虛擬儲(chǔ)層水力壓裂增透效果研究

郝 殿,李學(xué)臣,張清田

(焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所,河南 焦作 454002)

中馬村礦主采煤層為山西組二1煤,煤層瓦斯含量高、壓力大,煤層透氣性差,抽采衰減速度快,瓦斯治理難度大。為深入研究有效的低透氣性煤層增透技術(shù)及工藝,中馬村礦根據(jù)煤層條件,實(shí)施了虛擬儲(chǔ)層壓裂增透工藝,但壓裂后煤層瓦斯賦存有何變化,增透效果如何,能否為優(yōu)化鉆孔布置、縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間提供依據(jù),需開展相關(guān)研究。

1 虛擬儲(chǔ)層水力壓裂增透機(jī)理

水力壓裂的對(duì)象必須是彈性體,只有彈性體在高壓水的作用下才可能發(fā)生破裂,形成裂縫,實(shí)現(xiàn)增透;而軟煤作為塑性體,本身是不可壓裂的,煤體結(jié)構(gòu)為軟煤時(shí),水力壓裂裂縫即是達(dá)到煤層,但軟煤力學(xué)殘余強(qiáng)度低,水力壓裂只能形成擠脹或穿刺,無(wú)法形成有效的裂隙增透,且瓦斯流態(tài)仍是兩級(jí)擴(kuò)散方式,速度緩慢。但水力壓裂把煤層和圍巖抽采層統(tǒng)一作為改造對(duì)象,采用水力壓裂在圍巖抽采層內(nèi)形成多級(jí)和多類型的復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò),促使裂隙增容,提高圍巖抽采層的整體滲透率,實(shí)現(xiàn)單一低滲煤層瓦斯高效抽采。因?yàn)橥咚共皇菑恼嬲拿簝?chǔ)層中抽出的,所以把強(qiáng)化了的頂?shù)装鍑鷰r層段稱為“虛擬儲(chǔ)層”。但隨后考慮到該層不是一個(gè)虛擬的東西,而是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)層,所以更加直接地采用被人們熟知的“圍巖”一詞來(lái)表征[1-3]。

2 27021工作面水力壓裂基本情況

2.1 水力壓裂基本情況

27021工作面走向長(zhǎng)約694 m,傾斜寬約93 m,面積約64 542 m2,煤層厚度變化較大,一般為0.1 m～7.2 m,平均3.1 m,虛擬儲(chǔ)層水力壓裂試驗(yàn)區(qū)位于軌道巷頂部27021工作面區(qū)域內(nèi),如圖1所示。使用千米鉆機(jī)施工多分支鉆孔對(duì)27021回風(fēng)巷條帶區(qū)域內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采。該鉆孔主孔深411 m,分支孔累計(jì)施工783 m,共施工分支孔11 個(gè),鉆孔見煤長(zhǎng)度累計(jì)110 m。

2.2 水力壓裂區(qū)域CYT探測(cè)分析

為了檢測(cè)27021多分支鉆孔水力壓裂效果,在本次壓裂前后,采用大地電位場(chǎng)巖性探測(cè)法(CYT)進(jìn)行了測(cè)試,CYT以天然交變電磁場(chǎng)為場(chǎng)源,根據(jù)交變電磁場(chǎng)在地層中傳播時(shí)的趨膚作用,利用不同周期的電磁波具有不同的穿透能力的特性,在地面采集數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算繪制出反映電性垂向變化的曲線,根據(jù)曲線的變化來(lái)推測(cè)地下巖層及其屬性變化狀況。在本次壓裂后測(cè)試的108個(gè)點(diǎn)中,有85個(gè)點(diǎn)存在異常反應(yīng),占測(cè)試點(diǎn)數(shù)的78.7%。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)勾繪的異常范圍平面圖,較好地反應(yīng)出壓裂出現(xiàn)的異常范圍分布形態(tài),在某種程度上能夠反應(yīng)出壓裂的影響范圍，具體見圖1。

圖1 煤層異常范圍示意圖Fig.1 Anomaly range of coal seam

27021工作面回風(fēng)巷經(jīng)抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判后,于2014年10月開始掘進(jìn),掘進(jìn)期間采用“三參數(shù)”指標(biāo)法對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。27021工作面回風(fēng)巷總長(zhǎng)1 075 m,回風(fēng)巷長(zhǎng)904 m,外圍巷道長(zhǎng)171 m,于2015年10月掘進(jìn)到位。為考察水力壓裂對(duì)采掘作業(yè)的影響,統(tǒng)計(jì)了27021工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間的區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)、瓦斯涌出量數(shù)據(jù),繪制對(duì)比分析見圖2—圖5。

圖2 27021回風(fēng)巷CYT探測(cè)異常范圍圖Fig.2 Anomaly range detected with CYT in No.27021 return airway

3 水力壓裂影響區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律

3.1 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間區(qū)域驗(yàn)證及瓦斯涌出規(guī)律

從圖3可以看出,27021回風(fēng)巷掘進(jìn)期間,區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)整體比較均衡,但是也出現(xiàn)了幾處偏小的地段。對(duì)比圖4、圖5,這幾處偏小的地段煤層厚度較小或沖煤量較大,煤層透氣性增大,殘余瓦斯含量低,是區(qū)域驗(yàn)證參數(shù)偏小的主要原因。同時(shí),27021回風(fēng)巷掘進(jìn)期間,瓦斯涌出量有逐漸變小的趨勢(shì),主要原因是該巷道瓦斯抽采時(shí)間從西至東依次增加,殘余瓦斯含量逐漸減少。

圖3 27021回風(fēng)巷區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)參數(shù)及瓦斯涌出量折線圖Fig.3 Line chart of parameters of regional verification index and gas emission in No. 27021 return airway

圖5 27021工作面回風(fēng)巷煤層賦存情況剖面圖Fig.5 Profile of coal seam occurrence in No.27021 return airway

3.2 27021回風(fēng)巷探測(cè)異常區(qū)與井下驗(yàn)證結(jié)果綜合分析

根據(jù)圖2所示,將27021回風(fēng)巷劃分為壓裂影響區(qū)及壓裂非影響區(qū),將兩個(gè)區(qū)域驗(yàn)證參數(shù)及瓦斯涌出量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 27021回風(fēng)巷區(qū)域驗(yàn)證及瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Regional verification index parameters and gas emission of No. 27021 return airway

如表1 所示,從解析強(qiáng)度Δh2、鉆孔瓦斯涌出量q、風(fēng)排瓦斯涌出量三個(gè)指標(biāo)來(lái)看,壓裂影響區(qū)均小于壓裂非影響區(qū),主要是壓裂影響區(qū)煤層透氣性增加,提高了抽采效果,殘余瓦斯含量較低,所以27021回風(fēng)巷在掘進(jìn)過(guò)程中驗(yàn)證指標(biāo)和瓦斯涌出量均有所較低。

3.3 27021工作面回采期間區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)及瓦斯涌出規(guī)律

對(duì)27021工作面回采期間區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,繪制參數(shù)對(duì)比分析圖見圖6和圖7所示。因主要考察煤層瓦斯賦存規(guī)律,因此選取煤層異常區(qū)和工作面驗(yàn)證指標(biāo)色階圖進(jìn)行融合對(duì)比。

從圖6和圖7可以看出,區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)色彩圖(q、Δh2)呈現(xiàn)比較明顯的中間顏色深,兩邊顏色淺,東邊顏色較深,西邊顏色較淺,工作面回采期間瓦斯涌出量也是逐漸降低的,以上情況主要有以下幾方面原因:①沿工作面傾向,回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷掘進(jìn)后,工作面兩側(cè)煤體應(yīng)力降低,煤層透氣性增大,瓦斯抽采效果較好,殘余瓦斯含量低。沿工作面走向,工作面自右向左抽放時(shí)間依次增加,故殘余瓦斯含量自右向左也是依次降低的。②二1煤層兩層煤厚度自右向左都有逐漸減小的趨勢(shì),也是造成區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)及瓦斯涌出量逐漸減小的原因。

圖6 27021工作面區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)色彩圖(q)Fig.6 Color map of regional verification index in No.27021 working face (q)

圖7 27021工作面區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)色彩圖(Δh2)Fig.7 Color map of regional verification index in No.27021 working face (Δh2)

3.4 27021工作面探測(cè)異常區(qū)與井下驗(yàn)證結(jié)果綜合分析

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),驗(yàn)證指標(biāo)較大的區(qū)域大多處于異常范圍的邊緣地帶,主要原因是水力壓裂后煤體應(yīng)力由壓裂區(qū)向外運(yùn)移,在壓裂影響范圍的邊緣形成應(yīng)力集中帶,從而造成回采過(guò)程中這些區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)較其它區(qū)域偏大。

為定量分析,將驗(yàn)證指標(biāo)邊緣區(qū)域的驗(yàn)證指標(biāo)和其它地區(qū)驗(yàn)證指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比,如表2所示。

表2 壓裂范圍邊緣區(qū)及其它地區(qū)驗(yàn)證指標(biāo)對(duì)比表Table 2 Verification index comparison of marginal area of fracturing and other areas

從解析強(qiáng)度Δh2、鉆孔瓦斯涌出量q兩個(gè)指標(biāo)可以看出, 壓裂范圍邊緣區(qū)均明顯大于其它地區(qū),因此,在其它工作面采取水力壓裂時(shí),應(yīng)根據(jù)探測(cè)出的壓裂影響范圍,將邊緣地帶作為重點(diǎn)區(qū)域,通過(guò)加密抽采鉆孔,延遲抽采時(shí)間等加強(qiáng)措施實(shí)現(xiàn)工作面均勻消突。

4 結(jié)論

通過(guò)CYT技術(shù)探測(cè)出虛擬儲(chǔ)層水力壓裂影響范圍,將27021回風(fēng)巷及工作面瓦斯相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),總結(jié)得出壓裂影響范圍內(nèi)瓦斯賦存規(guī)律及增透效果。

1)煤層厚度、沖煤量大小、抽采時(shí)間是影響區(qū)域驗(yàn)證參數(shù)及瓦斯涌出量的幾個(gè)重要因素,在煤層厚度較小或沖煤量較大、抽采時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域,區(qū)域驗(yàn)證參數(shù)及瓦斯涌出量往往較其它地區(qū)偏小。

2)水力壓裂能夠有效提高煤層透氣性,縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間,27021回風(fēng)巷在掘進(jìn)過(guò)程中壓裂影響區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)和瓦斯涌出量較壓裂非影響區(qū)均有所降低。

3)水力壓裂能夠造成煤體內(nèi)應(yīng)力重新分布,水力壓裂后煤體應(yīng)力由壓裂區(qū)向外運(yùn)移,在壓裂影響范圍的邊緣形成應(yīng)力集中帶,從而造成回采過(guò)程中這些區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)較其它區(qū)域偏大。

4)采取水力壓裂增透技術(shù)時(shí),應(yīng)根據(jù)探測(cè)出的壓裂影響范圍,將邊緣地帶作為重點(diǎn)區(qū)域,通過(guò)加密抽采鉆孔、延遲抽采時(shí)間等加強(qiáng)措施實(shí)現(xiàn)工作面均勻消突。

參考文獻(xiàn)：

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