裂鉆孔布置

選擇王坡煤業3301進風底抽巷為本次施工巷道，施工鉆孔距工作面開切眼72m處，向未掘區域施工，如圖2所示，主孔與水平呈35°夾角進行鉆進，1個主孔連帶3個分支孔，主孔共鉆進距離為660m，其中煤層內鉆孔長度為221m，1-1分支孔深度為72m，1-2分孔深度為85m，1-3分支孔深度為93m。

圖2 鉆孔布置示意圖

壓裂設備主要由壓力泵、遠程控制系統、連孔管路系統以及鉆孔監測系統構成，其中連孔管路系統由孔內封堵壓裂管和連孔管路組成。鉆孔的快速封孔以及注水壓裂主要由孔內封堵壓裂管完成，其中包括單流閥、擴張式封隔器、引鞋、壓裂油管以及壓差滑套等，具體如圖3所示。

圖3 鉆孔內部壓裂設備示意圖

3.2 壓裂施工

水力壓裂一般優選清水作為壓裂液，這樣不會對煤層造成污染，影響接下來的施工。在封隔器封好鉆孔后，開始啟動壓力泵進行注水壓裂，不斷提高注水流量及壓力，當壓力達到15.4MPa時，壓差滑套開啟，開始進行壓裂。本次水力壓裂共進行了74h，注水量共達到2260m2，整個過程中未出現鉆孔孔口滲水的現象發生。

通過遠程控制系統及孔內監測系統可得到在壓裂施工過程中水壓及水流量隨壓裂時間的變化曲線，如圖4所示為壓裂水壓隨壓裂時間的變化曲線。由圖可以看出，在滑套打開后不久，煤孔壁開始起裂，起裂壓力為14.6MPa，與理論計算結果基本相同，緊接著在增大注水量后孔壁開始出現明顯破裂，在經過不規則跳動后，孔壁出現第二次明顯破裂，在此之后，隨著壓裂時間的進行，水壓基本呈現周期性鋸齒狀變化，其中最大降壓值達到5.2MPa，最大水壓達到24.5MPa，這個區間是煤層裂紋主要延伸擴展的時間段，最后經過兩次明顯破裂后，煤層滲透性達到了一定程度，壓裂過程結束。

圖4 壓裂過程中水壓變化曲線

在壓裂施工完后，為避免泄壓過快造成壓裂段鉆孔出現堵孔、塌孔等問題，在施工完后，采取保壓操作，讓孔內壓力自然調節到平衡，使壓裂段煤層內部應力重新分布。在保壓結束后，通過控制閥對排水速率進行有效控制，避免排水過快造成鉆孔塌孔現象，另外為保證抽采效果，本次壓裂抽采期間采取保留管柱，以保證抽采孔的抽采順暢，在完成抽采后，解除封隔器，收回壓裂設備。

4 水力壓裂效果分析

4.1 物理參數考察

煤層物理參數是考察壓裂效果好壞的直接憑證，物理參數包括，透氣性系數、全水分、衰減系數等。在壓裂鉆孔軸向及徑向不同位置處共布置20個考察鉆孔，對煤層物理參數進行測定，得出壓裂后的煤層透氣性系數為0.545～0.887 m2/（MPa2·d），透氣性相對壓裂前煤層增加了4.88倍；壓裂后的衰減系數變為0.048～0.059，相對壓裂前降低為7.1倍，效果明顯；通過全水分系數系數分析了壓裂影響范圍，壓裂前煤層全水平均為1.71%，在壓裂后煤層全水分平均為4.31%，以此確定了鉆孔壓裂影響范圍為：軸向方向平均為110m，徑向方向為220m。

4.2 瓦斯抽采效果

在鉆孔排水完后，開始連接抽放管路進行瓦斯抽采，抽采過程中對單孔瓦斯抽采濃度，瓦斯抽采純量以及百米鉆孔抽采量進行記錄，并對壓裂區域與未壓裂區域抽采鉆孔情況進行對比。如圖5為單孔瓦斯抽采濃度隨時間變化曲線，可以看出在30d測試范圍內，未壓裂煤層區域（原始煤層）瓦斯平均抽采濃度為15.73%，壓裂后平均為45.04%，對比增加了2.8倍；測試得出未壓裂區域鉆孔瓦斯抽采量為2.84～5.80m3/d，平均為4.73 m3/d，壓裂區域鉆孔瓦斯抽采量為7.08～134.03 m3/d，平均為60.06 m3/d，對比增加了12.70倍；未壓裂區域百米鉆孔瓦斯抽采量為0.002～0.004m3/（min·hm），平均為0.003m3/（min·hm），壓裂區域百米鉆孔瓦斯抽采量為0.002～0.017 m3/（min·hm），平均為0.007 m3/（min·hm），對比增加了2.67倍。通過分析可以看出，煤層壓裂后增透效果顯著，鉆孔瓦斯抽采效果得到明顯提升。