定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的應(yīng)用

龔齊森，王文春，周東平，周俊杰，蔣和才，王旭晟

（重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400060）

0 引 言

我國(guó)大多數(shù)煤礦屬于高瓦斯礦井，且由于地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，許多高瓦斯煤礦煤層屬于松軟破碎煤層[1-2]，其抽采瓦斯鉆孔施工困難，易出現(xiàn)塌孔、縮孔，成孔能力極差，且煤層瓦斯?jié)B透性較低，造成瓦斯抽采困難，抽采效率低，進(jìn)而導(dǎo)致礦井回采生產(chǎn)秩序失衡，嚴(yán)重制約了礦井安全高效生產(chǎn)，因此，除了要解決抽采鉆孔的成孔能力外，增加低滲透性松軟煤層的瓦斯?jié)B透性是解決瓦斯高效抽采的關(guān)鍵。長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)是改變礦井松軟破碎煤層儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的重要方法，該技術(shù)能夠增加煤層滲透能力、均衡瓦斯壓力、平衡地應(yīng)力場(chǎng)以及抑制瓦斯涌出等具有良好的效果，為低滲透松軟破碎煤層的瓦斯抽采提供重要途徑。本文以王坡煤業(yè)3號(hào)煤層為工程背景，研究長(zhǎng)鉆孔水力壓裂技術(shù)對(duì)低滲透松軟破碎煤層的增透效果，以期解決低滲透破軟煤層瓦斯治理的技術(shù)難題。

1 工程背景

王坡煤業(yè)主采3#煤層，煤層平均厚度為4.6 m，煤層平均傾角為5°。3#煤層老頂、老底均為中砂巖，直接頂板為黑色泥巖，局部含粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，直接底板為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般含0～2層夾矸，單層夾矸厚度為0～0.4m。3#煤層屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險(xiǎn)性。礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量為54.58m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為138.78m3/min，瓦斯最大壓力為0.58MPa，為高瓦斯礦井。3#煤層瓦斯含量為8.53～10.44 m3/t，煤體屬于松軟破碎煤層，其堅(jiān)固系數(shù)f為0.30～0.55，煤層透氣性系數(shù)為0.071m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯衰減系數(shù)為0.378d-1，屬于低透氣性煤層。

2 水力壓裂增透原理

2.1 增透機(jī)理

水力壓裂技術(shù)[3-4]是通過壓裂設(shè)備向煤層注射孔內(nèi)注射高壓液體，其壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤體的吸收能力，將注入孔的孔口進(jìn)行封堵，這樣注入孔內(nèi)的液體壓力將不斷上升，當(dāng)液體壓力大于煤體的破裂壓力時(shí)，注入孔的孔壁會(huì)在高壓液體下的擠壓作用下形成初始裂縫，隨著高壓液體的不斷注入，在初始形成的裂縫尖端處發(fā)生起裂-擴(kuò)展，這種過程將隨著高壓液體的持續(xù)注入而不斷發(fā)生，直至注入的高壓液體的流動(dòng)速度等于煤體的滲透速度時(shí)，裂紋將不會(huì)在擴(kuò)展延伸，此時(shí)煤體裂隙的壓裂范圍已達(dá)到此高壓液體流量下的最大范圍值，水力壓裂力學(xué)原理過程見圖1。

圖1 水力壓裂力學(xué)變化過程

針對(duì)圖1，水力壓裂機(jī)理及力學(xué)過程可具體細(xì)化為以下3個(gè)階段：

1）煤體壓密階段。在注入鉆孔的高壓液體壓力小于煤體破裂壓力前，鉆孔孔壁煤層在液態(tài)壓力作用下發(fā)生屈服和變形，隨著液體壓力的持續(xù)增大，孔壁煤層逐漸被進(jìn)一步壓密，鉆孔孔徑擴(kuò)大，所以此階段又被成為鉆孔擴(kuò)孔階段。

2）裂隙產(chǎn)生階段?？妆诿后w在持續(xù)壓力作用下達(dá)到屈服極限后，進(jìn)入硬化階段，隨著液體壓力進(jìn)一步增大，達(dá)到了煤體破裂壓力值時(shí)，煤體發(fā)生失穩(wěn)破壞，孔壁產(chǎn)生初始裂隙，這一階段是煤體被水流壓密而產(chǎn)生的作用結(jié)果，是下一階段裂隙發(fā)育擴(kuò)展的必要條件。

3）裂隙擴(kuò)展階段。在液體壓力作用下產(chǎn)生初始裂隙后，鉆孔空間整體表面積增大，導(dǎo)致液體壓力下降，所以需繼續(xù)增大注水量，增大液體壓力，使其大于煤體裂隙尖端的拉應(yīng)力，使裂隙得到進(jìn)一步的擴(kuò)展延伸，直至煤體滲透速度達(dá)到注入液體流動(dòng)速度時(shí)，裂隙將停止擴(kuò)展，壓裂過程結(jié)束。

2.2 煤體破裂壓計(jì)算

在《巖體力學(xué)》中對(duì)于煤巖體臨界破裂的壓力分析認(rèn)為，破裂壓力等于煤巖體抗拉強(qiáng)度加上此時(shí)在孔壁處形成的應(yīng)力集中強(qiáng)度，即：

式中：Tht為煤巖體抗拉強(qiáng)度，MPa；Pb為煤巖體臨界破裂值，MPa；σmin為最小主應(yīng)力，MPa；σmax為最大主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤巖體的物性測(cè)試以及地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，代入式中可得3#煤體破裂壓力為14.5MPa。

另外，根據(jù)王坡煤業(yè)相鄰礦井的地應(yīng)力及注壓井測(cè)試結(jié)果，可知煤巖體破裂壓力梯度為1.50～2.10MPa/hm左右，王坡煤業(yè)3#煤平均埋深為700m，計(jì)算可知其煤體破裂壓力范圍為10.5～14.70MPa左右。

3 水力壓裂施工

3.1 壓裂鉆孔布置

選擇王坡煤業(yè)3301進(jìn)風(fēng)底抽巷為本次施工巷道，施工鉆孔距工作面開切眼72m處，向未掘區(qū)域施工，如圖2所示，主孔與水平呈35°夾角進(jìn)行鉆進(jìn)，1個(gè)主孔連帶3個(gè)分支孔，主孔共鉆進(jìn)距離為660m，其中煤層內(nèi)鉆孔長(zhǎng)度為221m，1-1分支孔深度為72m，1-2分孔深度為85m，1-3分支孔深度為93m。

圖2 鉆孔布置示意圖

壓裂設(shè)備主要由壓力泵、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、連孔管路系統(tǒng)以及鉆孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，其中連孔管路系統(tǒng)由孔內(nèi)封堵壓裂管和連孔管路組成。鉆孔的快速封孔以及注水壓裂主要由孔內(nèi)封堵壓裂管完成，其中包括單流閥、擴(kuò)張式封隔器、引鞋、壓裂油管以及壓差滑套等，具體如圖3所示。

圖3 鉆孔內(nèi)部壓裂設(shè)備示意圖

3.2 壓裂施工

水力壓裂一般優(yōu)選清水作為壓裂液，這樣不會(huì)對(duì)煤層造成污染，影響接下來的施工。在封隔器封好鉆孔后，開始啟動(dòng)壓力泵進(jìn)行注水壓裂，不斷提高注水流量及壓力，當(dāng)壓力達(dá)到15.4MPa時(shí)，壓差滑套開啟，開始進(jìn)行壓裂。本次水力壓裂共進(jìn)行了74h，注水量共達(dá)到2260m2，整個(gè)過程中未出現(xiàn)鉆孔孔口滲水的現(xiàn)象發(fā)生。

通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及孔內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可得到在壓裂施工過程中水壓及水流量隨壓裂時(shí)間的變化曲線，如圖4所示為壓裂水壓隨壓裂時(shí)間的變化曲線。由圖可以看出，在滑套打開后不久，煤孔壁開始起裂，起裂壓力為14.6MPa，與理論計(jì)算結(jié)果基本相同，緊接著在增大注水量后孔壁開始出現(xiàn)明顯破裂，在經(jīng)過不規(guī)則跳動(dòng)后，孔壁出現(xiàn)第二次明顯破裂，在此之后，隨著壓裂時(shí)間的進(jìn)行，水壓基本呈現(xiàn)周期性鋸齒狀變化，其中最大降壓值達(dá)到5.2MPa，最大水壓達(dá)到24.5MPa，這個(gè)區(qū)間是煤層裂紋主要延伸擴(kuò)展的時(shí)間段，最后經(jīng)過兩次明顯破裂后，煤層滲透性達(dá)到了一定程度，壓裂過程結(jié)束。

圖4 壓裂過程中水壓變化曲線

在壓裂施工完后，為避免泄壓過快造成壓裂段鉆孔出現(xiàn)堵孔、塌孔等問題，在施工完后，采取保壓操作，讓孔內(nèi)壓力自然調(diào)節(jié)到平衡，使壓裂段煤層內(nèi)部應(yīng)力重新分布。在保壓結(jié)束后，通過控制閥對(duì)排水速率進(jìn)行有效控制，避免排水過快造成鉆孔塌孔現(xiàn)象，另外為保證抽采效果，本次壓裂抽采期間采取保留管柱，以保證抽采孔的抽采順暢，在完成抽采后，解除封隔器，收回壓裂設(shè)備。

4 水力壓裂效果分析

4.1 物理參數(shù)考察

煤層物理參數(shù)是考察壓裂效果好壞的直接憑證，物理參數(shù)包括，透氣性系數(shù)、全水分、衰減系數(shù)等。在壓裂鉆孔軸向及徑向不同位置處共布置20個(gè)考察鉆孔，對(duì)煤層物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得出壓裂后的煤層透氣性系數(shù)為0.545～0.887 m2/（MPa2·d），透氣性相對(duì)壓裂前煤層增加了4.88倍；壓裂后的衰減系數(shù)變?yōu)?.048～0.059，相對(duì)壓裂前降低為7.1倍，效果明顯；通過全水分系數(shù)系數(shù)分析了壓裂影響范圍，壓裂前煤層全水平均為1.71%，在壓裂后煤層全水分平均為4.31%，以此確定了鉆孔壓裂影響范圍為：軸向方向平均為110m，徑向方向?yàn)?20m。

4.2 瓦斯抽采效果

在鉆孔排水完后，開始連接抽放管路進(jìn)行瓦斯抽采，抽采過程中對(duì)單孔瓦斯抽采濃度，瓦斯抽采純量以及百米鉆孔抽采量進(jìn)行記錄，并對(duì)壓裂區(qū)域與未壓裂區(qū)域抽采鉆孔情況進(jìn)行對(duì)比。如圖5為單孔瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化曲線，可以看出在30d測(cè)試范圍內(nèi)，未壓裂煤層區(qū)域（原始煤層）瓦斯平均抽采濃度為15.73%，壓裂后平均為45.04%，對(duì)比增加了2.8倍；測(cè)試得出未壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯抽采量為2.84～5.80m3/d，平均為4.73 m3/d，壓裂區(qū)域鉆孔瓦斯抽采量為7.08～134.03 m3/d，平均為60.06 m3/d，對(duì)比增加了12.70倍；未壓裂區(qū)域百米鉆孔瓦斯抽采量為0.002～0.004m3/（min·hm），平均為0.003m3/（min·hm），壓裂區(qū)域百米鉆孔瓦斯抽采量為0.002～0.017 m3/（min·hm），平均為0.007 m3/（min·hm），對(duì)比增加了2.67倍。通過分析可以看出，煤層壓裂后增透效果顯著，鉆孔瓦斯抽采效果得到明顯提升。

圖5 單孔瓦斯抽采濃度對(duì)比圖

5 結(jié)論

1）對(duì)水力壓裂原理及力學(xué)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其過程主要分為：煤體壓密階段、煤體裂隙產(chǎn)生階段、裂隙擴(kuò)展階段，并通過理論計(jì)算得出煤體的破裂壓力為14.5MPa。

2）通過鉆孔監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)壓裂過程中水壓變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得出起裂壓力為14.6MPa，與理論計(jì)算結(jié)果基本相同，水壓最大值達(dá)到24.5MPa，水壓最大降壓值為5.2MPa。

3）對(duì)比未壓裂區(qū)，通過監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)，對(duì)水力壓裂效果進(jìn)行了分析，通過對(duì)煤層相關(guān)物理參數(shù)考察，鉆孔瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量以及百米鉆孔瓦斯抽采量的對(duì)比，可以看出水力壓裂對(duì)松軟破碎煤層的增透效果顯著，鉆孔瓦斯抽采效果得到明顯提升。