特厚煤層定向長鉆孔水力壓裂瓦斯抽采技術及應用

緱曉鋒,楊 飛,竇成義,鄭文龍,和 遞,孔祥國

(1.陜西彬長大佛寺礦業有限公司,陜西 咸陽 712000;2.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

煤炭作為我國的主體能源,始終在能源結構中處于“兜底”的重要地位,瓦斯是制約礦井安全高效生產的主要因素[1],瓦斯抽采是我國區域性瓦斯治理和實現煤與瓦斯共采的關鍵技術[2]。由于地質條件影響煤體透氣性和瓦斯賦存差異性較大,導致抽采鉆孔影響范圍有限,卸壓程度不高,瓦斯抽采達標周期長,嚴重影響礦井抽掘采接替[3]。

如何提升煤層滲透性已成為提高礦井瓦斯抽采效率的關鍵,而水力壓裂技術已被大量學者證實是改造煤巖體結構[4]、增加煤層透氣性[5]、提高煤層瓦斯抽采效率[6]的有效技術途徑,其具有影響范圍大、增透效果顯著等優勢。蘇暢等[7]基于現場試驗和理論分析研究了低透氣性煤層水力致裂裂隙內流場驅替機理,發現水力壓裂技術能夠有效提高煤巖體的透氣性及鉆孔瓦斯抽采效果;付紅波等[8]通過數值模擬分析水力壓裂瓦斯抽排過程,證實水力壓裂技術有助于增加低滲透性煤層的透氣性;黃炳香等[9]應用大尺寸真三軸水力致裂模擬實驗系統開展了煤巖體水力致裂裂隙擴展規律研究及水力致裂弱化的控制技術研究,并在現場試驗中取得顯著效果;馬彥陽等[10]通過頂板定向長鉆孔分段水力壓裂技術拓展瓦斯運移通道,提高了卸壓瓦斯抽采效果。郭超奇等[11]利用自主研發的水力壓裂成套工藝設備,采取水力壓裂增透措施后煤層瓦斯可抽采性增加。徐世波等[12]針對煤層透氣性差、瓦斯抽采效率不高的問題,開展低透氣性煤層水力壓裂瓦斯抽采技術現場試驗,大幅提升瓦斯抽采濃度和流量。

以往的研究工作在定向鉆進高效抽采和水力壓裂增透技術方面取得了豐碩成果[13-16],但針對大區域煤層增透與超前預抽方面的技術難題,仍需進一步研究。因此,在前人研究的基礎上,進一步分析和優化煤層定向長鉆孔分段水力壓裂增透工藝技術,以期為礦井區域瓦斯高效抽采提供技術支撐。

1 工程背景

大佛寺煤礦主采侏羅紀4號煤層,屬特厚煤層,井田全區可采。2022年瓦斯等級鑒定結果為高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為104.81 m3/min,相對瓦斯涌出量為11.02 m3/t。40103工作面是401采區東翼布置的第7個綜放工作面,采用后退式走向長壁綜合機械化放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。工作面走向長度1 918 m,傾向長度200 m,平均煤厚15 m,4號煤層原始瓦斯含量為3.5～5.9 m3/t。工作面設計運順、回順2條巷道,沿煤層底板布置。

根據相鄰工作面掘進及回采期間瓦斯揭露情況,預計該工作面在掘進過程中各順槽絕對瓦斯涌出量為8～12 m3/min,回采期間瓦斯涌出量為74.25 m3/min。常規鉆孔抽采效率低、抽采達標周期長,礦井抽掘采接替緊張,本文通過在大佛寺煤礦40103工作面開展4個定向長鉆孔分段水力壓裂施工,考察水力壓裂影響范圍,監測鉆孔瓦斯抽采數據,采用增透措施來強化瓦斯抽采,形成適合大佛寺煤礦特厚煤層定向長鉆孔分段水力壓裂增透工藝技術,解決4號煤層瓦斯治理問題。

2 水力壓裂工程施工

2.1 壓裂鉆孔設計

壓裂施工設計區域為40103工作面和4號煤層西部1號輔運大巷(40206工作面區段),共設計壓裂鉆孔4個。其中1#鉆孔位于40103工作面回順,距離40103工作面回順順槽平距65 m,根據地質勘察資料,沿工作面推進方向,該區域煤層傾角約1.2°～1.8°,水力壓裂鉆孔長度600 m范圍內煤層傾角為1.2°～1.5°。2#、3#、4#鉆孔位于4號煤層西部1號輔運大巷千米鉆場;1#鉆孔設計長度為600 m,其余鉆孔設計長度均為500 m,施工層位均為煤層。40103工作面壓裂施工區域如圖1所示。

圖1 40103工作面壓裂施工區域Fig.1 Fracturing construction area of 40103 working face

2.2 壓裂工藝設計

根據4號煤層力學特性和順煤層定向長鉆孔工程特點,設計采用“分段壓裂延展裂隙+整體壓裂溝通網絡”的技術工藝。設計水力壓裂段間距30～50 m、封隔器卡距10 m,單孔壓裂段數不小于6段。地層破裂壓力梯度0.78～1.22 MPa/100 m,壓裂施工地點煤層埋深421.28 m,確定煤層破裂壓力為5.14～8.60 MPa,水力壓裂工具組合順序及參數如圖2所示。

2.3 壓裂施工設計

1#鉆孔首先開始壓裂施工,歷時12 d完成整孔7段壓裂進入保壓觀測,每段壓裂時間為177～553 min,總計壓裂時間2 149 min,平均泵注壓力6.44～13.64 MPa,總計注水量為824 m3,1#鉆孔分段壓裂位置如圖3所示,壓裂施工參數匯總見表1,2#～4#鉆孔接替施工。施工完成4個長鉆孔壓裂工程,壓裂工程量2 190 m、壓裂30段、最大排量40.82 m3/h,最大泵注壓力15.58 MPa,壓裂液用量4 535 m3,詳見表2。

圖2 水力壓裂工具組合示意Fig.2 Schematic diagram of hydraulic fracturing tool combination

圖3 1#鉆孔分段壓裂位置示意Fig.3 Schematic diagram of segmented fracturing positions for No.1 borehole

表1 1#鉆孔壓裂施工參數匯總

3 水力壓裂鉆孔瓦斯抽采效果分析

3.1 抽采參數分析

以1#水力壓裂鉆孔瓦斯抽采實時監測數據進行分析,鉆孔瓦斯抽采濃度范圍在71.79%～92.67%,平均為81.6%,鉆孔瓦斯抽采濃度相對穩定;鉆孔瓦斯抽采純量為0.4～1.8 m3/min,平均為0.95m3/min,抽采量曲線整體表現為鉆孔初始抽采純量較大,隨著抽采時間的增加呈現逐漸衰減的趨勢,累計瓦斯抽采純量88 757.97 m3,瓦斯抽采參數曲線如圖4所示。

表2 特厚煤層水力壓裂施工匯總

圖4 1#壓裂孔瓦斯抽采參數曲線Fig.4 Gas extraction parameter curve of No.1 fracturing hole

2#壓裂鉆孔瓦斯抽采數據統計表明,鉆孔瓦斯抽采濃度范圍在24.60%～87.78%,平均為67.48%。鉆孔瓦斯抽采純量為0.61～2.55 m3/min,平均為1.73 m3/min,鉆孔初始抽采量較大,隨著抽采時間的增加呈現逐漸衰減的趨勢,累計瓦斯抽采量177 136.47 m3,瓦斯抽采曲線如圖5所示。

圖5 2#壓裂孔瓦斯抽采參數曲線Fig.5 Gas extraction parameter curve of No.2 fracturing hole

3.2 抽采效果分析

3.2.1 壓裂施工對比常規鉆孔效果分析

如圖6所示,1#鉆孔平均抽采濃度81.60%,百米鉆孔瓦斯平均抽采純量0.181 m3/(min·hm)。2#鉆孔平均抽采濃度67.48%,百米鉆孔瓦斯平均抽采純量0.320 m3/(min·hm)。3#鉆孔平均抽采濃度58.83%,百米鉆孔瓦斯平均抽采純量0.285 m3/(min·hm)。4#鉆孔平均抽采濃度42.60%,百米鉆孔瓦斯平均抽采純量0.143 m3/(min·hm)。相比常規鉆孔,瓦斯抽采濃度提高了2.20～4.22倍,百米鉆孔瓦斯抽采純量提高了4.93～11.03倍。

圖6 壓裂鉆孔抽采效果Fig.6 Fracturing borehole and extraction effect

3.2.2 壓裂施工對鄰近鉆孔影響分析

以2#鉆孔和3#鉆孔為例重點分析鉆孔經水力壓裂后的瓦斯抽采效果,由圖5可知,壓裂鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量隨抽采時間的關系曲線整體呈“上升—平緩—下降”的趨勢。抽采初期的瓦斯濃度和純量較抽采穩定期而言相對較低,這是因為抽采初期壓裂鉆孔存在積水,瓦斯在水鎖效應影響下不易流動[17]。隨著抽采時間的增長,水鎖效應逐漸變小,進入穩定抽采階段,此時瓦斯濃度和純量均較大。經過長時間的抽采,孔周煤體瓦斯壓力和瓦斯含量降低,逐漸進入抽采衰減期。4#鉆孔壓裂作業過程中2#、3#鉆孔瓦斯抽采參數見表3。

表3 4#鉆孔壓裂作業過程中2#、3#鉆孔瓦斯抽采參數

據表3數據分析,4#鉆孔壓裂期間,2#鉆孔平均瓦斯濃度為68.32%,平均抽采純量為1.74 m3/min。3#鉆孔平均濃度為55.18%,平均純量為1.35 m3/min。與抽采穩定期相比,2#、3#鉆孔平均濃度分別降低4.69%和7.89%,平均純量分別減少0.15 m3/min和0.22 m3/min。這是由于4#鉆孔進行壓裂時,高壓水既能促進孔周煤體產生新裂隙,又能使原有裂隙不斷擴展、延伸,原生裂隙和次生裂隙相互交織、持續發育,最終形成并溝通包含2#、3#鉆孔在內的孔周裂隙網絡,裂隙網絡中的水對瓦斯流動起到抑制作用,故抽采濃度和純量有不同程度的降低[18-19]。其中3#鉆孔較2#鉆孔而言更靠近4#鉆孔,因此影響相對較大。

3.3 抽采規律分析

分析壓裂階段定向長鉆孔的瓦斯抽采純量與時間的關系,得到瓦斯抽采純量隨時間變化規律的特征參數鉆孔初始瓦斯抽采純量(qc0)和瓦斯抽采純量衰減系數(β),見表4。

表4 鉆孔瓦斯自然涌出特征參數

壓裂鉆孔在抽采衰減期,瓦斯純量隨抽采時間的增加呈負指數降低,常規抽采鉆孔的衰減系數為0.03 d-1,壓裂鉆孔的衰減系數為0.002 3～0.034 d-1,4#鉆孔的瓦斯純量無明顯衰減。總體而言,壓裂鉆孔比常規抽采鉆孔瓦斯純量衰減緩慢,可見水力壓裂有利于煤層瓦斯長時間、高效率抽采。

4 結論

(1)針對大佛寺煤礦特厚煤層透氣性和瓦斯賦存差異性較大,瓦斯抽采效果差等特點,提出采用“分段壓裂延展裂隙+整體壓裂溝通網絡”的定向長鉆孔水力壓裂技術工藝,在40103工作面開展4個定向長鉆孔分段水力壓裂施工,累計壓裂工程量2 190 m、壓裂30段、最大排量40.82 m3/h,最大泵注壓力17.83 MPa,累計壓裂注水量4 535 m3,總壓裂時間10 853 min。

(2)對壓裂鉆孔進行抽采效果分析,鉆孔瓦斯抽采濃度為42.60%～81.60%;鉆孔瓦斯抽采純量為0.72～1.73 m3/min;鉆孔累計瓦斯抽采量452 331.03 m3;百米鉆孔瓦斯抽采純量為0.143～0.320 m3/(min·hm)。與未壓裂的預抽鉆孔對比,壓裂后瓦斯抽采濃度提高了2.20～4.22倍,百米抽采流量提高了4.93～11.03倍。通過水力壓裂后煤層滲透特性增加,有效提升瓦斯抽采效果。

(3)4#鉆孔壓裂期間,2#、3#鉆孔平均濃度分別降低4.69%和7.89%,平均純量分別減少0.15 m3/min和0.22 m3/min。因為鉆孔進行壓裂時,高壓水使得原有裂隙不斷擴展、延伸,原生裂隙和次生裂隙相互交織、持續發育,最終形成多個鉆孔在內的孔周裂隙網絡,裂隙網絡中的水對瓦斯流動起到抑制作用,故抽采濃度和純量有不同程度的降低。

(4)水力壓裂有利于煤層瓦斯長時間、高效率抽采,壓裂鉆孔在抽采衰減期,瓦斯純量隨抽采時間的增加呈負指數降低,常規抽采鉆孔的衰減系數為0.03 d-1,壓裂鉆孔的衰減系數為0.002 3～0.034 d-1,初步證實了長鉆孔水力壓裂強化瓦斯抽采技術在大佛寺煤礦乃至彬長礦區中煤層的適用性,但針對特定煤層的瓦斯高效抽采機制仍需要進一步研究。