低透气突出煤层水力压裂增透技术应用研究

郭 峰

(中国平煤神马能源化工集团有限责任公司综合办公室,河南省平顶山市,467000)

低透气突出煤层水力压裂增透技术应用研究

郭 峰

(中国平煤神马能源化工集团有限责任公司综合办公室,河南省平顶山市,467000)

针对低透气性突出煤层瓦斯难以抽采的问题,在压裂机理研究的基础上,提出定向水力压裂增透技术并对影响裂隙定向扩展的因素进行分析。将该技术应用于平顶山矿区现场试验,结果表明,水力压裂前平均百米钻孔瓦斯流量为8.15×10-4m3/min,压裂后10 d内流量达到2.241×10-2m3/min,是压裂前的27.5倍,该技术对低透气性突出煤层起到均匀卸压作用,消除了煤与瓦斯突出危险性。

低透气煤层 突出煤层 水力压裂 瓦斯抽放

1 煤层水力压裂工艺

1.1 定向压裂技术研究

在井下水力压裂试验中,为控制煤体裂缝起裂、扩张的随机性,根据钻孔沿各层理弱面扩展机理的分析,研究开发了高压脉冲水射流割缝装置,形成了煤层“割缝-压裂”新技术,即通过在煤层中人工造缝,增加和改变煤层层理弱面方向,控制压裂裂缝发展实现定向压裂。现场试验中采用高压脉冲水射流割缝方式,在与煤层主裂隙垂直方向制造新裂隙,而后进行高压水力压裂,使煤层裂隙均匀发展,达到煤层定向压裂和整体卸压的目的。定向压裂作用下煤层裂隙网分布如图1所示。

图1 定向压裂作用下煤层裂隙网分布

压裂作用下煤层裂缝的扩展与煤的物理力学特性、断裂面和裂隙的分布、煤岩交界面状况等因素有关。通过研究平顶山矿区压裂现场煤体受力情况,分析煤体破裂和延伸方向。现场采用高压脉冲水射流在煤层中切缝并进行水力压裂,当煤体和顶底板的岩性特征相差较大时,通过调节压裂压力,能有效控制起裂和延伸方向。

研究表明,煤岩交界面状况对裂缝的扩展影响较大,同时认为可用抗剪强度来衡量交界面性质。弱界面能中止裂缝的扩展,而不受界面两边煤岩相对性质的影响,连接较强的交界面最终能使裂缝穿过界面而延伸到弹性模量较小的岩层。在地层深处煤岩处于三向压缩应力状态,作用在天然裂隙断裂面上的法向应力很大,裂隙多处于闭合状态,而且断裂面多被充填压实,水力压裂裂缝在多数情况下可以穿过这些弱面。

1.2 煤层水力压裂设备

煤层水力压裂系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔器、注水器等组成,各部分连接布置见图2。

图2 煤层水力压裂系统装置示意图

1.3 水力压裂参数设置

(1)注水压力选择。以平顶山十二矿为例,根据水力压裂试验区煤岩力学参数,经计算当注水压力大于28.8 MPa时,煤层在高压水作用下起裂,应变能开始释放。结合现场高压泵的实际平稳供压能力,最终将压裂压力保持在30.0 MPa。在压裂试验过程中,起始压力初步设定为15.0 MPa,在钻孔周边煤体湿润后逐步加压,直至注液压力达到30.0 MPa。

(2)压裂时间控制。压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关。注水过程中煤体逐渐被压裂破坏,各种孔裂隙不断沟通,高压水在已沟通的裂隙间流动时,注水压力和注水流量等参数不断变化,注水时间可根据压裂过程中压力及流量的变化来确定。若注水压力稳定一段时间后迅速下降,持续加压时压力无明显上升,或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时,说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂,此时即可停泵。

2 煤层水力压裂工业性应用

2.1 平顶山十二矿煤层水力压裂技术应用

(1)试验工作面概况。平顶山十二矿为煤与瓦斯突出矿井,开采煤层透气性差,瓦斯较难抽采。以十二矿己15-17200工作面为例,该工作面走向长1000 m,可采走向长750 m,工作面长220 m,标高为-495～-562 m,平均煤厚3.5 m,采高3.2 m,煤层倾角11～17°,煤层瓦斯压力为2.1 MPa,瓦斯含量约为24.35 m3/t,煤层瓦斯储量约1948万 m3。己15-17200工作面压裂孔布置见图3。

图3 十二矿己15-17200工作面压裂孔布置图

(2)煤层水力压裂抽采效果分析。在十二矿己15-17200工作面水力压力试验中,选取压裂区域10个本煤层抽放钻孔作为考察对象,对压裂前后瓦斯抽放情况进行统计。由于压裂前钻孔瓦斯浓度衰减速度快,为充分进行压裂前后效果的对比,取压裂前15 d的抽放参数进行分析。以压裂区域8#检测孔为例,压裂前后钻孔瓦斯抽放浓度变化见图4。

由图4可知,水力压裂前,8#检测孔最大瓦斯抽放浓度为14%,9 d后衰减为零。压裂后瓦斯浓度基本呈上升趋势,在考察期内最大浓度达27%,是压裂前最大浓度的2倍左右,而且还有增加趋势。

图4 己15-17200风巷8#检测孔抽放浓度曲线

对压裂前后各10 d内压裂区域10个抽放孔的瓦斯流量统计结果表明,水力压裂前平均百米钻孔瓦斯流量为8.15×10-4m3/min,压裂后10 d内达到2.241×10-2m3/min,是压裂前的27.5倍。可见煤层水力压裂增透效果显著,促进了瓦斯抽放流量的大幅提高。

(3)煤层水力压裂影响半径分析。压裂前通过在压裂区域打钻取样,化验得到煤体原始水份含量为1%左右,压裂后距压裂孔不同距离处施工钻孔,分别在钻孔20 m和40 m深度处进行取样并化验水含量。压裂后煤体水含量变化如图5所示。

由图5可知,压裂后煤体水含量在 1.2～2.89%之间,其中距压裂孔57 m处煤体水含量为1.2%,接近原始水份。综合分析确定水力压裂影响范围为43～52 m。

图5 己15-17200进风巷压裂后水含量变化曲线

2.2 平顶山十矿和十三矿水力压裂效果综合分析

平顶山十矿和十三矿均为煤与瓦斯突出矿井,为考察煤层定向水力压裂瓦斯抽采和消突效果,以十矿己15.16-24110工作面和十三矿己15.17-11070工作面为例,对压裂前后相关参数进行统计分析。工作面回采期间考察参数情况见表1。

表1 水力压裂前后回采工作面考察参数对比

通过压裂前后各参数的对比分析可知,水力压裂后煤层透气性系数和瓦斯抽采量急剧增加。回采过程中发现校检指标超标率大幅降低,粉尘产生量减少,并且减少了工作面浅孔排放钻孔和校检措施孔的工程量,大大提高了回采效率。

同时,采用单项指标法、多项指标法、残余瓦斯含量法和瓦斯预抽率等多种方法对实施定向水力压裂的工作面进行评价,结果表明,平顶山十矿己15.16-24110和十三矿己15.17-11070工作面经过压裂增透抽采,消除了突出危险性。

3 结论

(1)结合平顶山矿区煤层瓦斯抽放情况,为控制煤体裂隙扩展方向,提出煤层“割缝-压裂”定向致裂技术,通过对影响裂隙定向扩展的因素进行分析,经过现场试验形成了一套水力压裂工艺。

(2)将定向水力压裂技术应用于低透气性突出煤层,通过现场水力压裂应用可以大幅度提高煤层透气性,在煤体内形成大范围卸压区,消除了煤层突出危险性,达到突出煤层安全生产的目的。

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(责任编辑 梁子荣)

Application research of air-penetration improvement technology by hydraulic fracture to coal seams

Guo Feng
(General Office of China Pingmei Shenma Energy Chemical Group,Pingdingshan,Henan 467000,China)

Gas drainage is difficult to be implemented at the low air-penetration coal seams.To settle this issue,based on the study of fracture mechanism,the technology of directional hydraulic fracture is put forward to improve air penetration to coal seams,and analysis to the factors that influence the cracks development is made.This technology is applied on site trial at Pingdingshanmining area.The result indicates that,gas flow volume averagely per 100m hole before hydraulic fracture was 8.15×10-4m3/min,while it reaches 2.241×10-2m3/min after fractured,27.5 times of the previous figure.The technology has the function of releasing gas contained in the low air-penetration outburst coal seams,and it could eliminate outburst risks of coal and gas.

low air-penetration coal seam,outburst coal seam,hydraulic fracture,gas drainage

TD712.6

B

郭峰(1976-),男,陕西省山阳县人,工程师,学士,研究方向为煤矿通风与安全。