井下重復水力壓裂技術在保安煤礦的應用

蔡永樂,趙滿生

(1.山西工程技術學院礦業工程系，山西 陽泉 045000；2.山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司，山西 陽泉 045021)

我國煤儲層具有低滲透性的特點，為了增加煤儲層透氣性，提高井下瓦斯抽采效果，目前，煤礦工作者采用了水力壓裂[1-3]、水力割縫[4-5]、水力沖孔[6]、松動爆破[7-8]、CO2致裂[9-10]等增透技術。其中，水力壓裂因其工藝相對簡單、增透效果較好，在重慶市、山西省陽泉市和河南省焦作市等地得到廣泛應用，成為近年來研究的熱點之一。但水“欺軟怕硬”的特點加之煤儲層的非均質性導致水力壓裂時容易形成一些改造盲區，進而影響了后期瓦斯抽放效果，同時可能增加煤與瓦斯突出的危險性。為了更好地解決這一問題，引入地面煤層氣井重復壓裂技術，闡述了井下重復水力壓裂的技術原理和一般工藝流程。根據保安煤礦煤層及地質構造特征，進行了底板抽放巷道內重復水力壓裂關鍵參數設計，并考察了現場重復水力壓裂應用效果,以期為相似煤層及地質條件下井下重復水力壓裂提供依據。

1 井下重復水力壓裂增透原理及工藝流程

1.1 井下重復水力壓裂增透技術原理

井下水力壓裂的基本原理將壓裂液(清水)高壓注入煤巖層，克服最小主應力和煤巖體的破裂壓力，使得煤層中原有的裂縫充分張開、延伸、相互溝通，達到導流的目的。

所謂重復水力壓裂，就是在一次壓裂完成后，間隔不太長的時間采用類似的工藝技術進行兩次及以上的水力壓裂。一次壓裂時，把井下施工的鉆孔作為一個密閉系統，采用高壓泵作為主要動力裝置，把事先準備好的液體以一定的排量通過高壓管路注入鉆孔中，鉆孔的壓力開始上升，當達到煤層的破裂壓力時，在煤層中形成新的裂縫。繼續注入，液體將沿著這些新的裂縫繼續向前延伸。隨著裂縫延伸距離的增加，施工阻力將增加，形成新的裂縫的難度加大。同時，煤裂隙中水量不能無限增加。當增加到一定程度時，壓裂改造范圍內煤裂隙中的水幾乎達到飽和，繼續施工失去了改造煤儲層的意義，一次壓裂結束。由于井下空間有限，一次壓裂的液量相對較少，裂縫延伸不夠充分；同時一次壓裂后形成了新的裂縫，應力得到了部分釋放，不同方向上裂縫形成大小的差異導致其應力釋放大小的不同，進而導致煤層所受的最大、最小水平應力差的大小發生了一定的變化。間隔較短時間采用相似工藝壓裂時，一方面可能促進裂縫進一步拓展延伸或新的裂縫形成，另一方面壓裂形成的新裂縫方位發生一定的變化，進而擴大了水力壓裂改造的范圍。

1.2 井下重復水力壓裂的一般工藝流程

井下重復水力壓裂一般工藝流程見圖1。

圖1 重復水力壓裂流程圖

1) 井下鉆孔施工。根據煤層空間展布、構造發育情況、現場施工條件等確定鉆孔參數(開鉆位置、鉆孔傾角、方位角、孔深、孔徑等)并打鉆。

2) 瓦斯濃度監測。在施工鉆孔地點下風口10～20 m處安裝可自動記錄瓦斯濃度的瓦斯探頭。

3) 壓裂設備地面檢驗。井下壓裂設備在運移到井下前進行檢驗，確保壓裂泵能滿足正常工作所需的壓力和流量，確保高壓管路和供水管之間密閉完好。

4) 運送設備到井下指定地點。拆卸設備，運移壓裂設備到施工作業地點。

5) 連接壓裂設備。確保井下水、電能滿足施工作業要求，連接壓裂設備(壓裂泵、水箱、封隔器、高壓管路、注水管、電控柜、儀表、高壓閥門等)；確保供水管路水能滿足施工過程中供水要求。

6) 管路密封性檢驗。放置注水管、封隔器到孔內設計深度，并用孔口錨固裝置固定，確保牢固，保證施工安全試壓，確保各管路的連接口處密封完好。

7) 壓裂施工并主要參數實時記錄。當各項參數運行正常時，開啟壓裂設備，按壓裂泵注程序進行施工,并實時記錄壓力、流量、瓦斯濃度值等。

8) 停泵。當注水量等主要參數達到設計值時，停泵。

9) 洗孔。把高壓軟管送到孔底，采用邊洗邊抽的方式進行整個壓裂孔的沖洗。

10) 配置壓裂液后二次壓裂。配置所需的壓裂液,然后連接管路試壓后根據二次壓裂設計要求，進行二次壓裂。

11) 二次沖孔后封孔瓦斯流量監測。二次沖洗孔完畢后，用聚胺脂或其他封孔材料封孔，測瓦斯流量。為了對一次壓裂效果和二次壓裂效果進行對比，在一次壓裂完成后，可進行瓦斯流量監測，以便與二次壓裂對比。

2 保安煤礦井下重復水力壓裂設計

2.1 保安煤礦地質概況

保安煤礦位于沁水煤田陽泉礦區西部，為煤與瓦斯突出礦井。初期設計生產能力0.9 Mt/a，主采太原組8#煤層、9#煤層、15#煤層，本次重復水力壓裂作業巷道為15108底抽巷，目標壓裂煤層為15#煤層。15#煤層位于太原組下部，上距9#煤層平均60.33 m，煤層厚度3.25～5.55 m，平均4.00 m。巖性綜合柱狀圖見圖2，15#煤層大多不含夾矸，局部含夾矸，夾矸厚度0.01～0.36 m，巖性為炭質泥巖、泥巖。頂板為K2灰巖，頂板灰巖不含水，對壓裂影響不大。底板為泥巖及砂質泥巖。屬穩定全區可采煤層。15#煤層自然成分甲烷77.77%～96.53%，甲烷含量4.97～12.00 m3/t。

圖2 巖性綜合柱狀圖

2.2 保安煤礦井下重復水力壓裂關鍵參數設計

煤礦井下瓦斯抽采一般采用高位鉆場和開設底抽巷兩種方式進行。高位鉆場一般可抽采空區和除本煤層外的臨近煤層中的瓦斯；而底抽巷一般只抽采本煤層及臨近煤層瓦斯。相比而言，前者抽采范圍更廣，但施工量大，建設、維護周期長；后者巷道掘進量少，施工見效快，對本煤層及臨近煤層瓦斯抽采效果明顯。本次主要對底抽巷內壓裂鉆孔進行設計。

壓裂參數設計主要包括泵注壓力設計、壓裂設備的選型、注入液量設計等。

2.2.1 水力壓裂參數設計

2.2.1.1 泵注壓力的確定

在壓裂中壓裂泵的泵注壓力Pb表示為式(1)。

Pbmax>Pb=Pg+Pz+Ps+Pmp(1)

式中：Pg為管路阻力，MPa；Pz為重力阻力，MPa；Ps為濾失壓力，MPa；Pmp為煤層破裂壓力，MPa。

其中管路阻力表達為式(2)。

(2)

式中：i為第i根通路；j為第j個接口或管喉；ρ為流體密度，kg/m3。

重力阻力表達為式(3)。

pz=ρg(h2-h1)(3)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；h1出水口標高，m；h2鉆孔內最高點標高，m。

濾失壓力可通過式(4)進行計算。

Ps=aPb(4)

式中：Ps為濾失壓力，MPa；Pb為泵入壓力，MPa；a為壓力濾失系數，取3%。

考慮到煤層孔隙壓力和上覆巖層壓力，煤體的破裂壓力可表述為式(5)。

p0>min(3-λ)p+Rt,(3λ-1)p+Rt+

p+η(p-pp)(5)

式中：pp為煤層孔隙壓力，MPa；η為地層因數，MPa；P為上覆巖層壓力，MPa；Rt為煤體的抗拉強度，MPa；λ為側壓系數。

巖石部分力學參數見表1。經初步計算，煤層起裂壓力在25～30 MPa，泵注壓力在35～40 MPa。

表1 巖石部分力學參數

2.2.1.2 壓裂設備的選型確定

目前，井下壓裂設備過大，搬遷比較困難，且受到井下作業環境的限制。為了滿足壓裂需要，同時能適應井下場地，本次水力壓裂增透試驗設備包括：3JKBYL400-70型泵組、壓裂封孔管、高壓膠管、高壓閥門、高濃度光學瓦檢儀、DGC瓦斯含量測定儀、鉆機、壓裂鉆孔封孔水泥、DN15注漿管、DN100抽放管路、孔板、壓差計、礦用電纜(泵組400 kW)、瓦斯抽采管等配套設備。其中3JKBYL400-70型泵組可進行拆卸組裝，工序較簡單，可操作性強，數據收集方便，可適應井下復雜多變的環境。

2.2.1.3 注入液量設計

根據壓裂影響半徑、煤層厚度、煤的孔隙度來計算所需注入液量，注入液量可表示為式(6)。

Q=πR2hω(6)

式中：h為煤層厚度，m；R為壓裂影響半徑，m；ω為煤體孔隙度。

其中，壓裂影響半徑為16～18 m，煤厚4 m，孔隙度2%。經計算，該次壓裂孔煤層注水量為60～80 m3。

對于重復水力壓裂，參考第一次水力壓裂參數，并根據現場情況進行實時調整。

2.2.2 壓裂鉆孔布置

本次15108底抽巷沿中線掘進，并進行重復水力壓裂施工。煤層露頭存在起伏，該巷道與煤層露頭垂直距離為20±3 m。壓裂孔的壓裂半徑重疊，引起煤體過于松軟，從而影響正常的采動以及采動過程中煤巷的支撐和維護，為了增大有效壓裂半徑的影響范圍，結合該區域的地質資料及巷道布置情況，布置水力壓裂試驗鉆孔，鉆孔布置見圖3，鉆孔參數見表2。

圖3 壓裂鉆孔布置圖

孔號鉆孔直徑/mm方位角/(°)開孔位置傾角/(°)見煤長度/m終孔深度/m備注1#壓裂鉆孔95-90距15108底抽巷開435 m324651見煤5 m2#壓裂鉆孔9590距15108底抽巷開435 m313945見煤6 m修改3#壓裂鉆孔95-90距15108底抽巷開618.6 m324752見煤5 m

注：此處方位角為與巷道中心線夾角。

鉆孔的開孔位置應盡量選擇在鉆場內；鉆孔施工參數應嚴格按照設計執行，保證鉆孔平直、孔形完整。鉆孔進入煤層時必須干式作業，嚴禁用水打，并在巷道或鉆孔口采取噴霧降塵措施。在鉆孔施工中，應準確記錄鉆孔參數、鉆孔見各煤層時的長度，鉆孔在煤層中的長度，以及鉆孔開孔時間、見煤時間及其它情況(包括噴孔煤量、瓦斯涌出量等)。隨著后續壓裂鉆孔繼續施工，由于壓裂鉆孔參數局限，在壓風停風、斷電等可控因素干擾下，出現鉆頭掉落現象，對施工進度造成一定影響，故在后續鉆孔施工中須加強風電等動力供應。

2.2.3 封孔

水力壓裂鉆孔施工完成后，開始進行鉆孔封孔，本次壓裂鉆孔封孔工藝采用多次封孔工藝進行壓裂孔封孔。首先下放壓裂鐵管，壓裂鐵管前段為一根2 m、帶堵頭的篩管，后接2根1.5 m的篩孔管，篩孔管后下放26根1.5 m長的封孔鐵管，各接頭均使用管鉗擰緊，孔口露出1 m左右。封孔鐵管下放到位后，下放19根2 m/根的DN15無縫鋼管，返漿管下放至煤層，孔口露出0.5 m。然后下放2根2 m/根的注漿管。下放到位后孔口使用聚氨酯進行封堵，待聚氨酯凝固30 min后，通過注漿管注入1袋水泥(水灰比0.8～0.9)。待水泥沉淀20 min后，打開注漿管孔口閥門，使水泥漿液面與注漿管保持水平。水泥漿凝固1 d后，通過注漿管向孔內注漿。注入5袋水泥后，壓裂鐵管開始返漿，注漿管并未返漿。返漿管前段并未加花管，由于鉆孔成孔后鉆孔內有巖粉，在返漿管下放過程中巖粉、煤粉堵塞返漿管。再次通過返漿管注入水泥漿時，預計注入返漿管25 m左右時，注漿泵不能繼續向返漿管注入水泥，停止注漿，完成壓裂孔封孔工作。

2.2.4 巷道加固

由于保安煤礦15108工作面底抽巷地壓大，巷道圍巖較為破碎，故在進行水力壓裂前需要在壓裂周邊5 m范圍內的應力集中區域內進行加固。注漿封孔工作完成后，開始對巷道進行加固。在巷道原有錨網索支護的前提下，在壓裂孔沿巷道方向前后各5 m范圍內采用補打錨索的方式加強支護，提高壓裂孔周邊的受力能力，見圖4。

圖4 巷道錨索加固剖面圖

2.3 水力壓裂過程

以3#鉆孔壓裂過程為例，說明重復壓裂過程。在初次壓裂過程中，泵注壓力在16～34 MPa之間，15108底抽巷未出現瓦斯超限現象，頂板及加固錨索未出現滴水現象。整個壓裂過程共持續4.25 h，注水量為67 t。35 d后，進行二次壓裂，壓裂過程持續4.6 h，泵注壓力25～31 MPa，注水量為75 t。詳細井下重復水力壓裂施工參數見表3。

表3 井下重復水力壓裂施工參數

2.4 重復水力壓裂施工建議

重復水力壓裂的主要目的是擴大壓裂范圍，提高壓裂范圍內煤的透氣性。是否有進行二次壓裂的必要，一方面取決于所壓裂煤層的透氣性是否已經達到了最大，另一方面取決于壓裂的范圍能否進一步擴大。當煤層的煤體結構以原生結構煤為主時，受壓裂設備能力限制，一般情況下，一次壓裂后煤層的透氣性達不到最大。對于這類煤儲層，建議進行重復壓裂，使煤層進一步破裂，增加煤層的透氣性。

當煤層主要為碎裂煤時，一次壓裂后，在壓裂孔口附近煤層的透氣性幾乎達到了最大，若要進行二次壓裂，需要使壓裂管向孔底進一步運移，這樣來改變壓裂煤層位置，增加壓裂改造范圍。

當煤層主要為碎粒煤時，最好在圍巖中進行壓裂，實現卸圍巖應力的目的。巖性應是泥質砂巖或砂巖，距煤層的距離一般不超過8 m。

當煤層主要以糜棱煤為主時，這類煤使用水力壓裂效果可能不太好，建議不在這樣的煤層中進行水力壓裂。

當不會引起瓦斯超限時，重復壓裂的時間間隔一般2～5 d，過長可能帶來設備搬遷相對麻煩。一般情況下，二次壓裂液量要略小于一次壓裂液量。本次所用的壓裂設備排量相對較小，今后應改進壓裂設備，提高壓裂時排量，效果可能更好。

3 應用效果評價

1) 水力壓裂影響范圍通過考察鉆孔施工過程中煤樣煤層含水率和煤層瓦斯含量測定。打鉆過程中，采用孔口接粉的方式取煤樣，使用DGC型瓦斯含量直接測定裝置測試煤樣的瓦斯含量。采用同樣的瓦斯含量快速測試方式，在原始煤體取樣測得煤層瓦斯含量為15 m3/t，經過水力壓裂后，距離壓裂孔30 m位置處煤層瓦斯含量降低了3～5 m3/t，水力壓裂后距離壓裂孔35 m位置處鉆孔含水率達到9.5%，含水率明顯提高。據此判斷水力壓裂影響范圍達到35 m以上。

2) 壓裂區域與未壓裂區域單孔抽采純量和抽采濃度對比曲線見圖5。從圖5中可看出：在60 d抽采時間內，未壓裂區域單孔瓦斯抽采純量和抽采濃度平均為0.0024 m3/min和6.2%，壓裂區域平均為0.0051 m3/min和11.2%，分別提升1.13倍和0.81倍，瓦斯抽采效果提升顯著。

圖5 壓裂區域與未壓裂區域單孔抽采純量和抽采濃度對比曲線

3) 未壓裂煤體透氣性系數為0.007861 m2/(MPa2·d)，壓裂后為0.317582 m2/(MPa2·d)，提高40倍以上。

4) 水力壓裂后百米流量衰減系數由原始煤體百米流量衰減系數0.024減小到0.021，降低了12.5%。

4 結 論

1) 通過保安煤礦井下重復水力壓裂試驗，形成了適用于該礦底板抽放巷的重復水力壓裂關鍵技術與流程。

2) 現場實施重復水力壓裂試驗表明，煤層水力壓裂影響半徑達到35 m以上；煤層透氣性系數提高40倍以上；瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量分別提高1.12倍和0.81倍。試驗表明重復水力壓裂能夠有效提高井下瓦斯抽采效果，值得煤礦瓦斯災害防治中推廣應用。

[1] 李經國,戴廣龍,李慶明,等.低透煤層水力壓裂增透技術應用[J].煤炭工程,2016,48(1):66-69.

[2] 劉曉，張雙斌，郭紅玉.煤礦井下長鉆孔水力壓裂技術研究[J].煤炭科學技術,2014,42(3)：42-44.

[3] 李全貴,翟成,林柏泉. 低透氣性煤層水力壓裂增透技術應用

[J].煤炭工程,2012(1):31-33,36.

[4] 林柏泉,孟凡偉,張海賓.基于區域瓦斯治理的鉆割抽一體化技術及應用[J].煤炭學報,2011,36(1):75-79．

[5] 宋維源,王忠峰,唐巨鵬.水力割縫增透抽采煤層瓦斯原理及應用[J].中國安全科學學報,2011,21(4):78-82.

[6] 王念紅,陳祖國.穿層水力沖孔增透技術在嚴重突出煤層中的應用[J].煤炭科學技術,2011,39(5):61-63.

[7] 王佰順,戴廣龍,童云飛,等.深孔松動爆破提高瓦斯抽放率的應用研究[J].煤礦安全,2002,33(11):5-7.

[8] 龔敏,張鳳舞,文斌,等.煤巷底板巖石爆破提高瓦斯抽放率的應用與數值模擬[J].煤炭學報,2012,37(6):972-977.

[9] 石亮,殷衛鋒,王濱,等.基于CO2爆破致裂增透的瓦斯治理技術與實踐[J].煤炭科學技術,2015,43(12):72-74.

[10] 陳永民,王蘇健,宋超,等.松軟低透煤層CO2爆破增透技術應用研究[J].煤礦開采,2015,20(3):133-135.