水力壓裂增透技術(shù)的應(yīng)用分析

高 標(biāo),柏云飛,吳 偉

(淮南礦業(yè)集團公司顧橋煤礦, 安徽淮南232174)

水力壓裂增透技術(shù)的應(yīng)用分析

高 標(biāo),柏云飛,吳 偉

(淮南礦業(yè)集團公司顧橋煤礦, 安徽淮南232174)

采用水力壓裂增透技術(shù),是為了增加煤層的透氣性,增強瓦斯的流動,提高低透氣性煤層鉆孔瓦斯抽采量,保障抽采鉆孔的抽采效果;通過實踐對比,采用水力壓裂技術(shù),增大了煤層透氣性及瓦斯涌出量,大大提高了鉆孔的有效抽采半徑,增加抽采濃度和抽采量,最大程度上消除瓦斯危害。

水力壓裂; 透氣性; 增透

1 引言

淮南礦區(qū)多為松軟低透煤層群開采,主要采取開采保護(hù)層和穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域瓦斯治理措施。其中穿層鉆孔預(yù)抽單孔濃度低,且衰減較快,抽采流量小,瓦斯抽采效果較差。

水力壓裂增透工藝可以改變預(yù)抽煤巖體的物理力學(xué)特性體以及本身的結(jié)構(gòu),致使煤巖體強度減弱,塑性增加,以塑性變形方式消耗彈性能的能力增加,因此煤層中儲存的可恢復(fù)彈性能減少,起到消除沖擊地壓的作用,增加煤層透氣性,提高低透氣性煤層鉆孔瓦斯抽采量。水力壓裂后,降低了支撐應(yīng)力峰值,峰值點位置也轉(zhuǎn)移向煤壁深部,并且游離瓦斯向壓裂孔兩側(cè)及縱深轉(zhuǎn)移,在一定范圍和程度上起到防突作用,煤體濕潤,增加了煤體含水量,大大降低了煤層開回采過程中的煤塵濃度。因此,水力壓裂增透,提高煤層的透氣性對有效開展煤礦瓦斯治理工作的重要技術(shù)保障,對煤礦瓦斯治理具有重要的意義。

2 水力壓裂工藝流程

2.1 壓裂前瓦斯參數(shù)測試

為了對比水力壓裂的效果,確定注入水量、壓裂半徑、鉆孔深度的關(guān)系,增強井下鉆孔水力壓裂的實用性和適用性,在壓裂前后需進(jìn)行以下的參數(shù)測試:煤層瓦斯含量、鉆孔瓦斯自然流量、抽采流量和單孔濃度、鉆孔流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)、水分、△p、f值等相關(guān)參數(shù)。

2.2 壓裂半徑參數(shù)選取

為了確定水力壓裂有效半徑,在北一13-1軌道下山施工的壓裂鉆孔,如圖1所示,壓裂后施工半徑分別為4 m、8 m、12 m、16 m、20 m的穿層檢驗鉆孔,其中1個壓裂孔、5個效果檢驗孔、4個抽采孔、2個抽采效果考察孔,共計12個鉆孔。對壓裂孔進(jìn)行注水壓裂直至壓力表水壓達(dá)到20 MPa后,注水壓力下降30%以上或者巷道出水為止,最終施工檢驗孔確定壓裂半徑。

圖1 北一13-1軌道下山施工的壓裂鉆孔

2.2.1 水力壓裂半徑的確定

采用20 MPa的高壓水對壓裂鉆孔進(jìn)行注水,后注水壓力下降30%以上或者鉆孔流水、巷道壁掛汗為止,然后施工1#、2#、3#、4#、5#考察孔,測定煤層的水分、自然流量、瓦斯含量、f值等參數(shù),確定壓裂半徑。

2.2.2 抽采鉆孔考察

確定壓裂半徑后,在壓裂半徑內(nèi)4 m、8 m、12 m和16 m施工4個抽采鉆孔,考察鉆孔的自然流量、衰減系數(shù)、殘存瓦斯含量、抽采濃度、單孔流量(抽采效果考察結(jié)束后打鉆取煤樣測定殘存瓦斯含量)等參數(shù)。

2.2.3 抽采效果的考察

在距離壓裂鉆孔6 m和10 m處分別施工兩個抽采效果考察孔,測定煤層的殘存瓦斯含量、煤層水分、殘余瓦斯壓力等參數(shù),考察壓裂后抽采的效果。

2.2.4 鉆孔參數(shù)及封孔工藝

鉆孔參數(shù)及封孔工藝,見表1。

2.2.5 壓裂鉆孔封孔工藝

水力壓裂鉆孔采用三次注漿進(jìn)行封孔,首先用Φ133 mm鉆頭施工8 m,下4吋套管,一端焊接高壓法蘭盤,注漿凝固24 h;用Φ94 mm鉆頭施工至距13-1煤法距1 m,進(jìn)行二次注漿,待凝固24 h;再用Φ94 mm鉆頭施工至穿透13-1煤層1 m止,下1吋高壓注水管至孔底,最前端1 m采用花管,進(jìn)行注漿封孔,待凝固24 h后,注水壓裂。

表1 鉆孔施工參數(shù)

2.3 壓裂效果對比

壓裂前:在目標(biāo)試驗地點施工施工壓裂鉆孔測試單孔鉆孔瓦斯流量、鉆孔流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)等對比參數(shù)。

壓裂后:在目標(biāo)煤層壓裂后測試并計算檢驗孔鉆孔瓦斯流量、鉆孔流量衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)、測定煤層的殘存瓦斯含量、煤層水分等對比參數(shù)。

2.4 注水系統(tǒng)連接

水力壓裂注水系統(tǒng)由乳化液泵、水箱、壓力表、流量表、高壓管路、閥門、接頭等組成,如圖2所示。

圖2 水力壓裂注水系統(tǒng)

乳化液泵選用無錫威順煤礦機械有限公司產(chǎn)額定壓力為35 MPa、額定流量為80 L/min的BRW80/35X4A型煤礦用乳化液泵。為便于操作和控制,乳化液泵安裝有壓力表、水表及卸壓閥門等附件,水箱公稱容量為640 L。

3 水力壓裂前煤體瓦斯參數(shù)

注水前,對所試驗煤體的瓦斯含量、瓦斯壓力以及衰減情況進(jìn)行了分析,見表2。注水前煤層的可解析的瓦斯量僅占煤層的瓦斯含量的21.3%,瓦斯壓力上升的也比較快,但是可抽采游離態(tài)的瓦斯衰減十分迅速,每天衰減率達(dá)40%左右。兩者的變化曲線分別如圖3、圖4所示。

表2 北一13-1軌道下山2#壓裂孔瓦斯含量

圖3 注水前瓦斯壓力曲線

圖4 注水前單孔瓦斯自然流量衰減曲線

4 水力壓裂后煤體瓦斯參數(shù)

4.1 壓裂孔注水參數(shù)表

試驗過程中,當(dāng)壓裂孔注水至630 min時,巷道頂部及錨索眼開始滲水,但注水壓力可以保持穩(wěn)定,沒有明顯的衰減,當(dāng)注水至800 min時,壓裂孔周邊至前后30 m的巷道壁出現(xiàn)掉漿皮,部分錨索眼有較為明顯的淋水。具體參數(shù)見表3。

表3 北一13-1軌道下山2#壓裂孔注水參數(shù)

4.2 水力壓裂效果

4.2.1 壓裂前后單孔抽采量的變化

在13-1軌道下山同樣孔徑、孔深的條件下,分別對水力增透前、后瓦斯抽采量隨時間的變化情況進(jìn)行對比。為了保證局部和整體效果,在考察范圍內(nèi),分別選壓裂前、后一個單孔和一組(7個)鉆孔,在20 d內(nèi)的抽放情況進(jìn)行統(tǒng)計、分析對比,同時對考察的鉆孔安設(shè)孔板流量計,每天派專人定時記錄負(fù)壓、流量、濃度,并根據(jù)公式:Q純=1/9.81/2(k(Δhx)1/2)(其中Q為瓦斯純量,k為孔板校正系數(shù),Δh為流量壓差Pa,x為瓦斯?jié)舛?計算瓦斯抽采量,并繪制變化曲線,如圖5所示。

圖5 增透前、后單孔抽采量隨時間變化曲線

4.2.2 增透前后單孔抽采量的變化

增透前單孔最大瓦斯?jié)舛?5%,瓦斯最大抽采量0.008 68 m3/min,20 d累計抽采量0.035 37 m3/min,衰減周期7 d左右。增透后單孔最大瓦斯?jié)舛?6%,最大瓦斯抽采量0.014 4 m3/min,20 d累計抽采量0.201 8 m3/min。如圖6所示。

圖6 增透前、后鉆孔平均抽采量隨時間變化曲線

4.2.3 增透半徑、水分增加率變化

增透前通過打鉆取樣化驗煤體原始水份含量為1.14,增透后距增透孔每8 m分別施工一個效檢孔和抽采孔,送化驗室化驗水含量,根據(jù)數(shù)據(jù)得出水含量變化曲線如圖7所示。

圖7 水含量變化曲線

根據(jù)化驗結(jié)果顯示,煤體水含量在1.25～3.80之間,其中距壓裂孔50 m處鉆孔內(nèi)煤體水含量為1.12,接近原始水份含量為1.14,而顧橋礦已測定的抽采半徑為10 m,因此可以確定在24 MPa下進(jìn)行壓裂后的壓裂半徑為20～30 m。

5 結(jié)語

煤層通過水力壓裂增大了瓦斯流量和提高濃度,從而提高抽采量。在壓裂注水期間,煤體被破碎,裂隙溝通,游離瓦斯被高壓水驅(qū)替,并隨著水流沿孔隙向抽采鉆自由空間涌出,瓦斯涌出量呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象;水力壓裂措施后,煤體破碎,煤中原有裂隙敞開并溝通,煤的透氣性增加,瓦斯抽采量增加。其效果表現(xiàn)在:通過水力壓裂,增大鉆孔的抽采半徑;通過水力壓裂,增大煤層的透氣性,提高抽采效率;通過水力壓裂,提高鉆孔抽采濃度,縮短抽采時間。

[1] 孟燕,蔣曙光,邵昊,等.煤層瓦斯壓力測定方式及新的探索[J].能源技術(shù)與管理,2009(6): 63-65.

[2] 于不凡.煤和瓦斯突出機理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1985.

[3] 曲榮飛,蘭澤全.間接法測算煤層瓦斯壓力現(xiàn)狀[J].煤礦安全,2009(8):86-89.

[4] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.

Application Analysis of Hydraulic Fracturing Anti-Reflection Technology

GAO Biao,BAI Yun-fei,WU Wei
(Guqiao Coal Mine,Huainan Minin g In dustry Group, Huainan Anhui 232174)

Hydraulic fracturing antireflection technique is applied to increase the gas permeability of coal seam,the flow of gas,and gas drainage volume when drilling in coal seam of low permeability,and to guarantee the drainage effect.By comparing different practice results,it is found that the application of hydraulic fracturing technique can increase the permeability of coal seam and gas flow,and greatly broaden the effective drainage radius of drilled holes,increase drainage intensity and volume,eliminate the harms of gas to the largest extent.

hydraulic fracturing; permeability; permeability increasing

TD712

B

1671-4733(2015)01-0001-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.01.001

2014-10-09

高標(biāo)(1978-),男,安徽淮南人,助理工程師,從事一通三防管理工作,電話:13695546468。