水力壓裂增透技術在南桐煤礦的應用研究

2021-01-06 06:32:46任梅青

煤礦現代化 2021年1期

任梅青，吳斌

（重慶能投渝新能源公司,重慶400060）

0 引言

煤礦井下水力增透技術作為破解低滲透性、難抽采煤層的關鍵技術，在國內多個大型礦區得到推廣應用，尤其是在西南構造復雜區礦的高瓦斯突出礦井得到了廣泛的應用，有效遏制了煤與瓦斯突出事故的發生。目前，煤礦井下水力增透的方式主要有水力擠出[1]、水力壓裂[2-3]、深孔高壓注水[4]、水力割縫[5-6]、水力沖孔[7-8]和水力掏槽[9]等。自2010 年開始，重慶能源投資集團所屬礦井積極開展煤礦井下水力壓力增透技術研究和應用，通過近10 年探索，該技術已成為預抽煤層瓦斯的強制性前提條件。

南桐煤礦隸屬于重慶能源投資集團渝新能源有限公司，屬煤與瓦斯突出礦井，其可采煤層自上而下有K3（4#）、K2（5#）、K1（6#）三層，K2作為保護層開采。在采用水力壓裂增透技術之前，礦井主要是采取密集穿層鉆孔輔以本層鉆孔的方式進行消突，但是因其透氣性系數只有2×10-3m2/（MPa2·d），鉆孔抽采時間短，預抽效果差，消突效果不理想。本文以礦井北翼-325m7511 保護層工作面水力壓裂增透措施為例，詳細闡述水力壓裂增透技術的基本原理及工程實踐，為突出煤層的瓦斯治理提供參考。

1 水力壓裂增透技術原理

水力壓裂是指以恒定或逐漸增加的排量由鉆孔向煤層注水，形成一組沿最大主應力方向延伸、最小主應力方向張開的徑向張性裂縫，提高煤層的透氣性。

1.1 裂縫起裂

水力壓裂時，鉆孔內流體壓力增大，在孔壁周圍產生壓力場。根據巖石張性破裂準則可知，當孔壁煤體受到的拉應力能夠克服地應力和煤體的抗拉強度時，煤體產生張性破裂，進而在鉆孔附近形成初始裂縫。

設初始地應力場的有效應力分別為σx'，σy'和τ（見圖1），則鉆孔周圍的主應力可表示為：

圖1 裂縫起裂

圖2 裂縫擴展

1.2 裂縫擴展

當煤體產生張性破裂后，裂縫將沿著最大主應力方向擴展。斷裂力學理論認為裂縫在擴展過程中，受周圍煤體的斷裂韌性KIC的控制。根據能量條件，裂縫內的流體壓力在裂縫邊緣某一點上誘發的應力強度因子KI大于煤體的斷裂韌性KIC時，裂縫將向前擴展。假設裂縫內流體壓力各個方向相同，由圖2 可得裂縫端部的應力強度因子為：

式中：KI為煤巖體張性裂縫強度因子，MPa·m1/2；p (y) 為作用于裂縫面上的凈壓力，MPa；a 為裂縫的半長，m；y 為裂縫上任一點到壓裂孔中心的距離，m；

2 水力壓裂試驗與效果評價

2.1 試驗區概況

-325m 水平7511 工作面位于位于烏龜山背斜東翼，上部為6511 下段于2014 年9 月回采完畢，南鄰7509 上段于2011 年11 月回采完畢，北部和下部尚未布置采區。治理范圍為-325m 九石門以北275m，傾向117m 的K2煤層，圖3 所示，煤層傾角30°，平均煤厚1.0m，密度1.53t/m3，瓦斯原始含量18.7556m3/t。-325m 標高布置有底板茅口灰巖抽放巷和頂板矽質灰巖抽放巷。

2.2 壓裂試驗方案與設計

擬對-325m7511 工作面實施穿層鉆孔水力壓裂增透預抽K2煤層瓦斯，根據其他區域考察報告，本次壓裂孔間距按照55～60m 網格布置，共布置10 個穿層水力壓裂鉆孔，如圖3 所示。

1）破裂壓力設計。煤儲層裂縫破裂壓力是指開啟煤儲層裂縫的最小壓力，破裂壓力的確定依據公式：

式中：pf為破裂壓力，MPa；γi為上覆巖石平均容重；hi為巖石厚度；p2為巖石的抗拉強度，MPa，取2MPa；p3為管道摩阻，MPa。

-325m7511 工作面埋深為700m，上覆巖石平均容重為26kN·m-3，管道摩阻一般不大于1.0MPa。由計算可知，K2煤層破裂壓力值為21.2MPa。

圖3 -325m7511 工作面壓裂鉆孔布置示意圖

2）壓入水量計算。在不考慮水力壓裂過程中濾失的條件下，根據水壓裂縫的空間形態，水壓裂縫擴張延伸與所注水的體積存在對應關系，可以通過壓裂注水量來控制水壓裂縫的擴展長度。壓入水量的確定依據公式：

式中：v體為注水影響體體積，m3；k 為影響體孔隙率，%；a 為影響體長度，m；b 為影響體寬度，m；h2影響體高度，m。

本次鉆孔間距按照55-60m 布置，K2煤層孔隙率為3%，影響長度和寬度為120m（考慮影響到鄰孔），影響高度為1.0m，由計算可知，K2煤層單孔壓入水量為432m3。

2.3 壓裂鉆孔施工與封孔

1）壓裂孔施工情況。本次按照設計，共施工穿層壓裂鉆孔10 個，2015 年11 月24 日～12 月25 日施工完畢，合計進尺545.6m。在鉆孔透煤過程中，1#、2#孔有噴孔現象，噴距1.5m 和0.8m。

2）封孔裝備及材料。壓裂鉆孔采用BFK-10/2.4煤礦用封孔機進行機械堵孔，注漿比例為：BY12-1型高性能無收縮注漿料∶水為4∶1。封孔裝備及材料可以保證壓裂鉆孔的嚴密封堵，壓裂施工過程中沒有漏水現象。

3）預埋壓裂管。預埋在孔內的壓裂管長度根據孔深確定，煤孔段預埋壓裂篩管，選用Φ51 mm×7.5 mm-75 MPa，長度1～2 m 無縫鋼管加工而成，篩眼四排，直徑Φ12 mm，眼距不大于10 cm；巖孔段預埋Φ51 mm×7.5 mm-75 MPa，長度1～2 m 孔內壓裂管，其中鉆孔靠近孔口端采用Φ51 mm×7.5 mm-75 MPa/2.0 m 孔口壓裂管連接尾管，連接尾管外露孔口不大于0.5 m。

4）注漿管及封孔。本次的壓裂孔均為仰孔，∮6 cm PVC 返漿管隨孔內壓裂管一同送入孔內，返漿管前端孔口在篩管以下0.6 m 處。Φ6 cm PVC 注漿管在孔口內以上2～3 m 處，孔口0.5～0.8 m 段用棉紗蘸上科力森填滿，凝固5～10 min。封孔時，必須待注漿料由返漿管流出，才能停止注漿。

2.4 水力壓裂施工

1）壓裂裝備選型。根據地層條件、破裂壓力和單孔壓入水量的計算，選用一臺寶雞航天動力泵業有限公司BYW80/450 型高壓水力壓裂泵組進行壓裂，當3 檔運行時，壓力為38.0MPa，壓入流速為34m3/h，能夠滿足施工要求。

2）壓裂施工開始時間及順序。壓裂時間為2016年1 月26 日至3 月8 日，壓裂順序為2#→4#→6#→8#→10#→1#→3#→5#→7#→9#，主泵壓力22.0～33.0MPa，考慮管道摩阻，孔內壓力21.0～32.0MPa。單孔壓裂時長為5.1～22.5 小時，鄰孔出水后停止壓裂，單孔累計壓入水量為350～517m3，平均400m3左右。

2.5 壓裂后增透效果考察

每個鉆孔壓裂結束后，遠程操控打開孔口閘閥，使其排出水煤漿或清水。壓裂結束后3～4 天，及時接抽、保證抽采負壓，每個孔口設自動放水器和孔板流量計。按照殘余瓦斯含量必須低于8m3/t 的達標評判要求，該治理區域需抽取529477m3（表1）。該區域從2016 年2 月20 日開始接抽，至2017 年7 月4 日，-325m7511 工作面抽采500 天，合計抽取瓦斯533844m3，達到達標要求。

根據圖4 所示，單孔平均抽采濃度為72%、平均抽采純量為106.8m3/d。傳統工藝治理瓦斯的鉆孔平均每天每米抽采貢獻量約為0.04m3/m.d-1，該區域壓裂后鉆孔平均每天每米抽采貢獻量為1.96m3/m.d-1，是傳統工藝的49 倍，壓裂增透效果明顯。走向長度同樣的情況下，與1000 個左右的普通穿層預抽鉆孔瓦斯抽采效果相當，鉆孔工程量小大幅度降低。

抽采達標后，該區域又布置了部分穿層抽采孔和本層抽采孔，但抽采濃度低、抽采量很小，忽略不計。該工作面僅在機巷掘進時出現過一次防突指標超標，目前，已經安全回采結束。