穿層鉆孔水力壓裂增透技術(shù)試驗(yàn)研究

羅勇 鄧東生

摘要：張集煤礦13-1煤為深埋高地應(yīng)力松軟低透煤層，瓦斯預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)且殘余瓦斯含量超標(biāo)，為提高煤層透氣性，提高瓦斯抽采效率，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)低透氣性煤層水力壓裂增透理論及技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：試驗(yàn)區(qū)域經(jīng)水力壓裂后，煤體瓦斯壓力由原始煤體瓦斯壓力1.05MPa降低至0.5MPa，煤層透氣性系數(shù)提高了6.17倍，水力壓裂影響半徑沿傾向35m、沿走向50m，且目標(biāo)區(qū)域煤層瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間相比未壓裂時(shí)縮短了35.8%，穿層鉆孔水力壓裂起到很好的增透增流效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；增透；穿層鉆孔；瓦斯抽采；目標(biāo)區(qū)域

中圖分類號(hào)： TE357.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2017）04-0071-06

Abstract：The 13-1 coal of Zhangji coalmine is a coal seam with deep and high stress and soft low permeability， thus the gas pre-extraction time is long and the residual gas content exceeds the level of standard. In order to improve coal seam permeability and gas extraction efficiency， a study was conducted on the permeability improvement theory of hydraulic fracturing and its technology application by means of theoretical analysis and field test in 13-1 coal seam.The results show that the permeability coefficient of 13-1coal seam after hydraulic fracturing was increased by 6.17 times to compare with that before hydraulic fracturing， and its gas pressure was decreased to 0.5 MPa from the original coal gas pressure 1.05MPa， with hydraulic fracturing radiuses in dip direction as 35m， and hydraulic fracturing radiuses in coal seam strike as 50m.The gas extraction time was reduced by 35.8% compared with the time before hydraulic fracturing. The hole drilling hydraulic fracturing has a good effect on increasing the permeability and gas flow of coal seam.

Key words：hydraulic fracturing； permeability-increasing； layer-through borehole； gas extraction； target region

隨著煤礦開采深度的增大，煤層透氣性越來越差，瓦斯的抽采也越來越困難。目前國(guó)內(nèi)外都在大力研發(fā)煤層氣抽采增透技術(shù)，主要技術(shù)手段包括保護(hù)層開采等煤層外卸壓增透措施，爆破增透、水力增透等煤層內(nèi)強(qiáng)化增透措施[1-2]。近年來，煤礦井下煤層水力壓裂增透的研究取得了很大進(jìn)展，文獻(xiàn)[3]通過考慮地應(yīng)力和煤巖的力學(xué)參數(shù)，利用模擬的方法分析了裂隙的發(fā)育和產(chǎn)生。文獻(xiàn)[4]提出了煤層脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)，分析了脈動(dòng)水作用下煤體的疲勞損傷破壞特點(diǎn)及高壓脈動(dòng)水楔致裂機(jī)理。文獻(xiàn)[5]通過分析水力壓裂裂隙擴(kuò)展問題，有效地提高了水力壓裂的效率。文獻(xiàn)[6]總結(jié)了以往的裂隙模型，建立了煤儲(chǔ)層的裂隙模型。文獻(xiàn)[7]考慮了煤巖裂隙發(fā)育的問題，有效的分析預(yù)測(cè)了煤巖的起裂壓力。

然而，理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也表明盡管采用水力壓裂對(duì)中硬及硬煤層進(jìn)行增透改造具有較大優(yōu)勢(shì)，但由于松軟低透煤層賦存條件、物理力學(xué)特性、應(yīng)力環(huán)境等與中硬及硬煤層具有顯著差異，以至在松軟低透煤層中實(shí)施的水力壓裂效果參差不齊[1-2，8-9]。因此，本文選定以松軟低透為典型特征的張集礦13-1煤層進(jìn)行穿層鉆孔水力壓裂試驗(yàn)，對(duì)低透氣性煤層水力壓裂增透理論及技術(shù)進(jìn)行研究，以期為礦區(qū)深部開采安全產(chǎn)生提供技術(shù)保障，并為其它類似礦區(qū)提供參考。

1試驗(yàn)區(qū)概況

張集煤礦東二采區(qū)13-1煤層標(biāo)高-577.7～-644.7m（地面標(biāo)高約+23 m，煤層埋深約為600～670m）。13-1煤層平均厚2.2m，傾角平均4°，硬度系數(shù)約為0.5。煤層底板5.8m處發(fā)育有一條薄煤層，平均厚度0.4m；底板14～38m處發(fā)育1～2層花斑泥巖，單層厚約4.8～11.3m。東二采區(qū)13-1膠帶機(jī)下山位于13-1煤層底板，巷頂距13-1煤層法距為28～21m，該巷北部地區(qū)地層為走向轉(zhuǎn)折端，巖（煤）層產(chǎn)狀為100～110°∠2～5°。該區(qū)域位于謝橋向斜北翼，為一單斜構(gòu)造，經(jīng)測(cè)定，該區(qū)域原始煤體的煤層透氣性系數(shù)為0.050 99m2/（MPa2·d），煤層瓦斯壓力為1.05MPa，瓦斯含量為5.71m3/t。

2水力壓裂試驗(yàn)

2.1壓裂孔布置

根據(jù)淮南礦區(qū)的水力壓裂工程實(shí)踐及張集礦揭煤區(qū)域煤巖地質(zhì)條件（見圖1），本次壓裂試驗(yàn)壓裂半徑按40m進(jìn)行設(shè)計(jì)（待壓裂后進(jìn)行考察，以實(shí)際值指導(dǎo)后續(xù)壓裂工程），共設(shè)計(jì)1#～4#共4個(gè)壓裂孔，均為上向穿層孔，止于13-1煤層頂板以上0.5m，封孔采用多次帶壓注漿，壓裂孔注漿至進(jìn)入13-1煤層0.5m位置處。圖1水力壓裂鉆孔布置圖

2.2水力壓裂參數(shù)

1） 煤層起裂壓力

式中：k為煤體孔隙率，13-1煤平均孔隙率2.3%；Vn、re為壓裂水影響體積、影響半徑，m3、m；M為煤層厚度，取2.2m；Vc為管道（高壓水管）和鉆孔所需水量，m3；Vg、rg、hg分別為管道所需要水量、管道半徑和管道長(zhǎng)度，m3、m、m；Vk、rk、hk分別為充滿鉆孔所需水量、鉆孔半徑和鉆孔長(zhǎng)度，m3、m、m。

本次壓裂試驗(yàn)按re=40m進(jìn)行設(shè)計(jì)，孔深26～35m（hk），孔徑為75mm（rk）。根據(jù)井下實(shí)際情況，壓裂泵安裝地點(diǎn)只能位于東二采區(qū)13-1膠帶機(jī)巷處，距最遠(yuǎn)鉆孔500m，即hg最大可取500m，采用內(nèi)徑為25mm（rg）的高壓膠管。

根據(jù)上述基本參數(shù)，計(jì)算得到單孔壓入水量約為255m3。

3） 壓裂設(shè)備

根據(jù)淮南礦區(qū)以往井下水力壓裂增透技術(shù)工程經(jīng)驗(yàn)：一般單孔持續(xù)壓裂時(shí)間可達(dá)10h（甚至斷續(xù)可達(dá)20～30h），按持續(xù)注水10h計(jì)算，則單孔注水量255m3需保證壓裂泵流量不小于425L/min。

另外，淮南礦區(qū)井下水力壓裂增工程經(jīng)驗(yàn)，采用內(nèi)徑為25mm的高壓軟管，由于流量較大，其壓力損失可達(dá)0.009MPa/m，也就是說，500m長(zhǎng)內(nèi)徑為25mm的管路損失可達(dá)4.5MPa。根據(jù)前文得到的13-1煤層起裂壓力最小值19.5MPa，泵的輸出壓力不得小于24 MPa。

同時(shí)，考慮管道接頭處漏水、管路變徑、彎曲壓折等局部阻力原因，本次水力壓裂試驗(yàn)選用一臺(tái)型號(hào)為BRW500/31.5的乳化液泵配一臺(tái)SX3000Ⅱ型水箱。該泵公稱壓力為31.5MPa、公稱流量為500L/min，工作電壓1 140/660V，選用Φ25mm的KJR51-8高壓膠管。

3水力壓裂試驗(yàn)實(shí)施過程及分析

3.1水力壓裂實(shí)驗(yàn)

僅對(duì)1#壓裂孔進(jìn)行敘述。1#壓裂孔從2014年7月29日10點(diǎn)16分開始?jí)毫眩瑝毫χ鸩缴仙?0點(diǎn)31分壓力達(dá)到最大值12.53MPa，之后壓力略有下降并隨之在12MPa左右波動(dòng)，20點(diǎn)整停止壓裂，此時(shí)壓力為12.12MPa，注水量60t。7月30日15點(diǎn)30分開泵繼續(xù)壓裂，孔口壓力最大為14.17 MPa，20點(diǎn)03分停泵，此日累計(jì)注水量30t。7月31日至8月2日又進(jìn)行了3次壓裂，孔口壓力較穩(wěn)定，于15MPa左右波動(dòng)，8月2日19點(diǎn)30分壓裂孔左右20m范圍內(nèi)巷道頂板出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，于是停止本次1#壓裂孔壓裂工作?？卓趬毫η€如圖2所示。注水結(jié)束后的保壓過程中孔口壓力下降較緩慢。1#壓裂孔壓裂累計(jì)注水量總共約261t（稍大于計(jì)算值255m3），壓裂整個(gè)過程中未出現(xiàn)其他異常現(xiàn)象。從圖2可以看出，實(shí)際起裂壓力小于理論結(jié)算結(jié)果，是由于計(jì)算時(shí)未考慮孔隙壓隙面以及不同程度的裂隙、上覆巖層的支撐力、參數(shù)選取偏大、煤層中存在許多原生裂作用等多方面原因造成的，是符合工程實(shí)際的[8]。

3.2水力壓裂效果考察

1） 考察鉆孔布置

水力壓裂效果考察鉆孔布置如圖3所示（傾向：鉆孔編號(hào)為a#，走向：鉆孔編號(hào)為b#）。其中，a2#和a9#鉆孔兼作測(cè)壓孔，各考察孔及測(cè)壓孔后期當(dāng)作抽采鉆孔使用。

2） 水力壓裂區(qū)域瓦斯參數(shù)測(cè)定

瓦斯壓力測(cè)定。水力壓裂后煤層瓦斯壓力曲線如圖4所示。測(cè)壓第5天時(shí)，壓力表壓力值達(dá)到0.50MPa，之后連續(xù)觀測(cè)四天后壓力值不再變化。即本次水力壓裂13-1煤后，測(cè)壓鉆孔測(cè)得的最大的瓦斯壓力為0.50MPa，相比原始煤體瓦斯壓力1.05MPa大幅度降低。

瓦斯含量及含水率測(cè)定。壓裂前后含水量及瓦斯含量變化如表1所示?？梢钥闯?，經(jīng)過水力壓裂后該區(qū)域瓦斯含量明顯降低到3.83～4.76m3/t（原始瓦斯含量為5.71m3/t）；壓裂孔附近部分鉆孔煤層含水率升高明顯，距壓裂孔傾向35m、走向50m范圍以內(nèi)煤層含水率明顯高于原始煤體含水率1.92%，由此判斷1#壓裂孔水力壓裂影響半徑沿13-1煤層傾向達(dá)35m、沿走向達(dá)50m。

3） 透氣性系數(shù)計(jì)算

根據(jù)煤層徑向不穩(wěn)定流動(dòng)理論結(jié)合原始瓦斯壓力、煤層瓦斯含量及鉆孔參數(shù)確定其透氣性系數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，經(jīng)水力壓裂后的煤體的煤層透氣性系數(shù)為0.365 6m2/（MPa2·d），較壓裂前13-1煤層透氣性系數(shù)提高了6.17倍。

4） 抽采效果考察

壓裂區(qū)瓦斯抽采平均濃度稍低于未壓裂抽采濃度，但其百孔抽采量最高達(dá)到1.19m3/min，平均百孔抽采量為0.52m3/min，相比未壓裂區(qū)域平均百孔抽采量0.42m3/min提高了約23.8%；單孔抽采純量由壓裂前的0.006 7m3/min提高到壓裂后的0.009 8 m3/min，提高了46.3%，抽采效果提升明顯。抽采濃度及抽采量變化曲線如圖5所示。

未壓裂考察單元走向長(zhǎng)70m，瓦斯含量為5.71m3/t，單元瓦斯儲(chǔ)量14.61萬(wàn)m3，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間為69天；壓裂考察單元走向長(zhǎng)90m，瓦斯含量為4.76m3/t，單元瓦斯儲(chǔ)量16.22萬(wàn)m3。預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間為45天，相比未壓裂單元提前了24天，預(yù)抽時(shí)間同比縮短了35.8%。

4結(jié)論

1） 對(duì)含瓦斯煤體實(shí)施高壓水力壓裂后，試驗(yàn)區(qū)域煤層瓦斯含量由原始含量5.71m3/t降低到3.83～4.76m3/t。

2）經(jīng)水力壓裂后，13-1煤層透氣性系數(shù)由0.050 99m2/（MPa2·d）提高到0.365 6m2/（MPa2·d），透氣性系數(shù)提高了6.17倍。

3）抽采效果提升明顯：?jiǎn)慰壮椴杉兞坑蓧毫亚暗?.006 7m3/min提高到壓裂后的0.009 8m3/min，提高了46.3%；平均百孔抽采量0.42m3/min提高到0.52m3/min，提高了23.8%；預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間相比未壓裂單元提前了24天，預(yù)抽時(shí)間同比縮短了35.8%。

4） 經(jīng)過水力壓裂后，測(cè)壓鉆孔測(cè)得的最大的瓦斯壓力為0.5MPa，相比原始煤體瓦斯壓力1.05MPa，大幅度降低。

5） 經(jīng)水力壓裂后，壓裂孔附近煤層含水率明顯升高，得出水力壓裂影響半徑沿傾向方向達(dá)35m，沿走向方向達(dá)50m。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）