虛擬儲層水力強化技術在軟煤瓦斯抽采中的應用研究

陳頂峰

摘 要：中馬村礦二1煤層結構復雜，瓦斯含量高，煤質較軟，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工作面開展了虛擬儲層水力強化作業(yè)試驗，分別從瓦斯抽采量、瓦斯抽采強度、排出煤粉量三個指標進行效果分析。試驗結果表明，虛擬儲層水力強化改造后，瓦斯抽采量大幅提升，抽采效果明顯，同時煤儲層地應力得到平衡，避免煤層應力過于集中于一點或一個方向。

關鍵詞：虛擬儲層;水力壓裂;吞吐壓裂;抽采強度

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是水力強化增透技術，該技術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，對于煤質較為堅硬、破壞不嚴重的煤層，一般均能取得較好的增透效果，無論是瓦斯抽采量還是鉆孔高效利用時間，都有數(shù)倍甚至幾十倍的提高和增加。煤體結構為軟煤時，水力壓裂裂縫達到煤層，但軟煤力學殘余強度低，水力壓裂只能形成擠脹或穿刺，無法形成有效的裂隙增透，且瓦斯流態(tài)仍是兩級擴散方式，速度緩慢。對于軟煤水力進行壓裂后，裂縫很快就被擠壓充填，滲透性沒有實質性改變，行業(yè)內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、易塌孔等問題，成為困擾高瓦斯礦井的一個難題，必須從工藝和措施上進行改革創(chuàng)新，尋求一種新的解決方法[1-3]。

1 試驗區(qū)概況

中馬村礦27021工作面走向長度約為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，煤層結構復雜，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，煤質較軟，煤層破壞較嚴重，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，煤質較堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，[f]值為1.5左右，煤層較薄時，該分層常消失;下分層厚度為1.0～2.0 m，煤質較軟。三個分層厚度變化較大，煤厚在4.0 m以下時甚至全為軟分層。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。試驗區(qū)二1煤層透氣性系數(shù)較低，反映了二1煤層對瓦斯流動的阻力較大，瓦斯沿煤層流動緩慢，不易抽采。該軟煤試驗區(qū)無法通過傳統(tǒng)的本煤層水力壓裂實現(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題，人們幾乎認為松軟煤層是水力壓裂工藝的禁區(qū)，因此應從壓裂的工藝和措施上進行改革創(chuàng)新，尋找一條解決松軟煤層瓦斯抽采問題的方法。

2 試驗區(qū)鉆孔布置

井下多分支鉆孔結構包含1個主孔和11個分支孔，主孔進尺為411 m，分支進尺為783 m，累計進尺為1 194 m，主孔和分支孔均為穿層鉆孔，其中110 m進尺在煤層中，終孔層位在煤層頂板內，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，說明封孔質量合格。

3 試驗區(qū)施工情況

3.1 常規(guī)水力壓裂強化作業(yè)

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

從施工曲線分析可以看出，壓水開始后，第一步先灌滿鉆孔。壓水進行到第95 min時，注水壓力快速從9.5 MPa升至12 MPa，說明鉆孔內已灌滿清水，此時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。隨著壓裂的進行，在第99 min和114 min壓力達到最高（13 MPa）后略微下降，說明巖石發(fā)生了破裂，形成了新裂縫;從116 min到133 min，壓力在9.5～10 MPa達到穩(wěn)定狀態(tài)，說明形成的裂縫正在延伸;從134 min到136 min，壓力升至12.5 MPa后又開始下降，說明此時有微小的新裂縫產生;最終壓力穩(wěn)定在10 MPa左右，說明形成的小裂縫一直延伸，沒有新的大裂縫再形成。

在軟煤中進行常規(guī)的水力壓裂，不會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，同時利用CYT進行裂縫檢測也證明了推斷的合理性。

3.2 吞吐式水力強化作業(yè)

常規(guī)水力壓裂后，瓦斯抽采量變化較大，分析認為，形成的裂縫逐漸被帶出的煤粉堵塞，導致后期抽采量急劇下降。為了解決裂縫堵塞問題，本研究決定對該鉆孔進行吞吐式水力強化作業(yè)，通過向鉆孔內注0.5 h以上清水，然后快速開閥放水，利用快速放水帶出鉆孔內煤粉。該作業(yè)過程分為三個階段。

3.2.1 第一階段。吞吐式水力強化作業(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擋位運行32 min，壓力最高達到9.9 MPa，流量最大為1.0 m3/min，共注入清水25.4 m3，注水停止后進行快速開閥放水，放水時長為62 min，放出的水中煤巖粉含量較多，水樣中固體含量達到0.08 g/100 mL。

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

3.2.3 第三階段。以5擋位運行37 min。壓力最高達13.4 MPa，流量最大為1.3 m3/min，共注入清水45.3 m3，注水停止后進行快速開閥放水，放水時長為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，水樣中固體含量達到1.35 g/100 mL。

4 效果分析

4.1 水力強化前后瓦斯抽采量對比

4.1.1 常規(guī)瓦斯抽采量。常規(guī)水力壓裂強化前，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 吞吐式水力強化后瓦斯抽采量。6月12日對鉆孔進行了吞吐式水力強化作業(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%。

隨著吞吐式水力強化作業(yè)進行，鉆孔中水攜帶煤粉的大量排出，瓦斯抽采量也呈增加趨勢，6月23日至7月1日，瓦斯抽采負壓調整到80 kPa，增大了抽采負壓在鉆孔內的傳遞范圍，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，結果發(fā)現(xiàn)，抽采管末端篩網被煤塵堵塞嚴重，瓦斯運移不通暢，導致抽采量下降。針對篩管堵塞問題，可繼續(xù)二次或者三次采用吞吐式水力化作業(yè)方式進行篩管和裂縫解堵，保證瓦斯抽采運移通道暢通。

4.2 抽采強度對比

對長450 m、寬50 m、煤厚4 m、視密度1.4 t/m3的煤層進行水力強化作業(yè)，強化后抽采量達到0.005 5 m3/t/d，即每噸煤每天可抽出瓦斯0.005 5 m3;抽采時間按照28 d計算，強度抽采率可達到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

吞吐式水力強化作業(yè)分三階段進行，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，實測水中煤巖粉含量為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，實測水中煤巖粉含量為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，實測水中煤巖粉含量為1.35 g/100 mL，則排出煤巖粉0.61 t;三個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，吞吐式水力強化作業(yè)能夠起到沖洗鉆孔煤巖粉、疏通瓦斯擴散運移通道的效果，可為后期鉆孔瓦斯快速抽采提供保障。

5 結論

對軟煤虛擬儲層進行水力強化改造，間接增大了煤儲層的滲透率，提高了瓦斯抽采濃度和抽采純量，縮短了工作面達標治理時間。水力強化作業(yè)有助于煤儲層地應力在一定范圍內達到均一化，避免在某一點或某個方向上過于集中，同時減少瓦斯抽采鉆孔噴孔傷人風險。由于鉆孔是穿層鉆孔，部分孔段過煤層，瓦斯抽采過程中，煤粉進入并封堵了過濾網，嚴重影響抽采效果，在后期的推廣過程中，鉆孔設計盡量順煤層頂板布置，避開煤層，提高鉆孔抽采時間。軟煤虛擬儲層改造時建議采用區(qū)域治理方式，利用地面水平分支孔隨鉆定向技術對工作面全覆蓋，降低瓦斯抽采空白帶風險，同時可以實現(xiàn)地面大規(guī)模壓裂和抽采，提高瓦斯治理效率。

參考文獻：

[1]于紅，王曉麗，張瑞林，等.松軟煤層頂板水力壓裂技術研究[J].中國煤炭，2017（12）：137-141.

[2]郝殿，李學臣，張清田，等.虛擬儲層水力壓裂增透效果研究[J].山西煤炭，2018（2）：61-64.

[3]常利銘.水力壓裂技術在煤礦瓦斯治理方面的應用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015（2）：61-64.