順層鉆孔水力壓裂增滲技術在單一低透氣性煤層的應用

薛志鵬

(山西煤礦安全培訓中心，山西 太原 030012)

在低透氣性的煤層中，常規(guī)鉆孔布置及參數(shù)在進行預抽采的過程中難以滿足要求。采用順層水力壓裂技術，是在利用高壓水的沖擊力的前提下，在煤層中鉆取順層鉆孔，高壓水壓入致裂。圖1為順層鉆孔設備及管路連接示意圖。低透煤層煤礦井下順層壓裂工藝在實際應用中，考慮到為滿足井下防爆、多量程穿層壓裂等要求，需要采用大流量泵體[1]。順層水力壓裂過程中的高壓水，除較少部分通過返排孔流出，大部分通過煤裂隙流出或浸潤煤基質(zhì)被截留[2]。起裂所需壓力大于裂紋擴展壓力，鉆孔起裂后,裂紋一般只在弱面上繼續(xù)擴展，而其余方向裂紋不再發(fā)育[3]。

為減少水量流失，滿足裂隙擴展的范圍與程度需要，滿足寺家莊礦井下實際工況，在15301工作面開展改進水力壓裂的封隔器串聯(lián)封孔工藝，設計優(yōu)化水壓目標方向，改進水力壓裂在順層條件的實際生產(chǎn)工藝，消除瓦斯治理盲區(qū)的相關工程實驗。并建立對順層鉆孔水力壓裂技術在瓦斯抽采方面的影響效果評價體系。

1 順層鉆孔壓裂施工工藝研究

1.1 泵注壓力

煤巖損傷破壞的本質(zhì)是能量不斷演化的結果，采用能量的觀點研究壓裂壓力更加符合實際情況[5-7]。因此，本節(jié)通過能量的原理確定煤層高壓壓裂壓力的大小。壓裂壓力直接影響著壓裂的實際效果，在較小的壓裂壓力情況下，水流濕潤效果不明顯，無法達到理想效果；若壓裂壓力較大，需要對壓裂設備提出更高的技術要求的同時，還容易造成壓裂過程的煤與瓦斯突出[8]。壓裂孔視平面應力問題，如圖2所示，分析可知，高壓水和地應力直接影響周圍煤體的屈服破壞。

圖1 順層鉆孔設備及管路連接示意

圖2 煤層壓裂孔周圍應力狀態(tài)

小主應力隨著壓裂壓力P增大而降低，最大裂紋擴展力發(fā)生在最大拉應力方向，結合寺家莊礦工作面現(xiàn)場實際情況，針對不同的側壓系數(shù)進行計算即可得到高壓壓裂時煤體破裂的臨界水壓值，采用能量原理計算臨界壓裂壓力值為 18～25 MPa，相關計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

1.2 封孔長度

根據(jù)現(xiàn)場壓裂試驗發(fā)現(xiàn)，煤層壓裂過程中，封孔長度對于壓裂效果和煤壁的穩(wěn)定性具有重要影響。本次壓裂采用重慶煤科院提供專用封隔器(MKY80型封隔器)和配套封孔管封孔，若壓裂孔封孔長度較短，一方面容易密封不嚴，導致鉆孔中的水向外滲漏，無法保證壓裂量。另一方面將導致壓裂后的煤壁酥軟，這對回采具有很大的不利影響。煤層壓裂過程中，一定要嚴格控制封孔長度，工作面前方煤體由于采動影響而處于破碎狀態(tài)，因此，每個壓裂孔的封孔長度不得少于20 m，封孔示意如圖3所示，壓裂前準備、施工工藝流程如圖4所示。

圖3 順層封隔器封孔示意

圖4 壓裂工藝流程

以上設計的壓裂參數(shù)均為根據(jù)現(xiàn)有模型進行的理論計算，由于寺家莊煤礦15號煤層屬于厚煤層，具體施工參數(shù)的確定，需待對煤層進行現(xiàn)場壓裂后，根據(jù)現(xiàn)場施工的條件進行優(yōu)化，并對現(xiàn)有壓裂設計模型進行修正后再進行詳細設計，并構建成基于起裂壓力、壓裂半徑、漏失量計算、摩阻損失等參數(shù)的厚煤層水力壓裂參數(shù)設計體系。

2 順層鉆孔水力壓裂現(xiàn)場試驗

2.1 順層鉆孔壓裂鉆孔布置

根據(jù)寺家莊礦15301工作面煤層地質(zhì)情況及工作面的實際生產(chǎn)情況，試驗區(qū)域距構造區(qū)域50 m，在試驗區(qū)，先對壓裂時間及壓裂影響半徑進行試驗考察，圖5為壓裂孔及考察孔設計圖，圖中藍色鉆孔為壓裂孔，壓裂施工前先在壓裂孔兩側間距20 m、30 m處，分別施工壓裂考察孔K1、K0，用于在壓裂過程中觀察出水情況，施工考察孔K1時取煤樣測試煤體原始瓦斯含量及含水率。另外考察孔K1下管30 m，“兩堵一注”水泥砂漿封孔20 m，孔口安裝閘閥(壓裂時處于開啟狀態(tài))，如果考察孔出水(說明壓裂影響區(qū)域已覆蓋考察孔與壓裂孔之間20 m范圍)，則關閉閘閥繼續(xù)壓裂，直到另一側考察孔出水則停止壓裂，并記錄壓裂開始到考察孔出水時間。壓裂結束后，在距離壓裂孔35 m、40 m、45 m布置壓裂影響半徑考察孔(K2、K3、K4)，取樣測瓦斯含量、含水率與原始煤體對比進一步考察壓裂范圍(如果所測含量比原始含量小則說明在壓裂影響半徑內(nèi))。鉆孔參數(shù)設計表如表2所示。

圖5 采煤工作面壓裂半徑考察鉆孔布置圖

表2 壓裂半徑考察孔參數(shù)設計

15301工作面順層孔水力壓裂試驗壓裂孔間距按10 m、20 m和30 m設計，在15301工作面回風巷施工順層壓裂鉆孔，順層水力壓裂鉆孔設計孔徑94 mm，孔深120 m，圖中藍色鉆孔為壓裂鉆孔(Y1～Y20號孔)。為了考察壓裂范圍及壓裂結束判識，在壓裂孔兩側相同間距各施工1個考察孔(K1～K21號孔)。

15301工作面進風巷順層壓裂鉆孔及考察孔設計圖如圖6所示，施工參數(shù)如表3所示。在井下施工過程中，要達到鉆孔的有效性，這需要對煤層瓦斯含量、原始水分以及煤層產(chǎn)狀進行評價，選擇科學適合的鉆孔位置，輔助孔接入抽采管路，以保證壓裂過程能有足夠自由脹裂空間，同時為防止破碎煤粒堵塞流水通道，需設防水排渣裝置。

圖6 15301工作面回風巷順層水力壓裂鉆孔及輔助孔設計圖(m)

表3 15301工作面順層鉆孔壓裂參數(shù)設計

15301工作面完成了7個順層鉆孔壓裂，壓裂情況如表4所示。

表4 15301工作面順層鉆孔壓裂情況

2.2 順層鉆孔水力壓裂效果考察

根據(jù)壓裂現(xiàn)場實施情況，完成壓裂影響半徑、抽采效果等考察工作，并根據(jù)壓裂效果對壓裂參數(shù)及鉆孔布置進行優(yōu)化，形成適用于某一礦井同一水平同一地質(zhì)單元內(nèi)的壓裂參數(shù)及效果考察方法。

2.2.1 壓裂影響半徑考察

1) 施鉆現(xiàn)象判識。壓裂裂縫的有效擴展范圍即為壓裂有效半徑，且裂縫擴展后，破壞了煤層的原始結構，因此在施鉆過程中，會出現(xiàn)高壓水涌出現(xiàn)象，并攜帶顆粒狀煤屑。因此可通過鉆孔排水間接確定壓裂有效半徑。

2) 瓦斯含量法。壓裂后，由于高壓水的驅(qū)趕作用，煤層內(nèi)的游離瓦斯將被驅(qū)趕至壓裂有效半徑外圍區(qū)域，因此可通過對效果考察孔的瓦斯含量測定對壓裂有效半徑進行判識，可解吸瓦斯含量較原始含量減小的區(qū)域即為壓裂有效半徑范圍。為縮短考察時間，本次試驗效果考察將采用直接法測定壓裂區(qū)域的可解吸瓦斯含量。鉆孔施工過程中測定距壓裂孔不同距離處的瓦斯含量，同時測定煤樣含水率。

寺家莊礦15301工作面完成了壓裂影響半徑考察，當壓裂注水達到60 m3時，考察孔K1出水，關閉孔口閘閥，繼續(xù)壓裂達到80 m3時，考察孔K0出水，直觀說明了順層鉆孔水力壓裂影響半徑達30 m以上。

2.2.2 抽采效果考察

抽采濃度、抽采混合流量、抽采純量等作為對抽采效果評價的參數(shù)，可以直觀地反應壓裂對煤體的增透作用，統(tǒng)計試驗孔與對比孔的抽采量及抽采濃度，即可表征試驗孔與對比孔的鉆孔瓦斯抽采難易程度。對比孔在鉆孔施工完成，立即進行封孔聯(lián)抽；試驗孔在鉆孔后，需要進行水力壓裂，完成后再封孔聯(lián)抽，根據(jù)鉆孔瓦斯抽采量，鉆孔控制范圍、結合抽采區(qū)域煤層瓦斯含量(根據(jù)抽采效果配合考察)。

寺家莊礦井下順層孔的抽放單元根據(jù)實際生產(chǎn)要求，設計單元間間隔為200 m，單元所在位置原設在400 m壓裂區(qū)，但受工作面生產(chǎn)限制，壓裂區(qū)實際在工作面外圍200 m，如圖7所示。設計抽放孔間距2.5 m，鉆孔長度120 m，封孔長度21 m.選擇一組未被壓裂且抽采鉆孔參數(shù)均一致的抽采單元進行效果對比，安裝相同型號的抽采計量裝置進行效果考察。

圖7 不同區(qū)施工對比圖(m)

由圖8與圖9可知，在15301進風試驗地點，壓裂區(qū)平均濃度在36.2%，而非壓裂區(qū)僅在6.0%；壓裂區(qū)百孔純量(平均單孔純量)在3.73 m3/min，非壓裂區(qū)在0.35 m3/min.

圖8 不同區(qū)瓦斯抽采濃度變化

圖9 不同區(qū)瓦斯抽采純量變化

3 結 語

1) 采用順層鉆孔壓裂水力技術，抽采濃度明顯提高。壓裂區(qū)在36.2%，非壓裂區(qū)在6.0%，約提高6倍。

2) 順層鉆孔水力壓裂區(qū)抽采純量明顯高于非壓裂區(qū)。壓裂區(qū)在3.73 m3/min，非壓裂區(qū)在0.35 m3/min，約提高11倍。

3) 通過對實驗區(qū)域進行順層鉆孔水力壓裂效果的研究，改進得到水力壓力在單一低透氣性煤層的實際生產(chǎn)施工工藝。采用抽采純量與濃度作為主要指標，開展了工作面順層水力壓裂技術對瓦斯抽采促進效果進行評價，為評測瓦斯抽采質(zhì)量，以瓦斯含量與含水率作為對比參數(shù)。