底抽巷水力壓裂試驗及應用效果分析

路 璐

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

瓦斯抽采效果的優劣往往會影響煤礦開拓進度，甚至最終影響煤礦的安全生產[1]。針對低透氣難抽放煤層，發展出很多卸壓增透技術，其中水力壓裂技術較為成熟[2]。水力壓裂是利用高壓水將煤巖體壓裂，改變煤巖體的受力狀態，形成大量的裂縫以增加圍巖的透氣性，提高瓦斯抽采率[3]。

1 工作面概況

新景礦位于陽泉市西部，井田面積64.747km2，其中3#煤層為突出煤層，屬于煤與瓦斯突出礦井。3107底抽巷位于保安分區南翼東部，東為本區3105工作面（正掘），南為蘆南二區7206、7208工作面（已采），西為本區3107工作面（未掘），北隔采區大巷為3108工作面（未掘）。煤體瓦斯壓力 0.75～1.57MPa，瓦斯含量 7.3～17.82m3/t，透氣性系數為 0.0188～0.1377（m2/MPa2·d），為典型的高突低透煤層。

2 水力壓裂參數的確定

在進行水力壓裂試驗前，首先應確定煤層水力壓裂相關參數。通過對注水流量、壓力、時間等相關參數的影響效應進行數值分析，分析參數的影響規律，然后通過理論分析確定各壓裂參數。

2.1 壓裂參數的數值模擬

利用顆粒離散元程序，建立松軟低透煤層水力壓裂計算模型，從而模擬壓裂參數對壓裂半徑影響規律[4]，如圖1所示。編制相應的計算代碼進行數值摸擬，最后將試驗結果進行統計整理并分析。

圖1 計算模型圖

圖2 不同流量下壓裂半徑與壓裂時間擬合曲線圖

松軟低透煤巖水力壓裂半徑隨著注水時間的增加而穩定增長，注水流量對于壓裂裂紋擴展半徑也有較大的影響，大體趨勢是對于同一注水時間，注水流量越大，壓裂半徑也越大。

圖3 壓裂時間下壓裂半徑隨注水流量變化擬合曲線

壓裂半徑與注水流量為非線性正關系，當注水時間控制為某一確定值時，松軟低滲煤體壓裂半徑隨著注水時間非線性增加。

由圖2、3可見，松軟煤層壓裂后，壓裂影響半徑的變化幅度與位置、壓裂流量及壓裂時間有關。距壓裂孔越近，壓裂流量越大，壓裂影響半徑增大越明顯；壓裂時間對增大壓裂半徑也有影響，其權重較小。

2.2 壓裂參數的確定

（1）泵注壓力

泵注壓力Pw為：

其中：

煤層破裂壓力

Pk=3σh-3σH+σt-P0

式中：

σh-最小主應力，MPa；

σH-最大主應力，MPa；

σt-抗拉強度，MPa；

P0-孔隙壓力，MPa。

壓裂管路液柱壓力PH=H×ρ×g

式中：

H-壓裂管路高程落差，m；

ρ-壓裂液密度，kg/m3；

g-重力加速度，m/s2。

壓裂液沿程摩阻Pr=L×λ

式中：

L-管路長度，m；

λ-摩阻系數，MPa/m。

由此計算得到起裂壓力在20MPa左右，泵注壓力在25MPa左右。

（2）注水量

前置液用量按下列式計算：

式中：

V前-前置液用量，m3；

R-預計壓裂半徑，m；

r-孔眼半徑，m；

H-地層厚度，m；

φ-孔隙率，%。

當前置液用量達到設計數量時，開始計量頂替液，計算公式如下：

式中：

V替-頂替液用量，m3；

V外-孔外管道的容積，m3；

K-附加量系數，一般值為1.0～1.5；

V管-孔內管柱容積，m3。

經計算，該次壓裂孔煤層注水量約為100～120m3，實際壓裂注水量由現場情況靈活掌握。

3 試驗方案

結合3107工作面地質資料及巷道布置情況，共布置7個水力壓裂試驗鉆孔，壓裂半徑40m，設計壓裂鉆孔間距70m，1#～7#鉆孔由外向里依次布置，5#壓裂孔為1#壓裂孔和2#壓裂孔之間的補充壓裂孔，壓裂鉆孔布置平面圖如圖4所示。

圖4 3107底抽巷壓裂區域鉆孔布置平面圖

4 卸壓增透效果考察

對壓裂區域進行壓裂效果考察。首先測定未壓裂區域的煤層瓦斯相關參數，對水力壓裂進行過程分析，并對壓裂區域煤層瓦斯含量、含水率等參數測定，確定水力壓裂影響半徑；然后在壓裂區域布置瓦斯預抽鉆孔，考察其抽采效果及抽采后煤層瓦斯含量，從而檢驗水力壓裂后卸壓增透效果。

4.1 壓裂影響半徑考察

3107底抽巷共完成7個壓裂孔的水力壓裂工作。各壓裂孔在壓裂試驗期間均未出現頂板掉渣現象，壓裂孔周邊圍巖有滲水現象。通過對壓裂期間壓裂鉆孔周邊圍巖滲水情況統計及分析可知：2#壓裂孔泵注壓力19MPa左右，壓裂半徑為20m以上；5#壓裂孔泵注壓力為22MPa左右，壓裂半徑為50m以上；6#壓裂孔泵注壓力為23MPa，壓裂半徑為30m以上。

通過施工水力壓裂檢驗孔判定壓裂半徑，根據鉆孔施工現象、鉆孔的瓦斯含量、含水率等參數來判定該處是否處在壓裂半徑內。使用DGC型瓦斯含量直接測定裝置測試煤樣的瓦斯含量，使用烘干法測試煤層含水率[5]。可知3#孔泵注壓力21MPa，壓裂半徑為52m左右；7#孔泵注壓力26.5MPa，壓裂半徑為47m左右。

綜合水力壓裂實施過程及檢驗鉆孔考察可得，南五底抽巷水力壓裂泵注壓力20～26MPa、注水量100m3左右時，水力壓裂影響半徑在40～50m之間。

圖5 壓裂前后鉆孔抽采濃度及純量對比圖

4.2 抽采效果考察

水力壓裂后，考察鉆孔濃度0.64%～75.4%，抽采平均濃度39.22%，相比原始煤體瓦斯抽采平均濃度11.2%提升3.3倍，其中抽采濃度小于20%的觀測數據占所有數據的24%，抽采濃度大于20%且小于40%的觀測數據占所有數據的19%，抽采濃度高于40%的觀測數據占所有數據的57%，提升幅度巨大。壓裂后考察鉆孔單孔抽采純量為0.184～31.1L/min，平均單孔抽采純量3.01L/min，單孔抽采純量相比原始煤體瓦斯平均純量1.195L/min提高2.52倍，最高提升26倍。抽采情況如圖5所示。

5 結論

（1）數值模擬分析了壓裂參數與壓裂影響半徑的關系，壓裂流量是最主要的影響因素，壓裂時間次之。

（2）根據工程實況及設備性能確定了壓裂參數，泵注壓力25MPa，煤層注水量100～120m3。

（3）壓裂試驗后考察了卸壓增透效果，壓裂影響半徑40～50m，瓦斯抽采濃度提高了3.3倍，抽采量提高了2.52倍，抽采效果明顯。