煤礦井下水砂壓裂瓦斯治理技術研究

賈永斌

(山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 045000)

1 提出問題

陽煤集團是全國最大的無煙煤基地，下屬礦井多為高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井，瓦斯賦存條件復雜，斷層和褶曲等構造較多，且煤層透氣性較低，特別是隨著開采規模的擴大，蓋山厚度增加，地應力加大，瓦斯含量和壓力增加，抽采效果受限于煤層透氣性，導致開采的難度愈來愈大。

因此，如何有效地增大煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率，進一步提高瓦斯治理能力，是擺在當前的一個非常重要的課題。

2 工藝原理

井下水砂壓裂增透技術，就是壓裂液和支撐劑壓入煤層，克服最小主應力、煤巖的破裂壓力和閉合壓力，使得煤層中原有的弱面張開、延伸、相互溝通，達到導流的目的。具體就是使用專門的壓裂裝置，將高壓的壓裂液壓入鉆孔，鉆孔內的壓力升高，達到克服地層的地應力和巖石抗張強度時，巖石開始出現破裂，形成一條或數條裂縫。為了使停泵后裂縫不至于完全閉合，獲得較高的導流能力，在注入壓裂液的同時，再注入固體支撐劑(石英砂或陶粒等)，使之留在裂縫中，以保持裂縫內高的滲透率，提高煤層透氣性，從而擴大瓦斯抽采的有效半徑，達到增透和抽采效果。

該技術于2019年獲得了國家發明專利(專利號ZL 2016 1 0792384.4)

3 壓裂裝置

陽煤集團與蘭州機器廠合作，對地面煤層氣的壓裂裝置進行認真地分析和研究，根據煤礦井下的特點，專門設計和研制了煤礦井下壓裂裝置，見圖1。

1—壓裂泵撬；2—混砂撬；3—儲砂罐撬；4—水箱撬；5—配電柜撬；6—移動變壓器撬；7—電纜；8—供液管線；9—高壓管線圖1 水砂壓裂裝置示意圖

該裝置于2014年獲得了國家實用新型專利(專利號ZL 2014 2 0120252.3)。

(1)壓裂泵撬

由壓裂泵、離合器和電機組成，主要功能是壓水和壓砂。壓裂泵工作時分為八檔，最大壓力為45MP，最大流量為90m3/h，電機功率為355kW。

(2)混砂撬

由輸砂器、混砂泵、攪拌器和電機組成，主要功能是壓裂液的配制和輸送。最大壓力為0.2～0.9MP，流量為45m3/h，電機功率為315kW。

(3)水箱撬

由水箱、閥門和輸水管路組成，主要功能是儲存水源。容量為6m3。

(4)儲砂罐撬

主要功能是儲放壓砂，壓砂由兩種不同規格的石英砂組成。

(5)配電柜撬

主要功能是控制各種設備的啟動、停止、變速等，滿足井下的防爆要求。

(6)移動變壓器撬

由防爆變壓器和電纜組成，主要功能是解決設備變配電，電壓10kV/1.14kV，容量為1600kVA。

4 壓裂前準備

4.1 壓裂設備的安裝、調試及材料準備

水砂壓裂裝備由若干個設備列車組成，安裝在井下的進風巷道中，距壓裂地點不少于200m，且安裝位置的巷道要有足夠的空間和安全通道，巷道盡可能平緩。

在壓裂施工前必須進行設備運轉情況檢查。關閉孔口管路閥門，對所有的施工管線進行最高限壓試驗。在最高限壓下，壓力穩定至少達到工藝設定要求的時間，系統設備沒有滲漏，就說明設備和注入系統合格，可以進行施工，否則必須進行緊固或更換相關部件。施工前備足壓裂所需的壓裂液、支撐劑及設備操作工具。

4.2 壓裂前觀測及參數測試

為考察壓裂效果，在壓裂前可根據壓裂地點不同，選擇性測試百米鉆孔瓦斯流量、鉆孔流量衰減系數、煤層透氣性系數、鉆屑量等相關參數。認真觀測壓裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是較為發育的構造附近及煤體裂縫發育地帶。同時，認真觀測頂底板支護情況，嚴禁在空頂區進行壓裂。

4.3 鉆孔布孔方式及施工

根據壓裂地點不同及治理瓦斯區域不同采用不同的壓裂布孔方式，因巖巷段封孔效果要好于煤巷段，使用底板巖石預抽巷(巖巷)向工作面順槽施工水砂壓裂鉆孔進行水砂壓裂后再進行打鉆抽放。

4.4 封孔

用膠囊封孔器或水泥砂漿進行封孔，膠囊封孔器要求抗壓強度達到40MPa以上，擴張系數大于150%，單節膠筒長度不小于1m。施工項目設計最高工作壓力在35MPa以下的作業暫定采用膠囊封孔的方式。當穿層鉆孔若巖石段大于20m，且施工壓力超過35MPa的施工作業，則采用水泥砂漿封孔。在巖孔中鉆孔進行水泥砂漿封孔，水泥砂漿封孔段長度不小于20m。

5 壓裂實施

5.1 壓裂液的選取

壓裂液的主要作用就是將壓裂設備所形成的高壓液體能量傳遞到煤儲層中去，在煤儲層中造成新的裂縫，撐開或擴大原有裂縫，然后把支撐劑加入到裂縫中去，當壓力撤消后支撐劑保證裂縫不會閉合。在壓裂過程中，壓裂液壓入煤層的程序分別為前置液、攜砂液、頂替液。

壓裂液選擇的基本原則包括：

(1)與水源及煤儲層的配伍性良好；

(2)濾失低、壓裂液效率高，能造長縫；

(3)攜砂能力強；

(4)摩阻低、穩定性良好；

(5)殘渣低，容易返排；

(6)貨源廣，價格低。

通過對活性水壓裂液、凍膠壓裂液和清潔壓裂液對比，得出不同壓裂液的適應性，經綜合考慮，選用活性水作為壓裂液，其優點是配液簡單、對煤層傷害低、成本低等。

5.2 支撐劑的選取

水力壓裂的目的在于將匯集于井筒的徑向流變成與井筒相連通的導流裂縫中的線性流，裂縫中的導流能力必須遠遠大于地層中的導流能力，要獲得高滲透率的裂縫，必須加入支撐劑，支撐劑的作用在于支撐裂縫的兩壁，以便在壓裂施工結束后，井底壓力下降到小于煤層裂縫閉合壓力，壓裂作業造成的通向井眼的導流裂縫依然保持張開。裂縫的導流能力至少要大到能消除井下的大多數徑向流并允許線性流從儲層進入到裂縫中，為達到這一目的，必須使支撐裂縫內的滲透率比儲層滲透率大幾個數量級。所用的支撐劑大致可分為三大類：天然石英砂、人造陶粒和樹脂包層處理支撐劑。

(1)石英砂

石英砂是一種分布廣、硬度大的天然的穩定性礦物，其主要化學成分為二氧化硅，主要產于沙漠、河灘或沿海地帶，礦物組分以石英為主，石英含量一般在80%左右，國外優質石英砂中石英含量可達98%以上。石英砂顆粒相對密度約在2.65左右，體積密度約在1.75g/cm3。對于低閉合壓力的儲層，使用石英砂作為壓裂用支撐劑已取得了一定的增產效果。石英砂的相對密度較低，便于施工泵送，且價格便宜，因而在淺井中至今仍被大量使用。

(2)陶粒

用電解或燒制均可制得，具有抗壓強度大特點，主要用于閉合壓力在34～59MPa內的壓裂施工作業，能保證在高閉合壓力下具有較高的導流能力。但相對密度也較大，對壓裂液的性能(如粘度、流變性等)及泵送條件(如排量，設備功率等)都有更高的要求，另外陶粒的生產成本比較高。這兩種因素引起陶粒的壓裂施工成本昂貴，限制了它的廣泛使用。

(3)樹脂包層砂

針對天然石英砂抗壓強度低、導流能力差而研制的支撐劑，采用特殊工藝將改性苯酚甲醛樹脂包裹到石英砂的表面上，并經熱固處理制成。一般它的顆粒密度為2.55g/cm3，比石英砂略輕。由于在砂子表面包裹了一層高強度樹脂，使閉合壓力分布在較大的樹脂層的面積上，減少了點負荷，無樹脂膜的顆粒其受力面積直徑是顆粒直徑的10%或更小，而有樹脂膜的顆粒其受力面積直徑接近顆粒直徑的40%；用電子顯微鏡觀測發現，可變形支撐劑的接觸面積比易碎裂支撐劑的接觸面積增大16倍。這樣即使壓碎了包層內的砂子，外邊的樹脂層仍可以將碎塊、微粒包裹在一起，防止它們運移或堵塞支撐劑帶的孔隙，使裂縫保持有較高導流能力。

樹脂包層砂提高了砂粒的抗破碎能力，而且砂粒鍵合在一起，不僅形成了一條有滲透能力的過濾層，而且還防止了支撐劑吐出，減少了支撐劑嵌入地層的現象。由于每粒砂粒均有一層堅韌的樹脂外殼，因此，若在一定的閉合應力下，砂粒被壓碎，所產生的碎屑、細粉砂卻包覆在樹脂殼內，從而防止了碎屑、細粉砂的運移。因而即使在砂粒被壓碎的情況下，該支撐劑仍有一定的導流能力。

具體使用何種支撐劑要根據施工項目的煤層結構、條件等因素經綜合考慮進行施工設計，推薦選擇使用石英砂(粒徑分別有細粒、中粒和粗粒)作為支撐劑材料，其優點是性能適中、價格便宜和貨源廣等。

5.3 前置液注入

啟動壓裂泵后，將配置的活性水壓裂液注入施工目標煤層，液體壓力緩慢升壓，當泵注壓力達到破裂壓力形成裂縫后，繼續泵注，液體壓力保持高壓或出現若干次峰值，直至泵注量達到設計要求用量，約80～100m3，泵壓會稍有降低并保持穩定。活性水壓裂液按質量百分比計的配比為：活性劑0.04%～0.07%，增稠劑0.04%～0.07%，KCl 0.3%～0.7%，其余為清水。活性劑可選用低泡表面活性劑，增稠劑可選用水性增稠劑。

5.4 攜砂液注入

注入前置液后期，地層裂縫形成后，開始注入攜砂液，加入粒徑為0.15～0.30mm石英砂，砂比為3%～5%。如果施工壓力快速上升，停止細粒石英砂加砂，繼續注入活性水壓裂液，待施工壓力下降至10MPa并保持穩定時，重新開始加砂。此時的石英砂粒徑應為0.45～0.9mm的中粒石英砂，平均砂比為10%左右為宜。在注入攜砂液后期，若施工壓力快速上升，需進行停止加砂或沖洗。

5.5 頂替液注入

沖洗完畢后，開始注入頂替液，注入壓力初步定為15～18MPa，以便使孔內殘留的砂粒進入到壓開的煤體裂縫中，不至于堵孔影響后期的抽采效果。注入液量為2～3m3。

5.6 洗孔

頂替液注入后，關閉井口，等到煤層壓力緩慢釋放后，用1～2MPa的高壓水利用壓裂孔進行洗孔作業。待只有少量煤粒或砂粒排出時停止洗孔，一般洗孔時間為5～8min。

5.7 排水

因在底板預抽巷所施工的壓裂鉆孔均為仰角孔，高壓水可自煤孔中自由流出，需做好壓裂孔所在區域的排水工作，必要時可施工專用排水渠進行排水。

5.8 數據錄入

對壓裂過程中的每一階段，嚴格記錄壓裂泵排出壓力、流量、液量、砂量、砂比、時間等數據，并填寫在專門的記錄表格內。

6 壓裂結束

6.1 壓裂后觀測及參數測試

壓裂之后測試與壓裂前相對應的瓦斯參數，同時觀測壓裂后壓裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是較為發育的構造附近及煤體裂縫發育地帶，觀測煤壁是否有出水、巷道變形等情況。并與壓裂前對比，初步確定壓裂效果及壓裂半徑。如果需考察壓裂半徑，則在壓裂范圍區域內施工鉆孔進行測試，比較壓裂前的瓦斯參數，從而較為準確的確定壓裂半徑。

6.2 封孔聯管抽采

壓裂時若為膠囊封孔則需取出膠囊后按已有抽采鉆孔封孔方式進行封孔，確保封孔合格，之后接入抽采管路進行抽采。同時在孔口抽采管上留有相應的接口可進行抽采濃度、流量等參數的測試；如果為水泥砂漿封孔，則通過變徑接頭接入已有抽采管路進行抽采。

6.3 抽采參數測試

詳細記錄壓裂鉆孔聯管抽采之后的瓦斯濃度、抽采負壓、抽采流量等相關抽采參數，對比相近區域未壓裂鉆孔的抽采情況，考察抽采效果。通過考察不同壓裂鉆孔的抽采情況，最終實現壓裂參數與抽采效果的定性及定量化表達，為日后的壓裂提供指導。