低透煤層井下重復水力壓裂后含水率與瓦斯含量變化規律研究

孫 朋

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國礦井開采深度的不斷增加，大多數礦井煤層面臨的低透氣性、高瓦斯、高地溫、高地應力的形勢也日益嚴峻，將嚴重影響煤層瓦斯的抽采和礦井安全高效的生產。其中煤層透氣性是最關鍵的制約因素，如在我國中95%以上的煤與瓦斯突出和高瓦斯礦井煤層透氣性系數僅為10-6～10-7μm2，即為0.04～0.004 m2/(MPa2·d)，遠小于判定較難抽放煤層的臨界值0.1 m2/(MPa2·d)，因此解決瓦斯抽采困難的關鍵是如何提高煤層的增透性[1-4]。

目前低透煤層應用的主要增透方式是水力沖孔[5]、水力割縫[6]、水力掏槽[7]、深孔控制預裂爆破[8]等，但由于這些技術存在著有效影響范圍小、工作量大、施工工藝復雜、抽采效果差等問題，難以在我國得到大幅度大范圍的應用。水力壓裂技術最早作為油氣井增產的主要措施，近些年被引進煤礦井下條帶掘進、石門揭煤等工程實踐中，并取得了良好的效果[9-10]。但在基礎理論、裝備水平、工藝參數、效果考察等方面暴露出了眾多不足，尚沒有形成基于煤層物理力學性質、瓦斯賦存特征、地應力場、構造裂隙場、氣—固耦合場等特點的煤礦成套水力壓裂理論和技術體系[11-12]。

由此許多學者從裂縫擴展規律、增透效果方面開展了水力壓裂增透試驗并獲得了大量成果，但截至目前在工藝參數優化方面的研究成果少見報道。特別是注水量作為水力壓裂工藝重要控制參數，注水量的多少更是影響壓裂效果的重要指標，目前如何準確確定注水量，已嚴重影響水力壓裂技術在煤炭行業的發展。因此，本文以探討井下水力壓裂低透煤層后含水率與瓦斯含量的變化規律為出發點，開展井下底板巷上行鉆孔重復注水壓裂試驗，分析重復注水壓裂后己15煤層含水率、瓦斯含量及其變化規律，并初步確定水力壓裂區域有效注水量的臨界值，為低透煤層水力壓裂泵注量的計算、壓裂后煤巷安全高效的掘進與抽采鉆孔的優化提供參考。

1 煤層水力壓裂瓦斯運移機理

煤層水力壓裂增透技術是以不可壓縮的高壓水為動力，克服目標煤層的自然漏失、瓦斯壓力和圍巖應力，向目標煤層中注入大量的高壓水，在其“水楔”作用下迫使目標煤層連通原生裂隙并起裂—擴展—延伸新裂隙，如此發展下去，使得煤體內部布滿以壓裂鉆孔為中心的裂隙空間，形成瓦斯解吸—擴散—滲流的運移通道，從而達到增大煤層透氣性的目的[13-15]。

壓裂過程中的裂隙空間主要是原始煤體自身的原生裂隙和以壓裂孔為中心形成的次級裂隙圈。高壓水在煤體中的流動是按照先易后難順序進行的，首先進入次級裂隙圈，其次連通原生裂隙進入次級裂隙，最后進入微縫網絡。微縫網中壓裂水會先與孔隙中的游離瓦斯接觸，再向裂隙兩側滲透，在孔隙水和瓦斯的壓力差作用下產生的壓力梯度，會使游離瓦斯從孔隙高壓力區流向孔隙低壓力區，這時部分水分會替換離開的游離瓦斯，整個過程稱之為驅替效應。因此，整個壓裂過程會導致壓裂鉆孔有效影響范圍內的瓦斯重新分布，高壓水、吸附瓦斯和游離瓦斯將重新處于一個新的平衡狀態，直到外界因素打破這個狀態為止。當對壓入煤體中的高壓水排出后，這時解吸瓦斯和游離瓦斯將從壓裂過程中形成的微縫網中運移出。

但是，如果向目標煤層注入的水量遠超過裂隙起裂—擴展—延伸所需要的水量，并在裂隙前端起裂受阻的條件下，就會使得大量的壓裂水短時間內聚集在裂隙中，導致裂隙面壁上的水壓力大于地應力，將會逐漸擠壓—強化裂隙兩側的煤體，此裂隙也會得到拓寬，但在一定程度后壓裂水將會在此裂隙周圍的弱點重新起裂—擴展—延伸，形成次級裂隙。當被強化的部分煤體與原生高強度煤體構成一個相對密閉的區域時，該區域內的部分瓦斯和高壓水都將被限制其中；而周圍沒有被強化的煤體會使微縫網得到充分發育，驅替效應的作用效果也會更為明顯。因此，在向低透煤層注入過量高壓水后，煤體局部區域會出現不同瓦斯含量和含水率的異常情況。

2 試驗工作面概況

本次試驗礦井為平頂山天安煤業股份有限公司十二礦，簡稱“平煤股份十二礦”，該礦位于平頂山礦區東部，所批準開采煤層主要為己組、庚組，而己組中所主采的己15和己16-17煤層均為突出煤層。該礦瓦斯動力災害較為嚴重，主要是因為主采煤層埋深大、瓦斯壓力大和煤層透氣性差，造成了礦井掘進難、鉆孔工程量大、抽采效率低、生產接替緊張等現狀。

試驗區域為己15-31040工作面煤巷條帶區域，施工地點為己15-31040進風巷低位瓦斯治理巷，試驗目標煤層為己15煤層。該工作面傾向長215 m，走向長725 m，煤厚平均3.3 m，可采儲量67萬t，煤層傾角平均10°。工作面標高在-638～-685 m，地面標高為+190 m左右，埋深828～877 m。工作面平均原始瓦斯壓力1.0 MPa、瓦斯含量8.675 m3/t，透氣性系數0.021 8 m2/(MPa2·d)。工作面頂板為砂質泥巖、砂巖，底板均為砂質泥巖，煤層整體賦存較好，構造簡單。

3 上行穿層鉆孔重復水力壓裂試驗

在底板巷內施工上行穿層壓裂鉆孔，采用“兩堵一注”的封孔工藝進行全巖段封孔，封孔材料為P.O42.5水泥和U型膨脹劑。壓裂鉆孔與目標煤層如圖1所示。

圖1 壓裂鉆孔與目標煤層示意Fig.1 Schematic diagram of relationship between hydraulic fracturing borehole and coal seam position

本次壓裂試驗泵體使用BYW450/70型煤礦井下壓裂泵組，以及可承壓70 MPa、φ51 mm的高壓膠管。根據試驗區域的地質條件，壓裂采用少量多次的注水方式。封孔完成待水泥漿凝固48 h后，并保證壓裂孔周圍200 m內及壓裂工作巷道下風側的所有工作人員撤離到安全范圍后，方可進行高壓水力壓裂。壓裂主要流程：①無關人員撤離且警戒人員準備到位后，連接管路開始5 MPa試壓，整個管路無異常即可；②開始第一次壓裂，到達規定的注水量后停止壓裂，保壓2～3 d；③與第一壓裂工序相同，依次重復壓裂直至完成總注水量即可。

壓裂工藝參數：泵注流量為150、250 L/min，在壓裂過程中兩流量交替使用，可節省現場壓裂時間和提高壓裂增透效果；重復壓裂復壓時間以單孔保壓壓力降至5 MPa以下，或保壓2～3 d為宜，單孔全部壓裂后的保壓時間為7～10 d；復壓前壓裂孔控制排水卸壓1 h，便于復壓裂縫轉向及減少壓裂空白帶。壓裂試驗數據見表1。

表1 壓裂數據Tab.1 Fracturing data of borehole

4 水力壓裂效果考察

以1號壓裂孔為中心，采用“十”字形的布孔方式，沿煤層走向方向孔間距為5 m設計了Z1—Z9共9個φ94 mm考察鉆孔，沿煤層傾向方向孔間距為8 m設計了Q1—Q9共9個φ94 mm考察鉆孔，考察鉆孔布置如圖2所示。

圖2 考察鉆孔的布置平面Fig.2 Layout plan of boreholes for fracturing effect investigation

保壓結束后再施工考察鉆孔，并依次取煤樣且實驗室測定己15煤層瓦斯含量和含水率，測定的數據見表2。

表2 重復注水壓裂后己15煤層的含水率和瓦斯含量Tab.2 Gas content and water content of Ji-15 coal seam after hydraulic fracturing

4.1 瓦斯含量的變化規律

根據表2中的數據，利用Origin軟件以1號壓裂孔為圓心，沿煤層走向里段、傾向巷道上幫為負半軸，沿煤層走向外端、傾向下幫為正半軸，分析考察壓裂后己15煤層瓦斯含量的變化情況(圖3)。

圖3 己15煤層走向和傾向瓦斯含量對比曲線Fig.3 Comparison curve of gas content change on Ji-15 coal seam

通過對表2和圖3分析發現，測得重復注水壓裂后己15煤層瓦斯含量為1.09～7.36 m3/t，平均為3.189 m3/t，較原始含量8.675 m3/t平均降低5.486 m3/t；沿煤層走向距壓裂孔28 m內測的己15煤層瓦斯含量為1.66～7.36 m3/t，平均為3.054 m3/t，較原始含量平均降低5.625 m3/t；沿煤層傾向距壓裂孔35 m內測的己15煤層瓦斯含量為1.09～4.28 m3/t，平均為2.322 m3/t，較原始含量平均降低6.353 m3/t；沿煤層傾向己15煤層的平均瓦斯含量2.322 m3/t，較沿煤層走向的平均瓦斯含量3.054 m3/t降低了0.732 m3/t。

在1號壓裂孔周圍35 m范圍內煤體的瓦斯含量較原始含量平均降低了63%，但沿煤層傾向的瓦斯含量降幅平均高于走向，沿煤層走向里段的瓦斯含量降幅平均高于外段，沿傾向方向巷道下幫的瓦斯含量降幅平均高于上幫。

4.2 含水率的變化規律

考察重復注水壓裂前后己15煤層含水率的變化情況，如圖4所示。

圖4 己15煤層走向和傾向含水率對比曲線Fig.4 Contrast curve of water content change on Ji-15 coal seam

由表2和圖4分析發現，測得水力壓裂后己15煤層含水率1.93～8.74%，平均為3.70 m3/t，較原始含水率1.26%平均提高2.44%；沿煤層走向距壓裂孔28 m內測的己15煤層含水率為1.93～8.74 m3/t，平均為3.92%，較原始含水率平均提高2.66%；沿煤層傾向距壓裂孔35 m內測的己15煤層含水率為2.36～5.79%，平均為3.45%，較原始含水率平均提高2.19%；沿煤層走向己15煤層的含水率3.92%，較沿煤層傾向的含水率3.45%平均提高了0.47%。在壓裂孔周圍35 m內煤體的含水率，整體較原始含水率提高了3倍左右，但沿煤層走向的含水率增幅平均高于傾向，沿煤層走向外段的含水率增幅平均高于里段，沿煤層傾向巷道上幫的含水率增幅平均高于下幫。與瓦斯含量的變化規律對比分析，發現兩者的變化情況截然相反，己15煤層含水率增加較大的區域瓦斯含量下降較小，而含水率增加較小的區域瓦斯含量下降較大。這主要是因為試驗注水量超過適合己15煤層微縫網發育所需的注水量，改變了煤體局部區域的瓦斯含量和含水率。

4.3 瓦斯含量與含水率之間的關系規律

考察重復注水壓裂后己15煤層瓦斯含量與含水率之間的關系規律如圖5所示。

圖5 己15煤層走向和傾向瓦斯含量與含水率對比曲線Fig.5 Comparison curve between gas content and water content on Ji-15 coal seam

從圖5中發現，己15煤層含水率低于3%的瓦斯含量曲線變化起伏較小；含水率高于3%的瓦斯含量曲線變化波動較大。據表2中的數據可知，含水率小于3%的區域己15煤層瓦斯含量為1.09～3.49 m3/t，平均2.13 m3/t；含水率大于3%的區域己15煤層瓦斯含量為1.49～6.99 m3/t，平均3.44 m3/t，較2.13 m3/t平均提高了62%。因此，當壓裂后己15煤層含水率低于3%時，該區域的瓦斯含量平均較低且較為均等；而當含水率高于3%后，該區域的瓦斯含量平均較高且忽高忽低，此時所涵蓋區域可以稱之為壓裂后的瓦斯異常區。

5 結論

(1)重復注水壓裂參數：注水次數5次，穩定注水壓力22～28 MPa，單次注水量8～32 m3，泵注流量為150、250 L/min，復壓時間為單孔保壓壓力降至5 MPa，保壓時間為7～10 d。

(2)壓裂后壓裂孔周圍35 m內己15煤層的瓦斯含量較原始含量平均降低了63%，而含水率較原始平均提高了3倍左右。

(3)壓裂后己15煤層含水率的變化規律與瓦斯含量相反，含水率增加較大的區域瓦斯含量下降較小，而含水率增加較小的區域瓦斯含量下降較大。

(4)當壓裂后己15煤層含水率低于3%時，該區域的瓦斯含量平均較低且較為穩定；而當含水率高于3%后，該區域的瓦斯含量平均較高且忽高忽低。此結果可用于判定水力壓裂低透煤層的瓦斯異常區域，可為低透煤層水力壓裂泵注量的計算、壓裂后煤巷安全高效的掘進與抽采鉆孔的優化提供參考。

(5)在預定水力壓裂有效影響半徑的前提下，水力壓裂有效注水量的最高值為該區域內煤體含水率的3%。