低渗煤层井下水力压裂增透技术应用研究

史小卫 林 萌 王思鹏

(河南省煤层气开发利用有限公司,河南省郑州市,450016)

低渗煤层井下水力压裂增透技术应用研究

史小卫 林 萌 王思鹏

(河南省煤层气开发利用有限公司,河南省郑州市,450016)

阐述了井下水力压裂的技术原理,介绍了配套的井下施工装备及应用结果。结果表明,河南煤化集团鹤煤公司六矿2115掘进工作面经水力压裂后,效检超标率降至26%,有效掘进时间大幅增加,掘进速度平均提高了2倍以上;给出了三种抽采方式下的经济效益对比分析情况,瓦斯井下压裂抽采吨煤瓦斯治理成本仅为4.8元。

瓦斯治理 低渗透煤层 水力压裂

我国煤矿瓦斯抽采效果总体不佳,主要受限于煤层的低透气性和煤层松软的结构特点,故提高松软煤层的透气性是亟待解决的难题。地面煤层气井上压裂能够大规模地改善煤层透气性差的问题,但一次性投入较大,排水降压采气周期较长,不能满足煤矿生产的要求,而且地面开发技术目前还局限于原生结构保存较完好的煤层中。井下钻孔预抽煤层瓦斯适用于开采单一煤层和煤层群开采首采突出矿井,其技术途径主要有两个:(1)通过预先松动原始煤体提高煤层的透气性,如水力割缝、大直径钻孔预抽本煤层瓦斯和保护层开采技术等;(2)采用合理布孔实现本煤层边采边抽的卸压抽采,如穿层网络钻孔、顺层交叉钻孔或迎面斜钻孔布孔方式等。以上技术均取得了一定效果,但如果煤层赋存地质条件特殊时,采用这些技术松动卸压的范围不足以达到区域增透的目的,对此,本文对煤层水力压裂增透技术进行了应用研究,以期解决特殊地质条件下低渗松软煤层增透难题。

1 技术原理

在成煤过程中,煤层中发育了大量原生裂隙和孔隙,同时由于构造挤压,在煤层内部产生了一系列与层面呈一定角度相交的构造裂隙,称为切割裂隙。在原始状态下的煤层层理、割理裂隙、原生微裂隙、孔隙存在的规模和尺度存在差异,这些裂隙弱面所在平面与原岩应力场中主应力方向之间的空间位置关系不同,导致了裂隙的连通程度不同,这决定了煤层透气性的好坏。

煤层水力压裂增透技术,即利用水的不可压缩性,在煤层各弱面内对壁面进行支撑,使弱面发生张开、扩展和延伸,对煤层形成内部分割。在层理或切割裂隙张开度增大的过程中,其张开壁面的切向拉应力增加。当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的原始应力之和时,将在该位置处发生次级弱面起裂,水在压力作用下进入其中,同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程,依此规律反复发展下去,直至达到煤分层中的微裂隙,水便达到对煤层的逐级分割作用。这种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加了裂隙等弱面的空间体积,提高层理或切割裂隙的张开度和导通性;另一方面通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通,从而形成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种裂隙连通网络的形成,煤层透气性才得到有效提高。

2 井下压裂施工装备

煤矿井下压裂系统由高压压裂泵、水箱、流量表、压力表、高压管路和封孔器等组成,见图1。

图1 压裂系统布置示意图

压裂泵采用三缸柱塞泵,最大工作压力50 MPa,最大工作排量1.5 m3/min,具有多档变速的特点,可以实现压力和泵排量等参数的瞬时数据实时记录和历史曲线显示的功能,集成了安全保护限值的功能,实现了超负荷运转自动卸载。同时研发了远程监控系统,对压裂现场和设备进行了远距离监视监控,使操作人员在环境较好且安全系数较高区域实时监控,保证压裂施工能安全可靠运行。

3 工业性试验

本系统先后在河南省的平顶山、鹤壁、郑州、焦作、陕渑—义马—新安、宜洛和禹县等矿区共实施了千余次的工业性试验,基本涵盖了河南省不同地质类型的矿区。

3.1 回采工作面水力压裂

中平能化集团十矿是河南省瓦斯涌出量最大的矿井。主采煤层属难抽采煤层,原始煤层渗透率0.0013 mD,常规钻孔瓦斯抽采衰减期不超过10天,平均单孔瓦斯流量仅2 m3/d。

己15-24080机巷走向长800 m,共完成了压裂36孔次,高位巷完成压裂11孔次。经过井下压裂改造后,施工本煤层钻孔130个,穿层钻孔200个,累计并网抽采钻孔 277个,钻孔总长度25000 m,吨煤钻孔长度达到0.048 mt。实测压裂后透气性系数0.15 mD,单孔瓦斯流量最高780 m3/d,最低25 m3/d,平均200 m3/d,经过28个月的连续抽采,至2011年2月份仍然有较大的抽采量,见图2,工作面平均日抽采量为1340 m3/d,累计抽出瓦斯量约110万m3,吨煤抽出瓦斯量约2 m3/t,相当于成功的地面煤层气井的产气量。

图2 中平能化集团十矿24080工作面机巷抽采支管瓦斯抽采情况

3.2 掘进工作面水力压裂

河南煤化集团鹤煤公司六矿2115工作面进风巷设计全长516 m,采用钻场抽采或超前排放钻孔进行边掘边抽的方式,每个钻场布置12个抽采孔,单孔平均瓦斯日抽采量23.3 m3/d。自2006年5月开始掘进至2009年6月,由于预抽效果不达标,措施效检超标率达到70%,措施重复率高,有效掘进时间短,累计掘进286 m,月平均进尺仅13.6 m。

2009年6月,该技术开始在鹤煤公司六矿2115工作面进风巷成功应用。压裂后,各压裂孔瓦斯抽采数据明显提高,压裂孔单孔的瓦斯抽采量就和压裂前整个钻场的瓦斯抽采量相当,煤体压裂前后瓦斯抽采量见表1。

表1 煤体压裂后瓦斯抽采量

在同样的抽采负压、抽采管路情况下,单孔日抽采瓦斯量达到190.9～1021 m3/d,为压裂前最大日抽采量的7.7～41.3倍。由于压裂孔抽采量的增加,进风巷瓦斯抽采总管道浓度由原来的15%升至22%。压裂孔抽采量明显提高,为巷道掘进提供了安全保障。截止2010年7月,该工作面压裂后效检超标率平均26%,大幅增加了有效掘进时间,掘进速度平均提高了2倍以上,实现了安全贯通。

4 经济效益分析

为尽量避免由单孔抽采量差别导致计算数据误差较大的问题,对比对象均选取一定区域的总量进行考察,如井下以整个回采工作面抽采支管考察数据为准,地面煤层气井选取1 km2的13座煤层气垂直井产气量为考察范围。井下抽采钻孔施工成本以100元/m计,井下压裂成本以10万元/孔次计,煤层气井单井单层压裂施工成本以30万元计,排采成本为年运营成本(含电费、人工工资等)15万元/a,排采设备费用以50万元/套计。核算的吨煤瓦斯治理成本分别为:井下压裂抽采4.8元/t,常规抽采12.8元/t,地面压裂预抽8.2元/t,因此,井下压裂治理瓦斯可有效降低瓦斯治理投入,有效改善抽采效果。以平煤十矿己15-24080采煤工作面、戊9-20180采煤工作面以及山西晋城地区地面煤层气井为例,分别对在采煤工作面井下压裂抽采、不压裂抽采,以及地面抽采进行应用参数对比,见表2。

表2 井下压裂技术参数对比

5 结语

煤矿井下水力压裂增透技术是针对单一、松软、低渗煤层的具体特点,在煤矿井下已布置的巷道内,对未采区和采动影响区实施压裂增透措施,能够有效连通煤层内的原生裂隙和构造割理,提高裂缝的连通性和导流能力,从而大幅度增加煤层透气性,经过大规模的工业性试验应用证明,该技术能有效提高钻孔瓦斯抽采效率,降低区域瓦斯治理措施工程成本,提高瓦斯治理工程功效。同时还存在如下难题需要进一步攻关研究:(1)针对大采长工作面的长钻孔分段压裂技术仍需要进一步攻关研究;(2)煤矿井下水力压裂增透为高危行业中的高压作业,当前相关的行业标准尚未颁布实施,缺乏指导性的作业规范和市场准入门槛标准。

[1]张铁岗.矿井瓦斯综合防治技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001

[2]何学秋,周世宁.煤和瓦斯突出的流变机理[J].煤矿安全,1992(1)

[3]刘鹤年.流体力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001

(责任编辑 梁子荣)

Hydraulic pressurized cracking and permeability improvement technology applied to low permeability coal seam

Shi Xiaowei,Lin Meng,Wang Sipeng
(Henan Provincial Coal Seam Gas Development and Utilization Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan 450016,China)

The principle of hydraulic pressurized cracking technique was discussed and the support equipments for the construction in the pit were developed and applied to the coalmine.The results show that the over limit rate of the gas effect inspection index was reduced to 26%after hydraulic pressurized cracking on No.2115 working face in No.6 Mine of Hebi Mining Corporation,Henan Coal Chemical Industry Group.The effective driving time was greatly prolonged.The driving rate was over 2 times higher than previous in average.The economic analysis of three kinds of gas drainage teehnics shows that the cost for gas drainage by hydraulic pressurized cracking is RMB 4.8 yuan/t.

gas control,low permeability coal seam,hydraulic pressurized cracking

TD712.62

A

史小卫(1982-),男,河南焦作人,工程师,硕士,主要从事煤矿瓦斯防治和煤层气勘探开发研究工作,现任河南省煤层气开发利用有限公司矿山安全工程分公司总工程师。