低透氣突出煤層水力壓裂增透技術應用研究

郭 峰

(中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司綜合辦公室,河南省平頂山市,467000)

低透氣突出煤層水力壓裂增透技術應用研究

郭 峰

(中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司綜合辦公室,河南省平頂山市,467000)

針對低透氣性突出煤層瓦斯難以抽采的問題,在壓裂機理研究的基礎上,提出定向水力壓裂增透技術并對影響裂隙定向擴展的因素進行分析。將該技術應用于平頂山礦區現場試驗,結果表明,水力壓裂前平均百米鉆孔瓦斯流量為8.15×10-4m3/min,壓裂后10 d內流量達到2.241×10-2m3/min,是壓裂前的27.5倍,該技術對低透氣性突出煤層起到均勻卸壓作用,消除了煤與瓦斯突出危險性。

低透氣煤層 突出煤層 水力壓裂 瓦斯抽放

1 煤層水力壓裂工藝

1.1 定向壓裂技術研究

在井下水力壓裂試驗中,為控制煤體裂縫起裂、擴張的隨機性,根據鉆孔沿各層理弱面擴展機理的分析,研究開發了高壓脈沖水射流割縫裝置,形成了煤層“割縫-壓裂”新技術,即通過在煤層中人工造縫,增加和改變煤層層理弱面方向,控制壓裂裂縫發展實現定向壓裂。現場試驗中采用高壓脈沖水射流割縫方式,在與煤層主裂隙垂直方向制造新裂隙,而后進行高壓水力壓裂,使煤層裂隙均勻發展,達到煤層定向壓裂和整體卸壓的目的。定向壓裂作用下煤層裂隙網分布如圖1所示。

圖1 定向壓裂作用下煤層裂隙網分布

壓裂作用下煤層裂縫的擴展與煤的物理力學特性、斷裂面和裂隙的分布、煤巖交界面狀況等因素有關。通過研究平頂山礦區壓裂現場煤體受力情況,分析煤體破裂和延伸方向。現場采用高壓脈沖水射流在煤層中切縫并進行水力壓裂,當煤體和頂底板的巖性特征相差較大時,通過調節壓裂壓力,能有效控制起裂和延伸方向。

研究表明,煤巖交界面狀況對裂縫的擴展影響較大,同時認為可用抗剪強度來衡量交界面性質。弱界面能中止裂縫的擴展,而不受界面兩邊煤巖相對性質的影響,連接較強的交界面最終能使裂縫穿過界面而延伸到彈性模量較小的巖層。在地層深處煤巖處于三向壓縮應力狀態,作用在天然裂隙斷裂面上的法向應力很大,裂隙多處于閉合狀態,而且斷裂面多被充填壓實,水力壓裂裂縫在多數情況下可以穿過這些弱面。

1.2 煤層水力壓裂設備

煤層水力壓裂系統由注水泵、水箱、壓力表、專用封孔器、注水器等組成,各部分連接布置見圖2。

圖2 煤層水力壓裂系統裝置示意圖

1.3 水力壓裂參數設置

(1)注水壓力選擇。以平頂山十二礦為例,根據水力壓裂試驗區煤巖力學參數,經計算當注水壓力大于28.8 MPa時,煤層在高壓水作用下起裂,應變能開始釋放。結合現場高壓泵的實際平穩供壓能力,最終將壓裂壓力保持在30.0 MPa。在壓裂試驗過程中,起始壓力初步設定為15.0 MPa,在鉆孔周邊煤體濕潤后逐步加壓,直至注液壓力達到30.0 MPa。

(2)壓裂時間控制。壓裂時間與注水壓力、注水量等參數密切相關。注水過程中煤體逐漸被壓裂破壞,各種孔裂隙不斷溝通,高壓水在已溝通的裂隙間流動時,注水壓力和注水流量等參數不斷變化,注水時間可根據壓裂過程中壓力及流量的變化來確定。若注水壓力穩定一段時間后迅速下降,持續加壓時壓力無明顯上升,或者檢驗孔附近瓦斯濃度明顯升高或有水涌出時,說明壓裂孔和檢驗孔之間已經完成壓裂,此時即可停泵。

2 煤層水力壓裂工業性應用

2.1 平頂山十二礦煤層水力壓裂技術應用

(1)試驗工作面概況。平頂山十二礦為煤與瓦斯突出礦井,開采煤層透氣性差,瓦斯較難抽采。以十二礦己15-17200工作面為例,該工作面走向長1000 m,可采走向長750 m,工作面長220 m,標高為-495～-562 m,平均煤厚3.5 m,采高3.2 m,煤層傾角11～17°,煤層瓦斯壓力為2.1 MPa,瓦斯含量約為24.35 m3/t,煤層瓦斯儲量約1948萬 m3。己15-17200工作面壓裂孔布置見圖3。

圖3 十二礦己15-17200工作面壓裂孔布置圖

(2)煤層水力壓裂抽采效果分析。在十二礦己15-17200工作面水力壓力試驗中,選取壓裂區域10個本煤層抽放鉆孔作為考察對象,對壓裂前后瓦斯抽放情況進行統計。由于壓裂前鉆孔瓦斯濃度衰減速度快,為充分進行壓裂前后效果的對比,取壓裂前15 d的抽放參數進行分析。以壓裂區域8#檢測孔為例,壓裂前后鉆孔瓦斯抽放濃度變化見圖4。

由圖4可知,水力壓裂前,8#檢測孔最大瓦斯抽放濃度為14%,9 d后衰減為零。壓裂后瓦斯濃度基本呈上升趨勢,在考察期內最大濃度達27%,是壓裂前最大濃度的2倍左右,而且還有增加趨勢。

圖4 己15-17200風巷8#檢測孔抽放濃度曲線

對壓裂前后各10 d內壓裂區域10個抽放孔的瓦斯流量統計結果表明,水力壓裂前平均百米鉆孔瓦斯流量為8.15×10-4m3/min,壓裂后10 d內達到2.241×10-2m3/min,是壓裂前的27.5倍。可見煤層水力壓裂增透效果顯著,促進了瓦斯抽放流量的大幅提高。

(3)煤層水力壓裂影響半徑分析。壓裂前通過在壓裂區域打鉆取樣,化驗得到煤體原始水份含量為1%左右,壓裂后距壓裂孔不同距離處施工鉆孔,分別在鉆孔20 m和40 m深度處進行取樣并化驗水含量。壓裂后煤體水含量變化如圖5所示。

由圖5可知,壓裂后煤體水含量在 1.2～2.89%之間,其中距壓裂孔57 m處煤體水含量為1.2%,接近原始水份。綜合分析確定水力壓裂影響范圍為43～52 m。

圖5 己15-17200進風巷壓裂后水含量變化曲線

2.2 平頂山十礦和十三礦水力壓裂效果綜合分析

平頂山十礦和十三礦均為煤與瓦斯突出礦井,為考察煤層定向水力壓裂瓦斯抽采和消突效果,以十礦己15.16-24110工作面和十三礦己15.17-11070工作面為例,對壓裂前后相關參數進行統計分析。工作面回采期間考察參數情況見表1。

表1 水力壓裂前后回采工作面考察參數對比

通過壓裂前后各參數的對比分析可知,水力壓裂后煤層透氣性系數和瓦斯抽采量急劇增加。回采過程中發現校檢指標超標率大幅降低,粉塵產生量減少,并且減少了工作面淺孔排放鉆孔和校檢措施孔的工程量,大大提高了回采效率。

同時,采用單項指標法、多項指標法、殘余瓦斯含量法和瓦斯預抽率等多種方法對實施定向水力壓裂的工作面進行評價,結果表明,平頂山十礦己15.16-24110和十三礦己15.17-11070工作面經過壓裂增透抽采,消除了突出危險性。

3 結論

(1)結合平頂山礦區煤層瓦斯抽放情況,為控制煤體裂隙擴展方向,提出煤層“割縫-壓裂”定向致裂技術,通過對影響裂隙定向擴展的因素進行分析,經過現場試驗形成了一套水力壓裂工藝。

(2)將定向水力壓裂技術應用于低透氣性突出煤層,通過現場水力壓裂應用可以大幅度提高煤層透氣性,在煤體內形成大范圍卸壓區,消除了煤層突出危險性,達到突出煤層安全生產的目的。

[1]李曉紅,盧義玉,向文英.水射流理論及在礦業工程中的應用[M].重慶:重慶大學出版社,2007

[2]張國華.本煤層水力壓裂致裂機理及裂隙發展過程研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2004

[3]袁亮.高瓦斯礦區復雜地質條件安全高效開采關鍵技術[J].煤炭學報,2006(2)

[4]梁衛國,趙陽升.鹽類礦床群井水力壓裂連通理論與實踐[J].巖石力學與工程學報,2002(S2)

[5]張國華,葛新.水力壓裂鉆孔始裂特點分析[J].遼寧工程技術大學學報,2005(6)

[6]楊秀夫,劉希圣.國內外水壓裂縫幾何形態模擬研究的發展現狀[J].西部探礦工程,1997(6)

[7]李同林.水壓致裂煤層裂縫發育特點的研究[J].地球科學-中國地質大學學報,1994(4)

(責任編輯 梁子榮)

Application research of air-penetration improvement technology by hydraulic fracture to coal seams

Guo Feng
(General Office of China Pingmei Shenma Energy Chemical Group,Pingdingshan,Henan 467000,China)

Gas drainage is difficult to be implemented at the low air-penetration coal seams.To settle this issue,based on the study of fracture mechanism,the technology of directional hydraulic fracture is put forward to improve air penetration to coal seams,and analysis to the factors that influence the cracks development is made.This technology is applied on site trial at Pingdingshanmining area.The result indicates that,gas flow volume averagely per 100m hole before hydraulic fracture was 8.15×10-4m3/min,while it reaches 2.241×10-2m3/min after fractured,27.5 times of the previous figure.The technology has the function of releasing gas contained in the low air-penetration outburst coal seams,and it could eliminate outburst risks of coal and gas.

low air-penetration coal seam,outburst coal seam,hydraulic fracture,gas drainage

TD712.6

B

郭峰(1976-),男,陜西省山陽縣人,工程師,學士,研究方向為煤礦通風與安全。