水力壓裂消突技術在低透氣性煤層瓦斯治理的應用

2021-02-05 09:36:56鄧強

煤礦安全 2021年1期

鄧強

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順113122）

安全生產是中國煤炭行業的“生命線”，瓦斯突出是煤礦生產過程中的重大災害之一，嚴重威脅著工人的生命安全[1]。因此，瓦斯治理仍然是煤礦安全生產工作的重中之重，特別是高瓦斯、低透氣性的突出煤層，瓦斯治理難度非常大，一直都是國內外學者研究的難點和熱點[2-4]。而水力壓裂技術作為治理低透氣性煤層瓦斯突出的有效手段，得到了越來越多的推廣應用[5]。在常規水力壓裂技術的基礎上，逐步發展了多種新型壓裂技術和方法，如變排量壓裂、復合壓裂、重復壓裂等技術[6-7]。但是在眾多壓裂技術中對于壓裂效果的考察還是存在著一些不足，大多數試驗研究是以瓦斯含量和壓力來確定壓裂效果影響范圍。為此，用瓦斯含量及煤層含水率壓裂前后變化雙重指標作為壓裂效果的評價標準，對壓裂區域的確定更加精確[8-9]；選取文家壩礦作為示范礦井，利用水力壓裂增透消突技術，針對6#低透氣性煤層瓦斯治理難題開展了試驗研究。

1 工作面概況

605 回采工作面回采前采取了在運輸巷和回風巷施工順層鉆孔預抽煤層瓦斯區域防突措施，鉆孔間距約3 m。由于瓦斯抽采效果差，難以有效解決605 工作面瓦斯治理問題，礦井在605 工作面回采過程中為防止瓦斯超限還在切眼補充施工了順層長鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯措施，由于煤層松軟，鉆孔預抽效果相對較差，瓦斯抽采流量和抽采濃度相對偏低，制約了礦井的生產。因此，尋求1 種快速卸壓增透的措施是實現安全高效回采的迫切需求[10-11]。

2 瓦斯治理技術難點

1）煤質松軟，容易塌孔，影響抽采效果。6#煤層煤的堅固性系數f=0.34，煤的最高破壞類型為Ⅲ類，施工鉆孔后，容易塌孔，影響抽采效果。

2）煤層透氣性差，抽采半徑小。6#煤層為難抽采煤層，透氣性低，在未開采保護層條件下，難以抽采。

3）煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大，突出危險性高。根據瓦斯參數測定情況，6#煤層最大瓦斯壓力p=1.15 MPa，最大瓦斯含量14.454 2 m3/t。

3 試驗方案及工藝

3.1 試驗壓裂鉆孔設計

根據試驗地點情況和項目的研究需求布置水力壓裂試驗巷道長度為30 m，開孔位置在煤層中部，水力壓裂鉆孔10 個，常規對比鉆孔10 個。

水力壓裂鉆孔布置如圖1，從左到右分別為1#～10#孔，控制巷道前方80 m，壓裂鉆孔終孔間距為3 m；壓裂從鉆孔孔底開始由里往外壓裂，每3 根鉆桿割1 刀，孔口留20 m 保護煤柱，每個鉆孔共割27～28 刀。

圖1 試驗區鉆孔布置示意圖Fig.1 Borehole layout diagram

壓裂鉆孔孔徑94 mm，鉆孔長度80 m，封孔長度為8 m 以上；常規對比鉆孔孔徑94 mm，鉆孔長度80 m，封孔長度為8 m 以上。

3.2 水力壓裂裝備及水力壓裂工藝流程

水力壓裂增透裝備由高壓水力泵站、高壓旋轉接頭、螺旋助排渣高壓水射流鉆桿、三維旋轉水射流噴頭和噴嘴、高壓膠管、液控調壓裝置等輔助設施組成，其高壓水射流產生部件實物如圖2。

圖2 水力壓裂技術裝備Fig.2 Technical equipment diagram

水力壓裂裝備連接布置圖如圖3。在605 工作面運輸巷（距離切眼120 m 處）按設計參數施工順層鉆孔，試驗鉆孔用φ94 mm 的鉆頭鉆進至預定孔深后，退出鉆桿，換上高壓水力壓裂系統，依次連接水力壓裂噴頭、水射流專用高壓密封鉆桿（高壓水射流專用旋轉接頭、高壓膠管、高壓水射流專用控壓裝置、高壓水泵，形成高壓水力壓裂系統后，加鉆桿將鉆頭送至預定孔深位置，然后開始向外退鉆壓裂，再外退鉆桿進行下一段壓裂[12]。

圖3 水力壓裂裝備連接布置圖Fig.3 Equipment connection diagram

3.3 水力壓裂裝備選型

水力壓裂時壓水泵輸出壓力對于受壓煤體的裂隙發育效果影響非常大，因此確定高壓水泵的壓力及流量成為水力壓裂實驗的基礎，如果注水壓力不夠，流量太小，高壓水流在經過煤體是，需克服煤體的阻力，能量散失，不足以使其裂隙發育完全[13-14]。反之如果注水壓力太大，煤體太破碎，達不到裂隙延伸的效果，而且還有誘發突出的可能。起裂壓力必須達到要克服地應力以及煤體的抗拉強度產生的拉力，起裂壓力F 公式計算如下[15]：

F＝min｛V（3－μ）η＋St，V（3μ－1）η＋St｝

式中：V 為地應力系數，V＝σv/η；σv為實際垂向最小地應力，MPa；μ 為側應力系數，μ 取1.7；St為煤體抗拉強度，MPa；η 為垂向應力，kPa，η＝ρgH；ρ 為上覆巖層平均密度，t/m3；H 為煤層埋深，m。

經計算起裂壓力為22.73 MPa。高壓水泵選額定壓力35 MPa、額定流量400 L/min 的BRW400/40型礦用乳化液泵。

4 瓦斯抽采效果考察

4.1 瓦斯抽采濃度及流量變化規律

煤層經過水力壓裂后，由于煤體發生膨脹變形，影響范圍逐漸擴大，孔隙率增加，透氣性增大，導致較遠處的瓦斯也源源不斷地涌向孔道[16-17]。而游離瓦斯首先被抽采，在抽采鉆孔處形成降壓區，原始吸附的瓦斯在壓力的驅動下源源不斷的轉化為游離瓦斯，使得煤層透氣性增加[18]。

等壓裂試驗完成后，清洗鉆孔并對鉆孔放水4 d，在壓裂區域同時施工抽采鉆孔，封孔后接入抽采系統實現并網抽采，同時在壓力試驗前后測定煤層瓦斯含量以及含水率。

增透前后單孔瓦斯濃度由原來的最高單孔瓦斯濃度25%增大到了增透后的78%，單孔瓦斯濃度增加了3.12 倍，壓裂鉆孔與常規鉆孔抽采濃度圖如圖4，壓裂鉆孔與常規鉆孔抽放效果如圖5。

圖4 壓裂鉆孔與常規鉆孔抽采濃度圖Fig.4 Extraction concentration map for fracturing and conventional drilling

4.2 殘余瓦斯含量測試

相同抽采條件下的殘余瓦斯含量可以表明采用高壓水力壓裂技術后，對鉆孔瓦斯抽采效果的影響及達到相同抽采目的所用時間的長短[19-20]。

分別測量抽采后對比孔與試驗孔范圍內的殘余瓦斯含量，根據殘余瓦斯含量測定結果推算鉆孔瓦斯抽采半徑[21]，壓裂前后瓦斯含量記錄表見表1。

圖5 壓裂鉆孔與常規鉆孔抽放效果圖Fig.5 Drawing effect of fracturing drilling and conventional drilling

表1 壓裂前后瓦斯含量記錄表Table 1 Gas content record table before and after fracturing

4.3 煤層含水率測試

壓裂前后煤層含水率記錄見表2。

表2 壓裂前后煤層含水率記錄表Table 2 Record table of water content of coal seam before and after fracturing

通過試驗數據表明，在壓裂區域抽采時間一定的前提下隨著抽采孔與壓裂區的距離不斷增大，煤層瓦斯含量逐漸增大，說明壓裂區域裂隙延伸已經達到極限，也就是增透半徑達到最大值。當距離壓裂孔20 m 處時，煤層瓦斯含量接近未壓裂區的抽采后的瓦斯含量值，說明壓裂試驗影響范圍接近20 m。再綜合煤層含水率的試驗結果發現，當距離壓裂孔20 m 時壓裂區煤體的含水率接近原始含水率，水無法通過新增裂隙潤濕煤體，在煤體中無法實現水對瓦斯的驅替作用，說明增透范圍水力壓裂卸壓增透影響半徑為20 m。