循環往復式水力壓裂技術在順煤層瓦斯治理中的應用

鄧敢博

(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)

相關統計數據[1-2]表明，在我國的能源格局中占據著主要地位的煤炭資源，2030年在能源消費比重中仍可占據50%以上，可以說明的是，煤炭關乎著我國能源安全穩定。目前我國煤炭絕大多數還是采取井工開采的方式，煤炭復雜的賦存方式以及其開采深度的不斷加大，致使開采過程中的災害變得愈加強烈。其中，在開采中常見的一種動力災害為煤與瓦斯突出，發生機理復雜及受到多種因素所影響，讓其變得難以控制，有效的預防是保證煤礦安全生產的必備條件[3-4]。對于工作面來說，瓦斯預抽達標是保證煤能夠進行順利回采的前提條件之一。對于一些低透氣性的深部煤層來說，常規鉆孔預抽的方式不僅耗費人力、物力，而且抽采效率低下。針對此種情況，絕大多數煤體需要采用人工增透的方式來提高瓦斯的抽采效率，較為常用提高滲透率的方式有水力壓裂、水力割縫、水力沖孔及深孔爆破等[5-7]。其中，水力壓裂以其能夠在煤層形成大范圍的卸壓區域、操作效率高，近些年來形成的水力壓裂成套的技術及裝備，顯著地提升了區域煤層瓦斯的預抽效果。

隨著煤層開采深度的不斷加大，地應力也隨之而升高，進行常規的水力壓裂存在著壓力高負荷、注水難等問題，在壓裂效率低下、煤層增透效果不理想的同時，設備還留著巨大的安全隱患。針對此種情況，經過科技工作者的不斷研究[8-10]，體積(縫網)壓裂、脈動水力壓裂、同步壓裂等較為前沿的壓裂技術先后應用于煤層增透之中，但由于操作復雜及所需壓裂設備過大等緣故，限制了這些技術的大面積推廣。對于地應力較高的煤層，急需采取有效且工藝簡單的水力壓裂工藝提高煤層的滲透率。

紅陽三礦西三下部采區705工作面為具備突出危險性的低透氣性煤層，由于其屬于深部煤層，地應力大，在該煤層工作面區域預抽瓦斯防突措施先后采用常規水力壓裂、水力割縫等增透措施，但瓦斯抽采效果并不理想。之后改變壓裂工藝，工作面回采之前采用循環往復式水力壓裂后，取得了較好的煤層卸壓增透效果，瓦斯抽采效率大幅度提高，對于水力壓裂卸壓瓦斯抽采區域防突技術以及在相似條件下的瓦斯災害防治，具有一定的指導及參考意義。

1 循環往復式水力壓裂技術原理

大多數材料都有疲勞這一動力性能，這些材料在交變、循環以及重復載荷的作用下，一般都會出現疲勞損傷效應。根據相關研究[11]，當載荷循環作用于煤體時，其發生疲勞損傷的變形規律以及強度與單一靜態載荷的作用明顯不同。當經過壓裂泵組加壓的水注入到煤層之中[12]，更多的是借助高壓水在煤體弱面進行支撐、破碎，使得弱面產生伸開、擴展以及延長，從而使得各條裂隙得以相通。從微觀上來說，往復式水力壓裂作用在煤體時，在裂隙面發生周期性的張壓應力，在此種交變應力下發生疲勞破壞，循環往復式壓裂比恒壓負荷作用下發生破壞所需要的最大應力值低，對于煤層來說，其為非均質體，包含著各類的缺陷和天然裂隙，因而若要在煤層中形成縫網，重點在于先在較大的形成主裂縫擴展延伸，使得首次產生的裂隙或者煤儲層缺陷能夠張開，最后形成裂縫網狀結構。縫網壓裂得以進行的力學原理是分支裂縫在裂隙的擴展上形成的[13-14]，作用原理如圖1所示。

圖1 煤層往復式水力壓裂裂縫網絡結構形成示意Fig.1 Fracture network structure formation diagram of reciprocating hydraulic fracturing of coal seam

循環往復式水力壓裂煤體過程具體可分為3個階段：①高壓水滲入煤體的裂隙及孔隙之中，沖刷煤巖，使得高壓水在煤體中布滿裂隙和孔隙，直到水幾乎不能再進入到該孔為止，將孔口閥門緊緊關死；②將高壓膠管移至下一個壓裂孔，與第1個孔同樣注水，以此類推，將所有的壓裂孔完成第1次注水；③對第1個孔再一次注水，依次往后每一個壓裂孔，將所有的壓裂孔注水次數達到4～5次。利用往復式水力壓裂不僅可以使得煤體能夠充分吸收水分，解吸出更多的吸附態瓦斯氣體，同時在進行壓裂時可以使得煤體發生疲勞損傷來進一步溝通裂隙，提升瓦斯的滲流速率。

2 工程概況

2.1 基本情況

紅陽三礦是沈煤集團主要生產礦井之一[15]，煤與瓦斯突出事故頻發，自1972年建井發生第一次突出事故以來，至今共出現煤與瓦斯突出136次，突出強度平均達166 t/次。705運輸巷煤層為突出危險性煤層，通過現場的壓力測定、實驗室工業分析測試及已有地質資料，瓦斯壓力最高達到2.5 MPa、瓦斯含量為7.48～12.24 m3/t、煤的堅固性系數f值為0.23、瓦斯放散初速度ΔP為31，破壞類型為Ⅲ—Ⅳ類。工作面回采采用順層鉆孔密集鉆孔預抽瓦斯的方式，但是由于煤層透氣性低，衰減系數相對較高，瓦斯抽采效果極為有限，預抽達標時間過長，同時由于煤層埋深大(950 m)，采用普通鉆孔的方式難以消除高地應力的危害。在該區域(703回風巷)之前進行水力壓裂試驗，由于煤層高地應力的影響，壓裂后瓦斯抽采效果不佳，且在壓裂過程中，高壓水難以被煤層所“消化”，壓力曾一度高達60 MPa，而單孔最大注水量僅為30 m3，未達到設計要求，泵體持續地高負荷運轉，存在著極大的安全隱患，且孔口存在部分漏水現象。

2.2 壓裂鉆孔管道布置連接

水力壓裂參數鉆孔布置如圖2所示。首先施工4個壓裂鉆孔，鉆孔間距40 m，孔深80 m；鉆孔在施工過程中測定其瓦斯含量，待壓裂孔和考察孔施工完畢后開始壓裂，考察孔在壓裂過程中需接入到抽采管路，同時安裝上自動防水排渣設備；壓裂過程中觀測考察孔瓦斯濃度變化、流量變化、煤壁及孔口是否有壓裂水流出等。水力壓裂設備主要由壓裂泵組、高壓膠管、壓裂鋼管、高壓閥門等裝置構成，設備系統如圖3所示。設計壓裂半徑15 m，經計算，每個鉆孔注水量保持在60～70 m3。壓裂供水要求水質潔凈，過濾掉直徑2 mm及以上雜質，水壓≥2 MPa，水流量20 m3/h。

圖2 水力壓裂參數鉆孔布置Fig.2 Drilling layout of hydraulic fracturing parameters

圖3 壓裂系統Fig.3 Fracturing system

2.3 封孔工藝

此次順層鉆孔壓裂采取煤礦井下水力壓裂專用封隔器(MKY70型封隔器)封孔，設計封孔深度為30～40 m，該封孔器具有封孔簡便可靠、成本低和可重復使用的特點，適用于任意角度的穿層孔及順層孔壓裂。上、下接頭，中間管和膠筒等零件構成了MKY70型封隔器。壓裂時，壓裂液經過壓裂管由上接頭進入封隔器的中間管，此時，具有一定壓力的壓裂液經中間管的進液槽進到膠筒的內腔，使膠筒脹大，起到封孔作用。中間管的壓裂液卸壓后，膠筒收縮成原先模樣，并收回解除封孔。座封裝置與封隔器的下接頭連接，其作用是當壓裂液進入到封隔器后，使封隔器內形成壓差，保證壓裂液能經封隔器中心管的進液槽進入膠筒與中間管的環形腔內。當壓裂管內部的壓力達到一定程度后，座封裝置能夠自動打開，壓裂液經座封裝置流入篩管，開始壓裂[16-18]。封孔器實物如圖4所示，順層鉆孔壓裂封孔如圖5所示。

圖4 封隔器實物Fig.4 Physical picture of packer

圖5 順層鉆孔壓裂封孔示意Fig.5 Schematic diagram of drilling fracturing and sealing hole along layer

2.4 水力壓裂試驗過程

利用封隔器封孔完畢后，開始對壓裂孔進行壓裂，對1—4號壓裂孔按照順序進行往復循環壓裂，判定的標準是當進水量小于等于3 m3/h，移到下一個孔進行壓裂，之后全部孔壓裂一次后，進行新一輪的壓裂。如此進行多次壓裂，使得高壓水盡可能地滲入煤層之中。壓裂的相關情況見表1、表2。

表1 壓裂情況統計(1號壓裂孔)Tab.1 Statistical of fracturing(No.1 fracturing hole)

表2 各孔壓裂相關參數Tab.2 Fracturing parameters of each hole

3 壓裂效果考察

3.1 水力壓裂影響范圍

觀察考察孔施工過程中出水情況。水力壓裂實施后，每隔10 m進行考察鉆孔施工，測得壓裂前該區域平均含水率為1.265%。壓裂過后抽采孔在鉆進過程中，再考察其出水情況，即可在一定程度上來判斷水力壓裂過程中水—氣動界面是否移到該區域。經過水力壓裂后，距壓裂孔20 m范圍內煤層瓦斯含量為1.09～7.36 m3/t，平均值2.69 m3/t，相較于壓裂前8.675 m3/t降低了69%；705運輸巷煤層含水率為1.93%～8.74%，平均值3.70%，相較于壓裂前1.265%提高了1.9倍。

3.2 水力壓裂鉆孔透氣性變化

在預抽煤層瓦斯過程中，用來判斷瓦斯預抽難易程度最具表現性的參數是煤層的透氣性。經過測定及相關公式的計算，705工作面未壓裂、常規壓裂及循環往復式水力壓裂透氣性計算結果見表3。

表3 705工作面壓裂前后透氣性系數分析Tab.3 Analysis of permeability coefficient before and after fracturing on 705 working face

從表3可以看出，煤層經過常規壓裂、循環往復式壓裂之后，透氣性系數分別為未增透區域的3.49倍、9.17倍。

3.3 瓦斯抽采有效半徑

煤層瓦斯抽采有效半徑，指的是在同等抽采時間下，將目標預抽煤層瓦斯含量降低到抽采達標的范圍以內，根據《防治煤與瓦斯突出細則》，瓦斯在煤層含量需降低到8 m3/t以下，且瓦斯壓力降低到0.74 MPa以下。通過現場考察可知，在同等抽采60 d時間下，循環往復式壓裂平均有效抽采半徑達到了3.5 m，而采取的常規壓裂平均為1.5 m，未采取增透措施區域為1.0 m，這說明該煤層采取循環往復式水力壓裂措施充分降低了預抽瓦斯鉆孔的施工量。不同條件下日抽瓦斯量擬合曲線如圖6所示。

圖6 不同條件下抽采鉆孔日抽采瓦斯量擬合曲線Fig.6 Fitting curve of daily gas extraction volume in different conditions

從圖6可以看出，煤層預抽瓦斯治理中，工作面區域的衰減系數：循環往復式壓裂<常規壓裂<未壓裂。

4 水力壓裂瓦斯卸壓抽采效果分析

之后在壓裂區域進行抽采孔鉆孔施工，進行單孔平均瓦斯抽采濃度和單孔瓦斯抽采純量考察，并與工作面之前常規水力壓裂、未壓裂區域30 d內瓦斯抽采數據作對比分析(圖7、圖8)。

從圖7、圖8可知，30 d內循環往復式水力壓裂區域單孔瓦斯抽采純量為0.044 7 m3/min，常規水力壓裂區域為0.013 3 m3/min，未壓裂區域為0.004 7 m3/min，循環往復式水力壓裂單孔瓦斯預抽煤層瓦斯純量是常規壓裂、未壓裂區域的3.36倍及9.51倍；循環往復式水力壓裂區域單孔瓦斯抽采濃度為64.74%，常規水力壓裂為31.00%，未壓裂區域為10.70%，循環往復式水力壓裂區域單孔瓦斯抽采濃度分別是常規水力壓裂、未壓裂區域的2.10倍及6.05倍。通過這些抽采數據，說明水力壓裂技術提高了瓦斯抽采濃度和純量，但是采用循環往復式水力壓裂的方法來對煤層進行增透，可以取得更佳的瓦斯抽采效果。

圖7 煤層區域單孔抽采純量對比曲線Fig.7 Comparison curve of single hole extraction purity in coal seam area

圖8 煤層區域抽采濃度對比曲線Fig.8 Comparison curve of extraction concentration in coal seam region

接連抽采瓦斯246 d、200 m范圍內循環往復式水力壓裂區域煤層瓦斯抽采純量828 361 m3，常規水力壓裂區域為634 321 m3，未壓裂區域為455 832 m3，分別為其1.82倍、1.30倍(圖9)。

圖9 瓦斯抽采總量對比Fig.9 Comparison diagram of gas extraction amount

瓦斯抽采鉆孔數量未壓裂區域為1 487個，常規壓裂區域為456個，循環往復式壓裂區域為164個(圖10)，說明采用循環往復式水力壓裂技術不僅可以降低煤層瓦斯治理施工成本，而且瓦斯抽采效率也得到了大幅度提升。

圖10 抽采鉆孔數量對比Fig.10 Comparison of the number of pumping holes

5 結論

通過對煤層循環往復式水力壓裂原理分析及在順煤層瓦斯現場工程試驗，得出以下結論。

(1)相對于常規水力壓裂的裂縫擴展原理，循環往復式水力壓裂主要是通過使煤體發生疲勞損傷，在降低地應力的同時，使煤體周邊形成網狀結構來提高其滲透率。

(2)將循環往復式水力壓裂應用于紅陽三礦705工作面，相較于常規水力壓裂，循環往復式壓裂不僅增加了單孔進水量，而且壓裂在影響范圍、煤層透氣性及抽采有效半徑均有著大幅度提升。

(3)運用循環往復式水力壓裂技術，瓦斯抽采效果上的單孔平均瓦斯抽采濃度及純量提高效果明顯，而且不僅減少接抽時的鉆孔數量，同時在抽采總量上高于常規水力壓裂，顯著地提升了瓦斯抽采效率，有效地降低了鉆孔施工成本。