煤礦井下水力壓裂關鍵參數計算方法研究

唐育德周俊杰覃樂郭臣業張尚斌徐濤

（1.重慶市能源投資集團有限公司，重慶401121；2.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400061）

煤礦井下水力壓裂關鍵參數計算方法研究

唐育德1周俊杰2覃樂2郭臣業2張尚斌2徐濤2

（1.重慶市能源投資集團有限公司，重慶401121；2.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400061）

研究壓裂控制機理對于提高煤礦井下水力壓裂增透效果具有重要作用。結合理論研究與現場經驗，分析水力壓裂影響因素，提出水力壓裂關鍵參數的計算方法，為煤礦井下水力壓裂提供技術支撐。

煤礦；水力壓裂；增透；控制機理

近年來，水力壓裂已成為煤礦井下增透煤層的一種常用手段，前人在造縫機理、數值模擬、技術裝備等方面取得了一定的成果［1-5］。但是，在現場實際操作中，大都僅憑現場人員的經驗，通過控制壓力、時間、注水量等關鍵參數來完成水力壓裂，不能較為準確控制壓裂效果。針對上述問題，文章深入分析水力壓裂影響因素，提出水力壓裂關鍵參數的計算方法，為煤礦井下水力壓裂提供技術支撐。

1 水力壓裂影響因素分析

在煤層水力壓裂過程中，影響壓裂效果的主要因素有煤的強度、水分含量、密度、孔隙率、煤和水的濕潤邊角及煤層瓦斯壓力。

1.1 地應力

壓裂儲層的地應力情況直接影響儲層的滲透性，并且其大小與方向對裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態等重要參數都具有重要影響。鉆孔前，地應力處于原始平衡狀態；鉆孔后，平衡狀態被打破，鉆孔周圍地應力重新分布；壓裂后，裂縫在距井筒一定范圍內延伸，裂縫延伸范圍內地應力重新分布。

1.2 煤的強度

煤的力學強度是指煤受外力作用時抵抗破壞的能力。煤的內應力隨著外力增大而增大，直至煤體被破壞，此時煤內的應力則為煤的極限強度，該值越大，水力壓裂施工壓力越大。研究表明I、II類煤適合壓裂，III類煤可壓裂，IV、V類煤不適合壓裂。

1.3 煤的水分、密度、孔隙率及煤水的濕潤邊角

煤的水分直接影響水力壓裂效果。按其在煤中的存在狀態，可分為游離水和結晶水。游離水是煤的內部小毛細管和煤外表面的大毛細管所吸附的水，當溫度T> 100℃時，游離水逸出。結晶水是煤中無機物質所含的結晶水，當溫度T>200℃時，結晶水逸出。

煤的密度是指相同體積的煤與水的質量之比，是影響水力壓裂的重要因素。煤的孔隙率影響煤的吸水性和煤的透水性、透氣性。煤和水的濕潤邊角。水對煤的濕潤邊角是反應水分子與煤分子之間吸引力大小的物理量。根據濕潤邊角可以確定煤體表面濕潤的難易和毛細作用的大小。水分子與煤炭分子間的吸引力愈大，濕潤邊角愈小，愈易于濕潤。反之亦然。

1.4 煤層瓦斯壓力

煤層瓦斯壓力將抵消掉部分壓裂壓力，尤其是在高瓦斯煤層，瓦斯壓力是影響水力壓裂的重要因素。

2 水力壓裂控制機理

2.1 壓裂水量控制

控制壓裂壓入水量是控制壓裂的很重要的一種方法，根據需要壓裂的預定影響范圍及煤巖層影響體孔隙度計算壓裂壓入水量。

壓入水量的確定依據公式：

其中：V體為注水影響體體積，m3；k為影響體孔隙度，%；a為影響體長度，m；b為影響體寬度，m；h為影響體高度，m。

在注水形成壓力之前，需充填壓裂泵組至壓裂孔的管道已經壓裂孔，此處需要的水量約為：

其中：Vc為充填管道和壓裂孔所需水量，m3；Vg、rg、hg分別為充填管道所需水量、管道半徑和管道長度；Vk、rk、hk分別為充填壓裂孔所需水量、壓裂孔半徑和壓裂孔長度。

2.2 壓裂壓力控制

控制壓裂壓力是控制壓裂的另外一種重要方法，在各類煤巖體內以破裂壓力為主進行控制，在IV、V類煤巖體中主要控制壓力，使的封孔長度能夠承受該壓力進行壓裂作業。

破裂壓力的確定依據公式：其中：pf為破裂壓力，MPa；

其中：γi為上覆巖石比重；hi為巖石厚度；p2為巖石的抗拉強度，MPa，取2Mpa；p3為管道摩阻，MPa。

3 實例驗證

在某煤礦實施穿層壓裂實驗，壓裂目標煤層龍潭組7號煤層。煤系地層主要由砂巖類、泥質巖類及煤組成，頂板以砂質泥巖、粉砂巖為主，直接底板為灰白色黏土巖。煤層總厚0.66～1.03m，平均0.84m。

煤層埋深約665m，實測煤層瓦斯含量w=12.63m3/t，瓦斯壓力p=0.8MPa，瓦斯吸附常數a=36.95m3/t，b= 1.11MPa-1，煤層堅固性系數f=0.39，瓦斯放散初速度Δp= 29，煤層透氣性系數λ=0.015m2/（MPa2·d）。

設計壓裂范圍為以孔底為圓心的直徑100m圓形面積，壓裂設備到壓裂孔口為內徑50mm的高壓管140m，壓裂孔內為內徑25mm的壓裂管60m。通過公式（1.1）～（1.4）計算，可得壓裂水量為120m3，破裂壓力為40MPa。

結合計算結果指導現場水力壓裂，累計壓裂時間10.5h，累計注水110m3，實際破裂壓力38MPa，與計算結果誤差均小于10%。通過壓裂后抽采驗證表明，煤層透氣性系數提高了約110倍，瓦斯抽采量提高約20倍。具體效果參數對比列入表1、表2。

由表1可知，利用水力壓裂增透后，鉆孔的瓦斯抽采量提高了10～29倍，抽采濃度亦大幅提高。

透氣性系數也是判斷水力壓裂增透效果的重要參數。

從表2中看出，經過水力壓裂的煤層透氣性系數值提高了110倍左右，表明了利用水力壓裂能有效增透煤層。

表1 鉆孔抽采數據

表2 鉆孔透氣性系數

通過鉆孔出水情況驗證，壓裂范圍縱向115m以上，橫向130m以上，與設計的100米直徑圓形區域吻合度達82%。

4 結論

基于煤礦井下水力壓裂理論研究與現場經驗，分析了水力壓裂效果與主要影響因素之間的關系，提出水力壓裂關鍵參數的計算方法。通過現場實驗驗證，該方法能有效指導現場施工，為優化壓裂參數及提高壓裂增透效果提供了技術支撐。

［1］陳小奎.煤層水力壓裂三相耦合數值模擬研究［D］.安徽理工大學，2008.

［2］秦超.高壓水射流防治煤與瓦斯突出的數值模擬及分析［D］.河北聯合大學，2012.

［3］唐書恒，朱寶存，顏志豐.地應力對煤層氣井水力壓裂裂縫發育的影響［J］.煤炭學報，2011（1）：65-69.

［4］陳俊輝.基于虛擬儲層的穿層鉆孔水力壓裂技術研究［J］.煤，2012（1）：9-11.

［5］周俊杰，張翠蘭，張迪，等.地下煤層氣水力壓裂技術研究［J］.河南科技，2013（6）：163.

Study on the Calculation M ethod of Hydraulic Fracturing key parameters in CoalM ine

Tang Yude1Zhou Junjie2Qin Le2GuoChenye2Zhang Shangbin2Xu Tao2
(1.Chongqing Energy InvestmentGroup Co.，Ltd.，Chongqing401121；2..Chongqing Energy Investment Technology Group Limited Liability Company Chongqing 400061)

The research of fracture controlmechanism plays an important role in improving the hydraulic fracturing antireflection effect in coal mine.Combined with theoretical research and field experience，analysis of factors affecting hydraulic fracturing was conducted，the calculation method of the key parameters of hydraulic fracturing wasput forward,providing technicalsupport for hydraulic fracturing in coalmine.

coalmine；hydraulic fracturing；antireflection；controlmechanism

TD712

：A

：1003-5168（2015）03-0073-3

2015-2-20

唐育德（1975-），男，工程師，研究方向：瓦斯治理與煤層氣開發。