水力壓裂增透技術在昌興煤礦松軟低透煤層瓦斯治理中的試驗研究

李臣武

(貴州職業技術學院 建筑工程學院,貴州 貴陽 550023)

根據《防治煤與瓦斯突出細則》規定,堅固性系數f小于0.5 的煤層屬于松軟煤層[1]。該煤層煤體較軟,賦存瓦斯大,煤層透氣性差,甚至大多數煤層具有突出危險性,施工鉆孔時,噴孔、塌孔、堵孔現象嚴重,瓦斯治理困難。為解決低透性高瓦斯煤層普遍存在的透氣性差、瓦斯含量高、預抽難度大、效率低等難題[2],改善煤層透氣性、增大瓦斯抽采效率、提高鉆孔影響范圍是治理瓦斯的關鍵[3]。壓裂增透技術是解決這些難題的一項關鍵技術,該技術在我國已成為瓦斯治理的常用技術。水力壓裂技術已被大量應用于煤礦井下煤層增透,有效提高了瓦斯治理效果[4]。水力壓裂能減少瓦斯抽采鉆孔工程量,提高瓦斯抽采效率,從而產生直接與間接經濟效益[5]。本研究以昌興煤礦為研究背景,通過對10號煤層進行水力壓裂試驗,對煤層進行增透,從而提高抽采效果,降低采掘活動前的煤層瓦斯含量,從源頭上解決煤層在巷道掘進以及工作面回采期間的瓦斯超限問題。

1 工程概況

昌興煤礦位于盤縣淤泥鄉境內,礦井生產能力90萬噸/年,礦區面積1.9 km2,礦區賦存1號、3號、51號、63號、10號、12號、13號、151號、16號、17號、182號、23號煤層,礦區煤層瓦斯含量較大,且具有突出危險性。為保障安全、高效生產,經綜合分析,10號煤層測定有完善的瓦斯基礎參數,參數見表1.

表1 10號煤層瓦斯參數測定值

根據表1參數并結合《防治煤與瓦斯突出細則》最大保護垂距規定可以得出10號煤層開采后能解放其上覆和下伏煤層。因此煤礦決定對10號煤層的2101工作面、2102工作面采掘區域實施水力壓裂增透技術,項目實施首先安排在2101運輸巷和2102運輸巷掘進條帶區域進行水力壓裂增透技術試驗,試驗過程中收集瓦斯治理效果基礎數據,主要包括壓裂范圍、瓦斯含量、壓力、抽采半徑、煤層透氣性系數等,通過分析數據和進行試驗總結得出適合10號煤層的水力壓裂增透技術參數及抽采指標,從而為礦區類似地質條件的煤層進行瓦斯治理提供基礎數據支撐。

2 水力壓裂鉆孔工程

2.1 壓裂鉆孔設計

結合1320運輸石門的地質資料及實際情況,部署水力壓裂區域位于2101和2102工作面,設計水力壓裂增透措施試驗孔5個,壓裂鉆孔布置圖見圖1,這5個孔主要覆蓋2101和2102運輸巷靠近1320運輸石門兩側200 m范圍及工作面前方的部分回采區域,巷道布置剖面見圖2.鉆孔編號依次為:Y1號、Y2號、Y3號、Y4號、Y5號,Y3號孔的壓裂半徑按30 m設計,Y1號、Y2號、Y4號、Y5號孔的壓裂半徑按40 m設計,壓裂鉆孔間距70～80 m.壓裂鉆孔施工參數見表2,壓裂鉆孔采用穿層施工并保證施工到10號煤層頂板,終孔位置穿過煤層頂板不能超過0.5 m.當地質條件發生改變或結合壓裂效果考察結果,根據現場實際情況及時調整壓裂鉆孔施工參數。

圖1 壓裂鉆孔布置平面圖

圖2 巷道布置剖面A-A

表2 壓裂鉆孔施工參數

2.2 壓裂鉆孔固孔

2.2.1 壓裂鉆孔下套管

為防止壓裂孔塌孔、堵孔,設計在孔內安裝套管,套管用于鉆孔目標煤段孔壁的支撐。本次施工選用直徑為Φ95 mm的鋼管,設計承壓能力為75 MPa,套管前端加工成錐形,防止套管底口碰刮或插入井壁,引導套管順利下至井底。套管管壁鉆有篩孔,篩孔作為煤層壓裂的出水通道。

2.2.2 固孔施工用料

本次壓裂試驗的5個孔的套管固孔材料見表3.

表3 壓裂鉆孔套管固孔主要材料

2.2.3 固孔施工步驟

1) 下放篩管和套管。根據鉆孔目標煤層見煤段長度,下入等同長度的篩管,第一根篩管前段安裝導向堵頭,然后下入鉆孔巖石段無篩孔套管,為保證返漿管順利下至封孔位置,可將返漿管用鐵絲捆扎在第一根注水套管上,然后依次加接套管下入孔內,并同步下入捆綁好的返漿管,套管之間必須連接緊密,保證壓裂鋼管之間以及篩管之間的高壓密封性。壓裂套管下放到位后,從套管與孔壁環空處下入4 m長的4′鍍鋅鐵管作為注漿管,注漿管和返漿管必須做好標記區分。

2) 注漿封孔。保持套管居中,封孔膠封堵孔段控制長度為1～2 m,孔口用棉紗或毛巾填充嚴實,以不漏液為準,候凝2 h,候凝結束后配密度為1.8 kg/L水泥漿,水泥標號要求425以上。連接注漿管線,開啟注漿泵從注漿管開始向孔內注漿,觀察返漿管,發現返漿管成功返出水泥漿后,本孔一次注漿完畢,此時停泵,立即關閉注漿管閘閥。

3) 管路清洗。從套管內腔依次下入4′注漿鐵管,下至孔底處,連接管線,清水小排量沖洗套管內腔,套管絲扣處的殘留水泥必須清理干凈,避免影響壓裂管路連接。沖至進出口水質一致停泵,候凝48 h以上。封孔示意圖見圖3.

圖3 水力壓裂鉆孔封孔工藝示意

3 壓裂關鍵參數確定及壓裂設備選型

注水參數分析是判斷注水能夠正常進行的主要依據,其主要涉及泵注壓力及注入液量的分析。

3.1 泵注壓力確定

注水過程中,注水泵的泵注壓力pw可表示為:

pw=pk-pH+pr+pf

式中:pk為煤層起裂壓力,MPa;pH為注水管路液柱壓力,MPa;pr為注水液沿程摩阻力,MPa;pf為注水液在管路末端孔眼處的摩阻力,MPa.

根據地勘報告提供資料,全礦井10號煤層的平均破裂壓力約為13.71 MPa,煤層水平主應力與垂直應力比值一般為1.06～2.07.經測試本次壓裂區域2101和2102采煤工作面區域工作起裂壓力為14.53～28.38 MPa.試驗地點注水煤層與泵組的垂直距離約314 m,注水液為KCl活性液,本次液柱壓力為3.14 MPa,試驗管路壓力損失為每百米0.2 MPa.本次試驗泵組距離注水孔約為250 m,壓力損失約為0.5 MPa.因此,經計算得到泵注壓力為13.99～27.84 MPa.

3.2 注水量的計算

對于一定煤層,為了增強注水效果,可設計添加適當比例的表面活性劑、阻燃劑,隨同注水液壓入注水孔。本次試驗不要求添加活性劑與阻燃劑。前置液用量按下式計算:

Q=(R+b)2/ηa2

本次設計注水半徑R為40 m,為確保注水到位,注水量設計中注水半徑按照40 m設計,注水液效率為20%,a=9.582,b=1.348,前置階段注水量約為93 m3.由于本次試驗采用往復循環注水工藝,煤層注水次數為2～3次,具體注水循環次數和累計注水量視現場實際情況而定。

3.3 壓裂泵選型

壓裂過程中,壓裂泵需不斷向煤巖層注水,克服煤巖體的破裂壓力,隨著壓裂的進行,煤層裂縫的間隙不斷減小,巖體的破裂壓力不斷增加,此時需要不斷增加壓裂泵的出口壓力,才能保證壓裂過程順利進行,所以壓裂泵的選型是有一定要求的。容積式壓裂泵的輸出流量是恒定的,泵的壓力不斷增加,就造成泵的柱塞推力增加,電機的輸出功率此時也會不斷增加,當泵柱塞推力、電機的功率達到一定值時,泵組就無法工作,因此只有降低泵的流量來滿足工況的要求。為此,要真正達到水力壓裂效果,壓裂泵組還必須在滿足提供大于地層濾失速流量的前提下承受起裂壓力。

本次水力壓裂選用寶雞航天動力泵業有限公司生產的BYW-80/450型全自動遠程控制煤礦井下壓裂泵組,當單臺泵組無法滿足預裂要求時,采用兩臺壓裂泵組并聯運行。

4 壓裂過程及瓦斯抽采效果考察

4.1 壓裂過程

壓裂前期準備工作到位后開始進行試壓,開啟壓裂泵組,慢慢調節泵組針型閥加壓至35 MPa左右,10 min壓降小于0.5 MPa為合格,施工限壓35 MPa.試壓后,檢查是否有異常,有異常情況必須進行處理。試壓正常后,繼續慢慢加壓,直到預計的煤層起裂壓力28 MPa時開展壓裂,采用多次少量循環分層壓裂工藝,單次壓裂注水量30～50 m3,每次壓裂后觀察壓裂孔相鄰巷道及周邊裂隙的異常情況。單次壓裂后,如果能保壓,則保壓1 d后進行下一次壓裂,如果保壓壓力小于2 MPa,則無需保壓1 d就可以開展第二次壓裂,保壓完成后開啟孔口閥門卸壓放水。當試驗區壓裂孔壓完并保壓結束后,孔口裝置繼續連接在該壓裂孔以便開展再次壓裂。該壓裂孔保壓期間,可開始附近壓裂孔第一次壓裂作業。鉆孔多次壓裂后保壓3～7 d,或者壓力降到2 MPa后保壓結束,保壓結束后,調節孔口閘閥控制排水。

2023年6月14日18點01分,Y1鉆孔開始雙泵壓裂,壓裂期間采用KJ1073礦井水害微震監測系統進行監測,Y1鉆孔在19時37分結束壓裂,最大壓力26.1 MPa,雙泵平均水量87.5 m3,共壓入水量142 m3.現場保壓18 MPa.微震事件監測情況為:平面鉆孔壓裂點上顯示右方向上覆蓋95 m3,左方向上覆蓋83 m3,往后方覆蓋57 m,往前方覆蓋38 m.2023年6月15日13點23分,對Y2鉆孔2號泵升3檔壓裂,壓力升至37.5 MPa自動停機,于15點01分改為2檔雙泵壓裂,16點16分停止壓裂,壓力區間10.9～37.5 MPa,平均壓力為25 MPa,雙泵平均水量76 m3,共壓入水量91 m3,現場保壓20 MPa.微震事件情況為:平面鉆孔壓裂點上顯示右方向上覆蓋50 m,左方向上覆蓋60 m,往后方覆蓋93 m,往前方覆蓋15 m.在2023年6月14日至6月20日,將本次設計的5個鉆孔全部壓裂完成,壓裂情況良好,未產生異常現象。

4.2 瓦斯抽采效果考察

本次試驗煤層原始瓦斯含量測定煤樣在原始煤層預抽鉆孔中提取,在鉆孔施工時,通過取芯鉆桿進行取樣,實驗室測定瓦斯含量、含水率等基本參數。壓裂結束后在壓裂試驗區域內施工抽采鉆孔,選取部分抽采孔進行計量統計,對比分析試驗區域壓裂前后抽采單孔瓦斯體積分數及抽采純量,從而考察壓裂增透的瓦斯抽采效果。本次在2101和2102運輸巷靠近1320運輸石門兩側200 m范圍進行壓裂試驗,壓裂鉆孔影響及控制區域壓裂前后的瓦斯抽采對比情況見表4.

表4 壓裂前后10號煤層瓦斯抽采數據對比

在2101和2102運輸巷掘進期間,未壓裂區域由于受到瓦斯影響,掘進進度平均為46.2米/月,進入壓裂區后,未受到瓦斯超限及突出危險方面的影響,掘進速度較為穩定,月平均掘進進度達到116.5 m/月,掘進工作面月進尺得到明顯提高,大大縮短了構成采煤工作面的掘進工期。

5 結 語

昌興煤礦10號煤層壓裂增透試驗,使抽采鉆孔單孔瓦斯體積分數由5.8%上升到98.4%,單孔瓦斯流量由壓裂前的0.014 m3/min提高到0.982 m3/min.試驗表明:10號煤層高壓注水增透后,煤層透氣性增加,壓裂區域的平均鉆孔瓦斯抽采體積分數、瓦斯抽采純量得到大幅度提升,壓裂抽采效果顯著。通過該次試驗說明水力壓裂增透技術在昌興煤礦類似的松軟煤層實施是可行的,效果明顯,效益顯著。