煤層群分層水力壓裂與多層綜合壓裂增透效果對比研究

馮仁俊

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.國家煤礦安全技術工程研究中心，重慶 400037）

我國煤層賦存條件復雜，大部分煤礦具有低透氣性、高瓦斯壓力、多構造等特點，尤其是西南地區煤礦，90%以上礦井的可采煤層具有煤與瓦斯突出危險性，極易誘發煤與瓦斯突出事故[1-3]。因此，采取有效措施增加煤層增透性以提高煤層瓦斯抽采效率，是保證低透氣性煤層煤炭安全高效開采和煤層氣資源的充分利用具有重要意義。目前，為提高煤層瓦斯抽采效果，國內外學者提出了密集鉆孔、水力沖孔、水力割縫、水力壓裂等煤層增透措施[4-6]。其中，煤礦井下水力壓裂技術能大范圍提高煤層透氣性從而增加煤層瓦斯抽采效率，已在我國大部分低透氣性煤礦進行了應用，如重慶松藻礦區、河南平頂山礦區等[7-10]。在煤層水力壓裂增透理論、技術及工藝方面，國內外學者展開了大量研究。王建軍[11]、丁紅[12]等建立了煤層壓裂起裂壓力計算模型，探討了煤層傾角、埋深等對起裂壓力和起裂位置的影響規律；胡千庭教授團隊[13-15]研究了煤層水力壓裂過程中應力演化規律及裂隙延伸規律，建立了壓裂過程中應力傳遞及裂隙延伸關系模型，通過壓裂過程中裂隙分布反演出壓裂范圍，并采用微震監測、瞬變電磁監測、壓裂前后含水率及瓦斯抽采測試等綜合手段對壓裂有效范圍進行了驗證；程亮[16]等分析了松軟煤層水力壓裂瓦斯運移及富集規律，研發出松軟煤層水力壓裂增透技術及工藝，提出“一看、二探、三測”的煤層水力壓裂增透效果評價方法。目前，煤礦井下水力壓裂的增透機理及技術工藝研究比較籠統，針對煤層群賦存條件，如何有效實施水力壓裂增透技術并對其增透效果進行考察十分缺乏，如果盲目地采取多煤層綜合壓裂易導致煤層增透不均衡。因此，針對煤層群賦存條件，以西南地區某多煤層煤礦為試驗地點，對比實施了分層單一水力壓裂和多煤層綜合水力壓裂。首先，通過對煤層壓裂全過程的壓力變化進行監測，分析現場煤層水力壓裂實際過程和不同壓裂方式的過程差異；其次，在煤層壓裂結束后，對不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯含量、水分含量及瓦斯初始抽采體積分數進行對比分析，探討壓裂后煤層瓦斯含量和含水率分布規律，從而明確不同壓裂方式的有效增透范圍；接著，統計瓦斯抽采鉆孔施工過程中抱鉆等現象，研究煤層壓入水量對后續鉆孔施工的影響；最后，對比分析不同壓裂方式下煤層瓦斯抽采效果。研究結果以期為類似煤層群條件下進行水力壓裂增透實踐提供借鑒。

1 煤礦井下水力壓裂增透機理

煤礦井下水力壓裂技術源于油氣系統水力壓裂技術，其技術原理是將高壓水注入煤巖層，當注入壓力大于地應力和煤巖體的破裂壓力時，煤巖體將發生破裂，在煤巖層中產生裂縫，促使與煤巖層中原始裂隙相互貫通和延伸，到達導流目的，從而提高煤層透氣性系數[17-19]。國內外研究表明，由于煤巖層中含有大量的軟弱面，高壓水進入煤巖體過程可描述為“壓裂-充水浸潤擴張-再壓裂-再充水浸潤擴張……”[7]。

針對煤層群條件下進行水力壓裂時，壓裂鉆孔會穿過多個煤分層。由于煤巖體抗拉強度遠小于抗壓強度，基于圍巖斷裂失效時最大拉應力理論[20]，在注入壓力和地應力共同作用下，鉆孔壁某位置處所產生的拉應力超過煤巖體抗拉強度時，煤巖體發生破斷沿鉆孔徑向起裂。此外，煤巖層層面黏結強度相對較低，當注入壓力超過交界面的法向應力和黏結力時，煤巖層層面將發生破壞沿鉆孔軸向起裂。因此，煤礦井下進行分層或多層綜合壓裂，當注入壓力大于煤巖體強度最低處的抗拉強度或煤巖層層面強度時，煤巖體發生破壞起裂，產生裂縫[11-12]。

式中：p 為煤巖層起裂壓力；λ 為側壓系數；β 為鉆孔傾角；φ 為煤層傾角；σv為煤層垂直地應力；σti為煤巖層抗拉強度；Ci煤層層面黏聚力。

2 水力壓裂現場試驗

2.1 試驗地點概況及壓裂鉆孔布置

水力壓裂現場試驗地點為西南地區某礦N3703中瓦斯巷。壓裂鉆孔布置平面圖如圖1。

圖1 壓裂鉆孔布置平面圖Fig.1 Layout plan drawing of fracturing boreholes

沿N3703 中瓦斯巷依次布置6 個壓裂鉆孔（F1#～F6#）；壓裂孔孔間距為100 m，壓裂鉆孔施工參數見表1。壓裂目標煤層為M7 和M8 煤層，煤層厚度分別為0.9、2.8 m，煤層傾角為8°～15°；M7 煤層瓦斯含量18.2 m3/t，瓦斯壓力1.74 MPa；M8 煤層瓦斯含量19.1 m3/t，瓦斯壓力2.45 MPa，均為煤與瓦斯突出煤層。

表1 壓裂鉆孔施工參數Table 1 Layout parameters of fracturing boreholes

為考察不同水力壓裂方式對煤層增透效果的影響，分別采用了單一煤層分層壓裂和多煤層綜合壓裂2 種壓裂方式，其中F1#和F2#壓裂孔對M7 煤層實施單一煤層壓裂，F3#和F4#壓裂孔對M8 煤層實施單一煤層壓裂，F5#和F6#壓裂孔對M7 和M8 煤層實施綜合壓裂。

2.2 煤礦井下水力壓裂工藝及裝備

煤層水力壓裂工藝流程如圖2。

圖2 煤層水力壓裂工藝流程Fig.2 Technological process of hydraulic fracturing

首先進行壓裂鉆孔的施工，然后布置壓裂管，煤層中壓裂管為壓裂篩管（篩孔孔徑為4 mm，間距為0.2 m），其它段為無縫鋼管。隨后進行壓裂鉆孔封孔，封孔材料參照文獻[21-22]，封孔工藝采用二次注漿封孔，其中注漿管為鋁塑管，與壓裂管固定在一起，并采用鉆機送入壓裂鉆孔內，注漿管深度比孔底壓裂篩管底端高0.5 m 左右。

具體封孔工藝為：先從壓裂管中注漿，當鋁塑管返漿時停止注漿；為確保鋁塑管和壓裂管不被堵塞，同時需向鋁塑管中注水，當壓裂管返出的水為清水時停止注水，第1 次注漿結束；待第1 次注漿48 h后，實施2 次注漿，即從鋁塑管中注入水泥砂漿，當壓裂管返漿后第2 次注漿結束。封孔混凝土養護一段時間后，連接壓裂設備及管路，進行水力壓裂。壓裂同時監測系統壓力和流量，若壓力突然降低、流量突然增大，且長時間維持穩定，則關閉壓裂泵完成壓裂。煤層水力壓裂完成后，在壓裂孔周圍施工考察孔，觀察鉆孔情況，并鉆取煤樣檢測水力壓裂后煤層瓦斯含量和含水率，以便對比分析煤層群條件下不同水力壓裂方式的增透效果。

水力壓裂系統由壓裂泵、控制臺、水箱、流量計、壓力表、高壓管、封孔器及相關連接裝置組成，其中壓裂泵為寶雞航天動力泵業有限公司生產的BYW1100/50 壓裂泵，最大流量為1 100 L/min，最高壓力70 MPa。壓裂裝備聯接順序依次為：供水管路、壓裂泵、高壓水管、鉆孔內部管路。

2.3 壓裂效果檢查孔布置

煤層水力壓裂完成后，分別在每組壓裂孔之間施工2 個考察鉆場（K1#～K6#）（圖1），每個鉆場施工7 個考察孔（1#～7#），其與對應壓裂孔的中心距離依次為28.4、31.5、35.7、40.2、45.1、50.2、55.5 m。壓裂效果考察鉆孔施工參數見表2。在考察鉆孔施工過程中，利用直接測量法測定煤層瓦斯含量，并收集每個鉆孔施工過程中的現象；此外，待考察鉆孔施工完成后進行煤層瓦斯接抽，測定煤層瓦斯抽采效果。

表2 壓裂效果考察鉆孔施工參數Table 2 Drilling parameters of inspection boreholes for fracturing effect

3 試驗結果

3.1 煤層水力壓裂過程

煤層水力壓裂全過程壓力曲線如圖3（F1#壓裂孔）。煤層實施水力壓裂后，隨著注入液體的不斷增加，系統壓力迅速上升，達到煤層破裂壓力時（約為38.3 MPa），煤巖層產生破裂而產生裂縫；當液體進入已產生的裂縫后，壓力急速降低（38.3 MPa 降為35.4 MPa）。由于壓力降低，裂縫停止擴展；隨著外界高壓泵中液體的不斷注入，在鉆孔和已形成的裂縫中累積起來，壓力又逐漸升高，當壓力達到裂縫擴展所需壓力時（約為37 MPa），裂縫發生穩定擴展。隨著液體的不斷注入，煤層水力壓裂過程中出現多次明顯的壓力降，這表明煤層發生了多次破裂，造成了多次水壓裂縫的起裂及擴展。最后，壓力會大幅降低，且后續維持相對穩定（約24 MPa），其原因為：高壓柱塞泵是定流量輸出泵，由于高壓泵注液量與煤層最終壓裂產生的裂縫體積量和濾失量會達到相對平衡，高壓泵已無法為煤層壓裂裂縫的繼續起裂和擴展提供額外的能量[23-24]。因此，此時可認為裂縫在高壓水作用下已充分擴展，壓裂過程可終止。

煤層水力壓裂過程主要分5 個階段：

1）應力累積階段。壓裂開始后液體快速充滿壓裂鉆孔及其周圍煤巖孔隙，并對煤巖層孔壁及裂隙壁產生壓應力，使孔壁煤巖骨架受到擠壓，從而產生應力積累[11,25]。

2）裂縫起裂階段。由于液體注入，注液壓力迅速升高并達到峰值，當孔壁應力累積達到一定值后，孔壁形成的切向應力大于煤層抗拉強度時，煤體發生破裂形成初始裂縫，并在壓力水的水楔作用下互相貫通，形成擴展裂縫[12]。由于壓力水迅速充填到裂縫中，使得壓力得到釋放而突然降低，此時裂縫內的注水無法繼續對裂縫壁面及尖端產生高壓應力，從而使裂縫暫時停止擴展。

3）裂縫擴展階段。隨著不斷注入的液體再次充滿裂縫，壓力又逐漸升高，使裂縫尖端在高壓水楔作用下產生的應力大于裂紋擴展壓力，從而使裂縫繼續擴展延伸，此時壓力和流量均穩定在一定范圍內。

4）裂縫多次起裂-擴展階段。煤體是含孔隙-裂隙結構的非均質介質，煤層內含有大量的結構弱面，當水壓裂縫擴展延伸到這些位置時，裂縫易沿弱面發生起裂和擴展，從而形成多次顯著的壓力降低。

5）裂縫擴展完成階段。當煤層水力壓裂實施到一定程度時，由于壓裂泵功率的限制，注入的液體流量與所形成的裂縫體量達到了相對平衡，說明在已有條件下煤層水壓裂縫已得到充分延伸，擴展完成。

需要注意的是，不同壓裂方式的全過程壓力變化曲線有所差異，主要體現在壓力大小及液體注入量的不同。不同煤層壓裂方式的壓入水量和平均壓力如圖4。M7 煤層和M8 煤層單層壓裂平均壓入水量分別為400、485 t，而M7 和M8 煤層綜合壓裂平均壓入水量達554 t；M7 煤層和M8 煤層單層壓裂平均壓力分別為34、32.9 MPa，M7 和M8 煤層綜合壓裂平均壓力為32.4 MPa。由此可見，煤層分層壓裂所需液體壓入量更少，但煤層壓裂平均壓力更高，主要原因是多煤層綜合壓裂過程中更多弱面的存在降低了煤巖壓裂壓力，且易形成更多更復雜的裂縫，從而需要更多的注入液體。

圖4 不同煤層壓裂方式的壓入水量和平均壓力Fig.4 Water injection volume and average pressure for different fracturing methods in coal seam

3.2 煤層水力壓裂影響范圍

1）煤層瓦斯含量。不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯含量分布如圖5。由圖5 可知，煤層瓦斯含量隨著與壓裂孔距離的增加呈先快速增加后緩慢增加的趨勢，且達到一定距離后保持穩定。其中，M7 煤層和M8 煤層實施單層壓裂后，不同距離處煤層瓦斯含量變化幾乎相同，在50 m 以內呈現快速線性增加趨勢，增長達0.32 m3/（t·m）；隨著距離的進一步增加，煤層瓦斯含量幾乎不再增加，且略高于煤層瓦斯原始含量。M7 和M8 煤層實施多煤層綜合壓裂后，相同距離處煤層瓦斯含量總體上高于單層壓裂后煤層瓦斯含量，在40 m 以內瓦斯含量增長率較高，約為0.44 m3/（t·m）；當距離進一步增加時，煤層瓦斯含量增長緩慢（0.06 m3/（t·m）），可視為煤層瓦斯含量保持不變。其主要原因是煤層水力壓裂過程中壓力水會不斷驅替煤層中瓦斯，使煤層瓦斯發生運移[14]，從而導致距離壓裂孔越近煤層瓦斯含量越低的傾向，且在水力壓裂影響半徑處煤層瓦斯形成富集，致使該距離處煤層瓦斯含量略高于原始瓦斯含量。

圖5 不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯含量分布Fig.5 Gas content of coal seam at different influence distances of hydraulic fracturing

2）煤層水分含量。不同壓裂影響范圍處煤層含水率分布如圖6。與煤層瓦斯含量變化規律相反，煤層水分含量隨距離壓裂孔中心距離的增加呈降低趨勢。其中，M7 煤層和M8 煤層實施單層壓裂后煤層含水量總體上大于煤層綜合壓裂后的含水量。此外，在距壓裂孔50 m 范圍內，煤層實施單層壓裂后的含水量變化較明顯；而煤層實施多層綜合壓裂后，在距壓裂孔45 m 范圍內變化明顯。

圖6 不同壓裂影響范圍處煤層含水率分布Fig.6 Water content of coal seam at different influence distances of hydraulic fracturing

3）煤層瓦斯初始抽采體積分數。不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯單孔平均初始抽采體積分數如圖7。M7 煤層和M8 煤層實施單層壓裂后，在距壓裂孔50 m 范圍內，單孔平均初始抽采體積分數較為穩定，分別維持在52%和40%以上，在50 m 范圍以外均衰減至30%以下；M7 和M8 煤層實施綜合壓裂后，在距壓裂孔40 m 范圍以內時，單孔平均初始抽采體積分數維持在42%以上，但超過40 m 后瓦斯初始體積分數衰減至30%以下。

圖7 不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯單孔平均初始抽采體積分數Fig.7 Average gas drainage concentration of single borehole at different influence distances of hydraulic fracturing

綜上所述，根據對不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯含量、水分含量和瓦斯初始抽采體積分數的綜合分析可知，在壓裂有效影響范圍內，煤層瓦斯含量降低、煤層含水率增加，且瓦斯初始抽采體積分數增加。因此，可以判定M7 煤層和M8 煤層實施單層壓裂的有效影響半徑約為50 m，而M7 和M8 煤層實施綜合壓裂的有效影響半徑約為40 m。可見，煤層群分層水力壓裂效果好于多煤層綜合壓裂，能對目標煤層進行有效壓裂增透。

3.3 煤層水力壓裂壓入水量

為探討煤層水力壓裂壓入水量對后續鉆孔施工的影響，對考察鉆孔施工過程中的現象進行收集。煤層壓入水量與抱鉆次數的關系曲線如圖8。

圖8 煤層壓入水量與抱鉆次數的關系曲線Fig.8 Relationship between water injection volume and sticking drill times

M7 煤層和M8 煤層實施單層水力壓裂分別壓入400、485 t 水量后，施工考察鉆孔過程中分別發生4 次和7 次抱鉆；對M7 和M8 煤層實施綜合水力壓裂壓入554 t 水量后，在考察鉆孔施工過程中發生9 次抱鉆。由此可見，煤層實施水力壓裂后，在煤層中實施鉆孔作業時發生抱鉆的次數與煤層壓入水量呈正相關關系，即煤層壓入水量越大，煤層鉆孔越容易發生抱鉆現象，降低鉆孔作業效率。主要原因是煤層水力壓裂后，水會對煤體產生軟化，降低煤體強度[26]，導致鉆孔過程中煤層段鉆孔壁煤體易發生破壞而垮塌，從而造成抱鉆現象。因此，與多煤層綜合壓裂相比，煤層實施分層壓裂可減少水力壓裂壓入量，且對后續瓦斯抽采鉆孔施工影響較小。

3.4 煤層水力壓裂后瓦斯抽采效果

煤層實施水力壓裂后對其附近考察鉆孔進行了瓦斯接抽，煤層水力壓裂后瓦斯抽采效果如圖9。

圖9 煤層水力壓裂后瓦斯抽采效果Fig.9 Effect of gas drainage after fracturing in coal seam

M7 煤層和M8 煤層在單層水力壓裂后，單孔平均抽采體積分數分別為54.1%和43.5%，考察鉆場的平均抽采體積分數為43%和40%，其中單孔體積分數在30%以上的鉆孔所占比例達93%和86%；M7和M8 煤層實施綜合壓裂后，考察孔單孔平均抽采體積分數為39.2%，鉆場平均抽采體積分數為34%，抽采體積分數在30%以上的鉆孔所占比例為71%。通過3 組瓦斯抽采數據對比可知，M7 煤層和M8 煤層分別實施單一煤層壓裂的增透效果明顯優于M7和M8 煤層實施多層綜合壓裂增透效果。

4 結 語

1）煤層水力壓裂過程主要包括應力累積、裂縫起裂、裂縫擴展、裂縫多次起裂-擴展、裂縫擴展完成5 個階段，煤層群分層單一壓裂的平均壓力略高于多層綜合壓裂，但煤層總壓入水量明顯少于綜合壓裂技術。

2）分層水力壓裂技術能顯著提高煤層壓裂有效增透范圍。通過不同壓裂影響范圍處煤層瓦斯含量、水分含量及瓦斯初始抽采體積分數對比分析，水力壓裂“水驅瓦斯”效應使距離壓裂中心越近，煤層瓦斯含量越低、含水率越高；在煤層有效增透范圍內，分層壓裂后煤層瓦斯含量和含水率分別低于和高于多層綜合壓裂技術，且煤層瓦斯初始抽采體積分數也更高，2 種水力壓裂技術有效增透半徑分別為50、40 m。

3）煤層水力壓裂壓入水量越多，后續施工煤層瓦斯抽采鉆孔時發生抱鉆次數越多；分層水力壓裂技術能減少煤層壓裂壓入水量，有效降低對后續瓦斯抽采鉆孔施工過程的不良影響。

4）分層水力壓裂技術能顯著提高煤層瓦斯抽采效果。分層壓裂后煤層單孔平均抽采體積分數為54.1%（M7 煤層）和43.5%（M8 煤層），而多煤層綜合壓裂只有39.2%（M7 和M8 煤層）；考察鉆場平均抽采體積分數為43%和40%，較綜合壓裂技術提高了9%和6%。

5）形成了1 套低透氣性煤層群分層水力壓裂工藝，即集鉆孔、二次注漿封孔、壓裂、壓裂效果考察和瓦斯接抽于一體的工藝流程，為類似礦井煤層壓裂增透實踐提供借鑒。