虛擬儲(chǔ)層水力強(qiáng)化技術(shù)在軟煤瓦斯抽采中的應(yīng)用研究

陳頂峰

摘 要：中馬村礦二1煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瓦斯含量高，煤質(zhì)較軟，煤層透氣性差，常規(guī)的本煤層水力壓裂瓦斯抽采效果差。為了解決軟煤瓦斯抽采的難題，本文在27021工作面開(kāi)展了虛擬儲(chǔ)層水力強(qiáng)化作業(yè)試驗(yàn)，分別從瓦斯抽采量、瓦斯抽采強(qiáng)度、排出煤粉量三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行效果分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬儲(chǔ)層水力強(qiáng)化改造后，瓦斯抽采量大幅提升，抽采效果明顯，同時(shí)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力得到平衡，避免煤層應(yīng)力過(guò)于集中于一點(diǎn)或一個(gè)方向。

關(guān)鍵詞：虛擬儲(chǔ)層;水力壓裂;吞吐壓裂;抽采強(qiáng)度

Abstract： The two1 coal seam of Zhongmacun Mine has a complicated coal seam structure， high gas content， soft coal quality， poor coal seam permeability， and poor conventional gas fracturing gas drainage efficiency. In order to solve the problem of soft coal gas drainage， this paper carried out a virtual reservoir hydraulic strengthening operation test on the working face 27021， and analyzed the effects from the three indicators of gas drainage volume， gas drainage intensity and pulverized coal discharge. The test results show that after the virtual reservoir hydraulic enhancement， the gas drainage volume is greatly increased， and the drainage effect is obvious， at the same time， the in-situ stress of the coal reservoir is balanced to prevent the coal stress from being too concentrated in one point or one direction.

Keywords： virtual reservoir;hydraulic fracturing;huff and puff fracturing;pumping intensity

目前，礦井瓦斯抽采常采用的增透技術(shù)是水力強(qiáng)化增透技術(shù)，該技術(shù)主要為本煤層鉆孔和底板巖巷穿層鉆孔，壓裂的主體為煤層，對(duì)于煤質(zhì)較為堅(jiān)硬、破壞不嚴(yán)重的煤層，一般均能取得較好的增透效果，無(wú)論是瓦斯抽采量還是鉆孔高效利用時(shí)間，都有數(shù)倍甚至幾十倍的提高和增加。煤體結(jié)構(gòu)為軟煤時(shí)，水力壓裂裂縫達(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。對(duì)于軟煤水力進(jìn)行壓裂后，裂縫很快就被擠壓充填，滲透性沒(méi)有實(shí)質(zhì)性改變，行業(yè)內(nèi)基本把軟煤看作是水力壓裂的“禁區(qū)”，如何解決軟煤層瓦斯含量高、透氣性差、抽采困難、易塌孔等問(wèn)題，成為困擾高瓦斯礦井的一個(gè)難題，必須從工藝和措施上進(jìn)行改革創(chuàng)新，尋求一種新的解決方法[1-3]。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

中馬村礦27021工作面走向長(zhǎng)度約為694 m，傾斜寬度約為93 m，面積約為64 542 m2，主采煤層為二1煤層，煤層賦存不穩(wěn)定，厚度一般為0.1～7.2 m，平均煤厚為3.1 m，瓦斯含量為20 m3/t，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自上而下可劃分為三層：上分層靠近煤層頂板，厚度為1.3～1.6 m，煤質(zhì)較軟，煤層破壞較嚴(yán)重，常呈粉末狀或鱗片狀，光澤暗淡，[f]值為0.2～0.3;中分層厚度為1.5～2.0 m，煤質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，[f]值為1.5左右，煤層較薄時(shí)，該分層常消失;下分層厚度為1.0～2.0 m，煤質(zhì)較軟。三個(gè)分層厚度變化較大，煤厚在4.0 m以下時(shí)甚至全為軟分層。煤層傾角為8°～14°。煤層透氣性系數(shù)基本介于0.07～0.19 m2/（MPa2·d），瓦斯?jié)B透率為（0.01～0.08）×10-15 m2。試驗(yàn)區(qū)二1煤層透氣性系數(shù)較低，反映了二1煤層對(duì)瓦斯流動(dòng)的阻力較大，瓦斯沿煤層流動(dòng)緩慢，不易抽采。該軟煤試驗(yàn)區(qū)無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的本煤層水力壓裂實(shí)現(xiàn)增透，且松軟煤層中的壓裂工藝容易遇到塌孔、卡鉆、瓦斯流量低、抽采衰減速度快等一系列問(wèn)題，人們幾乎認(rèn)為松軟煤層是水力壓裂工藝的禁區(qū)，因此應(yīng)從壓裂的工藝和措施上進(jìn)行改革創(chuàng)新，尋找一條解決松軟煤層瓦斯抽采問(wèn)題的方法。

2 試驗(yàn)區(qū)鉆孔布置

井下多分支鉆孔結(jié)構(gòu)包含1個(gè)主孔和11個(gè)分支孔，主孔進(jìn)尺為411 m，分支進(jìn)尺為783 m，累計(jì)進(jìn)尺為1 194 m，主孔和分支孔均為穿層鉆孔，其中110 m進(jìn)尺在煤層中，終孔層位在煤層頂板內(nèi)，鉆孔鉆遇巖層分別為穩(wěn)定穩(wěn)定粉砂巖、巖石破碎帶、煤層和穩(wěn)定的砂巖，圖1是主孔和分支孔關(guān)系示意圖。封孔采用兩端聚氨酯、中間水泥漿的組合方式，封孔2 d后，觀察鉆孔口和注漿管均未出現(xiàn)漏水情況，說(shuō)明封孔質(zhì)量合格。

3 試驗(yàn)區(qū)施工情況

3.1 常規(guī)水力壓裂強(qiáng)化作業(yè)

常規(guī)水力壓裂作業(yè)過(guò)程中，注漿泵運(yùn)行擋位以4擋為主，累計(jì)壓裂時(shí)間為534 min，最高施工壓力為13.1 MPa，平均壓水流量為1.1 m3/min，全過(guò)程共計(jì)壓入清水587.4 m3，圖2為多分支孔全過(guò)程壓裂施工曲線。

從施工曲線分析可以看出，壓水開(kāi)始后，第一步先灌滿鉆孔。壓水進(jìn)行到第95 min時(shí)，注水壓力快速?gòu)?.5 MPa升至12 MPa，說(shuō)明鉆孔內(nèi)已灌滿清水，此時(shí)注入水量大于地層漏失水量。第二步是巖石破裂壓力及裂縫延伸。隨著壓裂的進(jìn)行，在第99 min和114 min壓力達(dá)到最高（13 MPa）后略微下降，說(shuō)明巖石發(fā)生了破裂，形成了新裂縫;從116 min到133 min，壓力在9.5～10 MPa達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明形成的裂縫正在延伸;從134 min到136 min，壓力升至12.5 MPa后又開(kāi)始下降，說(shuō)明此時(shí)有微小的新裂縫產(chǎn)生;最終壓力穩(wěn)定在10 MPa左右，說(shuō)明形成的小裂縫一直延伸，沒(méi)有新的大裂縫再形成。

在軟煤中進(jìn)行常規(guī)的水力壓裂，不會(huì)形成裂縫和裂縫的延伸，只能在煤層中形成小的擠漲穿刺，因此推斷本次壓裂過(guò)程中形成的裂縫主要位于煤層頂板和底板的砂巖中。理論上，13 MPa的壓力足以使埋深300多米的砂巖形成裂縫，同時(shí)利用CYT進(jìn)行裂縫檢測(cè)也證明了推斷的合理性。

3.2 吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)

常規(guī)水力壓裂后，瓦斯抽采量變化較大，分析認(rèn)為，形成的裂縫逐漸被帶出的煤粉堵塞，導(dǎo)致后期抽采量急劇下降。為了解決裂縫堵塞問(wèn)題，本研究決定對(duì)該鉆孔進(jìn)行吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)，通過(guò)向鉆孔內(nèi)注0.5 h以上清水，然后快速開(kāi)閥放水，利用快速放水帶出鉆孔內(nèi)煤粉。該作業(yè)過(guò)程分為三個(gè)階段。

3.2.1 第一階段。吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)可以形成張性和剪切性等新裂縫體系。該階段，注漿泵以4擋位運(yùn)行32 min，壓力最高達(dá)到9.9 MPa，流量最大為1.0 m3/min，共注入清水25.4 m3，注水停止后進(jìn)行快速開(kāi)閥放水，放水時(shí)長(zhǎng)為62 min，放出的水中煤巖粉含量較多，水樣中固體含量達(dá)到0.08 g/100 mL。

3.2.2 第二階段。注漿泵以4擋位運(yùn)行63 min，5擋位運(yùn)行30 min。壓力最高達(dá)13.4 MPa，流量最大為1.3 m3/min，共注入清水102.4 m3，注水停止后進(jìn)行快速開(kāi)閥放水，放水時(shí)長(zhǎng)86 min，水中煤巖粉含量顯著增多，水樣中固體含量達(dá)到1.5 g/100 mL。

3.2.3 第三階段。以5擋位運(yùn)行37 min。壓力最高達(dá)13.4 MPa，流量最大為1.3 m3/min，共注入清水45.3 m3，注水停止后進(jìn)行快速開(kāi)閥放水，放水時(shí)長(zhǎng)為68 min，水中煤巖粉含量比第一階段顯著增多，比第二階段略有減少，水樣中固體含量達(dá)到1.35 g/100 mL。

4 效果分析

4.1 水力強(qiáng)化前后瓦斯抽采量對(duì)比

4.1.1 常規(guī)瓦斯抽采量。常規(guī)水力壓裂強(qiáng)化前，多分支孔的瓦斯抽采量基本為零。圖3為常規(guī)水力壓裂后抽采量變化曲線，可以看出，6月2日至11日（共10 d）共抽采純瓦斯量5 923.4 m3，最大日抽采純量為748.8 m3，最小日抽采純量為432.0 m3，平均日抽采純量為592.3 m3;抽采瓦斯?jié)舛茸畲鬄?0%，最小為20%。

4.1.2 吞吐式水力強(qiáng)化后瓦斯抽采量。6月12日對(duì)鉆孔進(jìn)行了吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)，6月14日至7月1日（共18 d）共抽采瓦斯純量13 315.8 m3，最大日抽采純量為997.9 m3，最小日抽采純量為130.3 m3，平均日抽采純量為739.8 m3;抽采瓦斯?jié)舛茸畲鬄?9.9%，最小為44.1%。

隨著吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)進(jìn)行，鉆孔中水?dāng)y帶煤粉的大量排出，瓦斯抽采量也呈增加趨勢(shì)，6月23日至7月1日，瓦斯抽采負(fù)壓調(diào)整到80 kPa，增大了抽采負(fù)壓在鉆孔內(nèi)的傳遞范圍，日抽采瓦斯純量保持在900～1 000 m3，7月2日日抽采突然降至低于300 m3/d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抽采管末端篩網(wǎng)被煤塵堵塞嚴(yán)重，瓦斯運(yùn)移不通暢，導(dǎo)致抽采量下降。針對(duì)篩管堵塞問(wèn)題，可繼續(xù)二次或者三次采用吞吐式水力化作業(yè)方式進(jìn)行篩管和裂縫解堵，保證瓦斯抽采運(yùn)移通道暢通。

4.2 抽采強(qiáng)度對(duì)比

對(duì)長(zhǎng)450 m、寬50 m、煤厚4 m、視密度1.4 t/m3的煤層進(jìn)行水力強(qiáng)化作業(yè)，強(qiáng)化后抽采量達(dá)到0.005 5 m3/t/d，即每噸煤每天可抽出瓦斯0.005 5 m3;抽采時(shí)間按照28 d計(jì)算，強(qiáng)度抽采率可達(dá)到0.03%，即每天抽出的瓦斯量占總抽出量的0.03%。

4.3 排出煤巖粉量

吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)分三階段進(jìn)行，每階段排出的水中固體含量不同，第一階段排出總水量25.4 m3，實(shí)測(cè)水中煤巖粉含量為0.08 g/100 mL，則排出煤巖粉0.02 t;第二階段排出總水量102.4 m3，實(shí)測(cè)水中煤巖粉含量為1.5 g/100 mL，則排出煤巖粉1.53 t;第三階段排出總水量45.3 m3，實(shí)測(cè)水中煤巖粉含量為1.35 g/100 mL，則排出煤巖粉0.61 t;三個(gè)階段共排出煤巖粉量2.16 t。

從鉆孔排出水中攜帶的煤巖粉量可以看出，吞吐式水力強(qiáng)化作業(yè)能夠起到?jīng)_洗鉆孔煤巖粉、疏通瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移通道的效果，可為后期鉆孔瓦斯快速抽采提供保障。

5 結(jié)論

對(duì)軟煤虛擬儲(chǔ)層進(jìn)行水力強(qiáng)化改造，間接增大了煤儲(chǔ)層的滲透率，提高了瓦斯抽采濃度和抽采純量，縮短了工作面達(dá)標(biāo)治理時(shí)間。水力強(qiáng)化作業(yè)有助于煤儲(chǔ)層地應(yīng)力在一定范圍內(nèi)達(dá)到均一化，避免在某一點(diǎn)或某個(gè)方向上過(guò)于集中，同時(shí)減少瓦斯抽采鉆孔噴孔傷人風(fēng)險(xiǎn)。由于鉆孔是穿層鉆孔，部分孔段過(guò)煤層，瓦斯抽采過(guò)程中，煤粉進(jìn)入并封堵了過(guò)濾網(wǎng)，嚴(yán)重影響抽采效果，在后期的推廣過(guò)程中，鉆孔設(shè)計(jì)盡量順煤層頂板布置，避開(kāi)煤層，提高鉆孔抽采時(shí)間。軟煤虛擬儲(chǔ)層改造時(shí)建議采用區(qū)域治理方式，利用地面水平分支孔隨鉆定向技術(shù)對(duì)工作面全覆蓋，降低瓦斯抽采空白帶風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)地面大規(guī)模壓裂和抽采，提高瓦斯治理效率。

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