順層鉆孔水力壓裂增透效果試驗研究

張永松

(淮南礦業(集團)有限責任公司 顧橋煤礦，安徽 淮南232001)

1 礦井及試驗區概況

1613(1)工作面位于顧橋礦南三11-2 采區，為南三采區首采面。工作面可采長度1525m，面長240m，平均煤厚2.9m，工作面上限標高-600～-700m，煤層傾角1～4°，實測該區域最大原始瓦斯壓力0.58MPa，最大原始瓦斯含量5.5m3/t，煤層透氣性差，為了防止工作面在回采過程中出現瓦斯超限事故，進一步保證安全生產，對該面實施了瓦斯抽采措施。為提高煤層透氣性和工作面瓦斯治理效率，在1613(1)工作面軌道順槽施工6 個順層水力壓裂增透試驗孔，單孔最大注水量102.74m3，平均注水量70.8m3/孔，并對壓裂效果進行了考察。

2 試驗方案

2.1 鉆孔布置

1613(1)軌道順槽壓裂鉆孔及普通抽采鉆孔布置示意圖如圖1 所示。將1613（1）軌順分為壓裂區和未壓裂區來進行壓裂效果、壓裂半徑的考察，前200m 范圍內（壓裂區）壓裂孔間距50m，中間940m范圍（未壓裂區）鉆孔提前施工完畢，未進行壓裂，后400m 范圍（壓裂區）壓裂孔間距100m。

圖1 壓裂鉆孔及普通鉆孔布置平面布置圖

2.2 壓裂鉆孔封孔工藝

壓裂鉆孔孔深120m，采用“三堵兩注”囊袋封孔工藝，封孔深度為30m，封孔示意圖如2 所示。囊袋使用特效水泥，注漿壓力不低于2MPa，中間注漿段采用標號32.5 水泥，注漿壓力不低于6MPa。

2.3 壓裂參數

自2016 年6 月開始進行順層鉆孔水力壓裂工作，已累計完成注水鉆孔6 個。各單孔注水量、注水壓力見表1。

表1 壓裂鉆孔統計表

3 壓裂半徑考察情況

3.1 煤層含水率測試

11-2 煤原始含水率約為2.3%，通過壓裂后煤層含水率的變化情況來考察有效壓裂半徑，以2#壓裂孔為研究對象，在距離2#壓裂鉆孔每隔5m 共施工了6 個考察鉆孔，含水率測試情況見表2，按含水率4%為標準，確定壓裂有效半徑為25m。

表2 檢驗鉆孔含水率統計表

3.2 瞬變電磁法考察壓裂半徑

如圖3 所示，壓裂注水1#、2#鉆孔，其中1#孔注水22.2t，2#孔注水102.74t，根據瞬變電磁探測順層方向結果顯示：1#孔左側傾向方向10～65m 范圍有一相對低阻富水區，走向范圍左側0～18m 范圍、右側0～7m 范圍有一相對低阻富水區，2#孔左右兩側傾向方向10～80m 范圍有一相對低阻富水區，走向范圍左側0～30m 范圍、右側0～15m 范圍有一相對低阻富水區，沿鉆孔鉆進方向遠端未發現有明顯相對低阻富水區及導水通道。可見瞬變電磁結果與煤層含水率測定結果基本吻合，順層壓裂鉆孔傾向影響范圍為80m，走向有效半徑為25m。

圖3 壓裂鉆孔瞬變電磁探測圖

4 煤層透氣性系數考察情況

通過鉆孔徑向法來計算煤層透氣性系數，即壓裂鉆孔在水力壓裂前進行原始瓦斯壓力的測定，當壓力穩定于最高值后，拆除壓力表，開始自然排放瓦斯，并隔一定時間測定鉆孔內的瓦斯流量，而后計算煤層透氣性系數。然后采用同樣的方法測定壓裂后的煤層透氣性系數（表3）。通過考察1#、2#、6#壓裂孔在壓裂前、后的透氣性系數變化情況可知，采用水力壓裂增透技術后，煤層透氣性系數提高1 倍以上。

表3 透氣性系數測定結果

5 抽采效果考察情況

將壓裂區域和未壓裂區域鉆孔分開計量，如圖4 所示的2016 年8 月至10 月的抽采量變化趨勢可知，壓裂區域的瓦斯抽采效果顯著提高。

圖4 壓裂區域和未壓裂區域鉆孔抽采純量對比

未壓裂區域共計合茬抽采鉆孔144 個，單元平均濃度10%，抽采純量1.1m3/min，平均百孔抽采純量為0.76m3/min。壓裂區域共計合茬抽采鉆孔42 個，單元平均濃度25%，抽采純量0.53m3/min，平均百孔抽采純量為1.26m3/min，壓裂區域的百孔抽采純量提高了65.7%。

6 結論

6.1 煤層含水率測試結果表明水力壓裂走向有效半徑為25m，與瞬變電磁法測試結果一致。

6.2 與未壓裂區域相比，壓裂區域煤層透氣性系數從0.0545～1.4787 m2/(MPa2·d)，提高至0.1149～3.1829m2/(MPa2·d)，提高了1 倍以上；平均百孔抽采純量從0.76m3/min 提高至1.26 m3/min，提高了65.7%，抽采效率明顯提升。

6.3“三堵兩注”囊袋封孔工藝對于壓裂鉆孔封孔具有良好的封堵效果。