煤礦井下瓦斯抽采技術的應用研究

孫緒龍

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

煤峪口礦1 號煤層的4922 綜采面，井下煤層平均埋深是521.3 m，煤層均厚11.7 m，平均傾角4.2°，平均堅硬系數(shù)1.2。井下煤層的平均透氣性系數(shù)約為0.25 m2/（MPa2·d），瓦斯流量的衰減系數(shù)為0.04 d-1。根據(jù)井下實際勘探，該綜采面瓦斯含量為5.8 m3/t。由于其煤層結(jié)構(gòu)硬度較大，透氣性系數(shù)低，因此井下瓦斯抽采純量及抽采體積分數(shù)均較小，無法滿足煤礦井下抽采的需求。

煤峪口礦首次提出了煤礦井下中硬煤層長鉆孔分段壓裂抽采技術，利用高壓水使煤層內(nèi)產(chǎn)生新的縫隙并使原有的縫隙結(jié)構(gòu)擴張、伸展，提高了井下硬質(zhì)煤層裂隙率和瓦斯遷移速度。

1 分段壓裂參數(shù)設計

結(jié)合煤峪口礦1 號煤層4922 綜采面實際情況及井下瓦斯治理要求，選擇在回采區(qū)域沿工作面前進方向設3 個水力壓裂鉆孔，每個鉆孔直徑96 mm，長約450 m。每一個水力壓裂孔分為8個段進行壓裂，水力壓裂鉆孔的開口點設置在煤層底板位置約2000 mm 處，沿著煤層的方向鉆進，其傾角1.5°。

為了保證在水力壓裂時候裂縫分布的均勻性，提高井下瓦斯抽采效率，將水力壓裂段的間距設置為50 m，井下封隔器卡距約為10 m。井下壓裂孔布置結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 井下水力壓裂孔布置結(jié)構(gòu)示意圖

由于水力壓裂孔是打在煤層中，為了盡量減少對煤層煤質(zhì)的影響，在水力壓裂時以清水為介質(zhì)。井下煤層壓裂力p1可表示為[1]：

式中：p1為井下煤層的壓力，MPa；h為煤層深度，m；Φ為井下煤層的孔隙率，%；ρ為巖層的密度，g/cm3；ρ1為井下流體密度，g/cm3。

井下煤層的埋深是521.3 m，根據(jù)計算分析，最終確定井下注水壓力為16 MPa，結(jié)合井下煤層厚度、鉆孔長度及水力壓裂的影響程度，將每個水力壓裂孔的注水量設置為1000 m3左右。

2 井下水力壓裂設備選擇

根據(jù)井下地形條件和鉆孔要求，結(jié)合井下實際操作便捷性，選擇了BYW65/400 型井下壓裂泵組[2]。該系統(tǒng)主要包括了主泵機、水力壓裂泵組、監(jiān)控系統(tǒng)等。該水力壓裂泵組的整體結(jié)構(gòu)如圖2。該泵共有5 種壓力檔位，其工作時的最大水力壓裂力可以達到400 bar，最大注水量可達到88 m3/h。

圖2 水力壓裂泵組系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

與壓力泵所配合的壓裂工具選擇了中煤科工研究的水力壓裂工具組合套裝，主要包括了封隔器、節(jié)流器、安全丟手、引鞋、單流閥、油管、節(jié)流器、球座等。為了保證井下水力壓裂鉆孔的效率和安全性，各種水力壓裂工具在煤峪口礦打孔時的實際組合要求如圖3[3]。

圖3 水力壓裂工具組合示意圖

3 水力壓裂工藝流程

根據(jù)在煤峪口礦的實際應用，將井下水力壓裂鉆孔的流程總結(jié)為壓裂裝置定位、坐封、壓裂及保壓排放四個過程。在開展水力壓裂過程中，煤峪口礦首次攻克了防塌壓裂封孔技術，保證了井下水力壓裂鉆孔的可靠性。

3.1 水力壓裂工藝流程分析

在井下工作時利用了“后退式”的壓裂施工工藝流程[4]。

3.1.1 壓裂裝置定位

首先根據(jù)井下煤層的走向，確定水力壓裂孔的軌跡，并確定井下鉆孔的分段數(shù)量及封隔器的封隔位置，然后再安裝圖3 所示的水力壓裂工具，將其緩慢地送到有封隔的地方。

3.1.2 坐封

在開始壓裂以后，清水在水力高壓泵的驅(qū)使下灌入到封隔器的膠筒中。隨著流入水的增加，膠筒的體積開始發(fā)生膨脹，完成對鉆孔環(huán)區(qū)域的封堵。

3.1.3 壓裂

在壓裂時實際上是對煤層壓裂，增加其裂縫和孔隙率的一個過程。在工作時需要實時注意壓裂時的工作壓力和流量等情況。

3.1.4 保壓排放

當分段壓裂完成后，關上壓力工具的閥門，使壓力區(qū)域開始進入到保壓階段。隨著清水緩慢深入煤層縫隙，直到管柱內(nèi)的壓力開始小于地層壓力時保壓結(jié)束。最后再打開閥門口，將孔內(nèi)的積水排出并把瓦斯抽采管路連接進來，開始進行瓦斯抽采作業(yè)。

3.2 防塌壓裂封孔技術

在進行水力壓裂的過程中，持續(xù)向封隔器的膠筒內(nèi)注入液體。若水力壓裂的壓力不合理將導致膠筒的破裂，進而引起鉆孔垮塌等事故。該問題屬于行業(yè)難題，極大地困擾著水力壓裂技術的發(fā)展。針對這種情況，煤峪口礦進行了專項技術攻關，提出了采用可伸縮式中心管并利用Abaqus 仿真分析軟件對水力壓裂力進行模擬的方案。

3.2.1 可伸縮式中心管

水力壓裂過程中封隔器的破壞主要是由于持續(xù)的注水，其伸縮性不足導致的[5]。因此可以通過對封隔器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部膠筒彈性變形的改變來優(yōu)化。可伸縮式中心管在受力時能夠帶動約束擋護結(jié)構(gòu)箱內(nèi)移動，因此能夠提高其承載能力。其整體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 可伸縮式中心管結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 Abaqus 仿真分析

利用Abaqus 仿真分析[6]的主要目的是對水力壓裂過程中的壓力參數(shù)進行仿真，從而改變傳統(tǒng)靠經(jīng)驗判斷并逐步試錯的模式，提高水力壓裂參數(shù)制定的科學性和準確性。根據(jù)井下地質(zhì)條件及長期工作經(jīng)驗，在進行模擬分析時主要是對上擋碗、下?lián)跬爰伴L膠筒及煤層裸眼鉆孔四部分進行模擬分析。為了提高分析的效率和精確性，采用了2D 模擬分析，封隔器膠筒的本體模型則利用了Mooney-Rivlin雙參數(shù)模型[7]進行建模分析。結(jié)合設備的材料特性，確定了各部分的仿真分析參數(shù)見表1。

表1 仿真分析參數(shù)匯總表

由于開始注漿時，注漿液會不斷對坐封膠筒端部形成一個擠壓力，使膠筒的內(nèi)外壓力變化。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對內(nèi)壓16 MPa、外壓17 MPa，內(nèi)壓16 MPa、外壓10 MPa，內(nèi)壓17 MPa、外壓16 MPa 三種受力狀態(tài)進行分析。不同情況下膠筒的受力結(jié)果如圖5。

圖5 不同情況下膠筒的受力分析結(jié)果

由實際仿真分析結(jié)果可知，在內(nèi)壓16 MPa、外壓10 MPa，內(nèi)壓17 MPa、外壓16 MPa 兩種狀態(tài)下，膠筒所受到的最大應力均超過了28.012 MPa，而當內(nèi)壓16 MPa、外壓17 MPa 情況下膠筒的受力僅為13.531 MPa，完全在地層起裂壓力范圍內(nèi)，因此能夠最大限度地降低膠筒的破裂風險。因此，在注漿時選擇內(nèi)壓16 MPa、外壓17 MPa 時能保證注漿工作的穩(wěn)定性。

4 應用效果分析

目前該新型井下水力壓裂鉆孔瓦斯抽采技術已經(jīng)在煤峪口礦得到了廣泛應用，對不同區(qū)域的瓦斯抽采效果進行分析。D-1 鉆孔、D-2 鉆孔、D-3 鉆孔、常規(guī)鉆孔情況下瓦斯抽采的體積分數(shù)變化如圖6（a），瓦斯抽采的純量變化如圖6（b）。

圖6 不同情況下瓦斯抽采效果對比示意圖

由圖6（a）所示，優(yōu)化后井下瓦斯抽采時的體積分數(shù)最低為42.6%，最高為67.48%，比常規(guī)鉆孔的19.32%提升了2.21～3.49 倍；優(yōu)化后井下瓦斯抽采時的純量最低為0.143 m3/min，最高為0.32 m3/min，比常規(guī)鉆孔的0.029 m3/min 提升了4.93～11.01倍。由此分析，新的中硬煤層長鉆孔分段壓裂抽采技術能夠顯著提升井下瓦斯抽采效果。

5 結(jié)論

1）根據(jù)井下硬質(zhì)煤層特點，提出了一種新的中硬煤層長鉆孔分段壓裂抽采技術，在煤峪口礦進行了研究應用。共設置3 個水力壓裂鉆孔，總鉆進長度約為1450 m，每個孔分8 段壓裂，實現(xiàn)了硬質(zhì)煤層定向長鉆孔分段壓裂的突破。

2）針對水力壓裂的壓力不合理將導致膠筒的破裂，進而引起鉆孔垮塌的行業(yè)難題，首次提出了采用可伸縮式中心管并利用Abaqus 仿真分析軟件對水力壓裂力進行模擬的方案。根據(jù)模擬分析，證明了該方案的科學性，為合理設置注漿工藝參數(shù)奠定了基礎。

3）優(yōu)化后瓦斯抽采純量比優(yōu)化前提升了4.93倍以上，瓦斯抽采時的體積分數(shù)比優(yōu)化前提升了2.21倍以上。