本煤层钻孔水力压裂增透技术研究

王珂

（山西煤矿矿用安全产品检验中心，太原 030012）

本煤层钻孔水力压裂增透技术研究

王珂

（山西煤矿矿用安全产品检验中心，太原 030012）

为了解决五阳煤矿煤层瓦斯含量高、煤层透气性低、瓦斯抽采效率低下的问题，在7806上巷进行了水力压裂增透现场试验，对本次压裂选择合适的配套设备，对水力压裂的工艺流程进行合理的分析说明，提出了一种新型的封孔方法“倾斜布袋式带压封孔技术”。该封孔技术满足压裂孔的封孔质量标准；对2号孔进行了重复压裂，对于3号孔进行了一次压裂，压裂后2号钻孔自然瓦斯流量是压前的3.79倍，瓦斯流量衰减系数降低56.65%，煤层透气性系数为压前的5.69倍，3号钻孔瓦斯流量是压前的3.57倍，瓦斯流量衰减系数降低69.04%，压后煤层透气性系数是压前的5.08倍；最后确定了本次水力压裂半径不小于11.7 m。

低透气性煤层；钻孔；水力压裂；瓦斯抽采

大量试验和理论研究表明，随着煤层开采深度的增加，地应力不断增加，煤层透气性系数随之减小，从而制约了煤层瓦斯的抽采效果，并在很大程度上影响了矿井的正常接替[1-3]。五阳矿井正面临着这样的问题，开采深度向深部延伸，煤层瓦斯压力、瓦斯含量与地应力大体呈线性增加，瓦斯灾害成为制约该矿安全、高效生产的第一因素，现行的瓦斯治理措施已难以满足高效生产的需求，迫切需要一种新型区域和局部治理工艺，以彻底改变目前抽采困难、采掘接替紧张的局面。水力压裂正是为了满足这一需求而诞生的一种集区域和局部瓦斯治理为一体的新工艺。该工艺将地面煤层气开发的成熟技术移植到井下，针对不同的煤体结构采用不同的压裂方案，以达到增透、提高抽采效率、缩短抽采时间的目的。

1 矿井概况

山西潞安五阳煤矿位于山西省襄垣县境内，根据矿井生产能力及煤层赋存条件，五阳煤矿现在仅开采3号煤层，目前共布置2个生产采区，即76和78采区。每个采区布置1个综采放顶煤工作面和4个掘进工作面。采煤方法为走向长壁后退式采煤法，生产方式为综采放顶煤。顶板管理方法为全面跨落法管理顶板。

本试验所在的7806工作面位于+600 m水平的78采区，绝对涌出量9.0 m3/min，瓦斯时常超限，对采掘生产产生了一定的影响，且会出现小型瓦斯动力现象。

2 水力压裂增透原理

水力压裂是利用高压水进入煤体，在煤体的孔隙-裂隙中借助煤壁弱面的支撑作用，高压水克服钻孔壁的摩擦阻力作用，压入速度大于水的滤失速度时，高压水的内水压力增大，达到煤壁的抗拉强度后，在裂隙尖端形成应力集中，使裂隙张开，并进入下一级弱面，产生更多的人为裂隙，使裂隙相互贯通并形成裂隙网络，增大煤体透气性，增加煤体吸附瓦斯的解吸作用，提高瓦斯抽采效果，降低了瓦斯含量及煤层所含的瓦斯压力[4-6]。

3 水力压裂试验情况

3.1 压裂地点

通过井下实地考察并结合参数测试结果及现场施工条件，选定7806上巷作为井下钻孔水力压裂的试验地点，本次压裂试验设置2个压裂孔和3个检验孔，钻孔布置位置示意，见图1。

图1 钻孔布置位置示意图

3.2 压裂设备及工艺

煤层水力压裂系统由压裂泵、流量计、压力表、封孔器等组成，煤矿井下钻孔水力压裂设备系统，见图2。

图2 煤矿井下钻孔水力压裂设备系统

本次压裂选用倾斜布袋式带压封孔技术，该方法的思路基于加压水泥浆渗入抽采孔壁裂隙，封闭裂隙提高封孔质量，防止钻孔漏气，提高抽采浓度和抽采效果，压裂钻孔施工完成后，对瓦斯压力、瓦斯含量及自然瓦斯流量进行测试，计算出压前百米钻孔瓦斯流量衰减系数和煤层透气性系数，压裂过程中，严格按照压裂规程及安全技术措施进行施工，对不同的时刻的注水压力值及注水流量进行数据记录，压裂钻孔附近布置甲烷传感器，并时刻观察压裂区域的瓦斯浓度、煤壁有无漏水及煤壁有无片帮及移动现象，压裂进行以后，先对压裂孔进行自然流量测试，并在压裂钻孔附近施工检验孔，对压前压后的瓦斯参数变化情况进行对比，分析压裂的效果。水力压裂工艺，见图3。

图3 水力压裂工艺图

3.3 压裂过程

3.3.13 号钻孔水力压裂

2013年8月12日，进行3号钻孔水力压裂试验，11∶50开始，13∶47结束，历时117 min，总注入水量约42 m3。本次压裂因安全销被切断而被迫终止。压裂结束后，现场技术人员发现距3号压裂孔约80 m处的底抽巷顶板漏水，表明煤层裂隙已经延伸并连通，本次压裂成功。3号钻孔压裂施工曲线（不包括洗孔过程），见图4。

图4 3号钻孔水力压裂施工曲线

3.3.2 2号钻孔水力压裂

1）2 号钻孔一次压裂。2013年8月14日，进行2号钻孔水力压裂试验，12∶00开始，14∶37结束，历时157 min，总注入水量约58.8 m3。2号钻孔压裂施工曲线（不包括洗孔过程），见图5。

图5 2号钻孔一次压裂施工曲线

2）2号钻孔二次压裂。为进一步提高水力压裂效果，2013年8月15日，进行了2号钻孔二次水力压裂试验，12∶06开始，14∶37结束，历时157 min，总注入水量约62 m3。2号钻孔二次压裂施工曲线（不包括洗孔过程），见图6。

图6 2号钻孔二次压裂施工曲线

3.4 水力压裂效果分析

2号、3号钻孔压前压后百米钻孔瓦斯流量用曲线图来表示，见图7。

图7 2号、3号钻孔压裂前后瓦斯流量曲线图

可以看出：对2号压裂孔而言，其压裂前自然瓦斯流量平均值为14.04 L/min，3号压裂孔压前的自然瓦斯流量为8.07 L/min，2号压裂孔压裂后自然瓦斯流量平均值为53.11 L/min，3号压裂孔压裂后自然瓦斯流量为28.84 L/min。采用井下钻孔水力压裂技术，2号钻孔自然瓦斯流量为压前的3.79倍，3号钻孔瓦斯流量为压前3.57倍，由于本次封孔严密压前及压后瓦斯浓度量均较高，基本达到纯量，故不对其自然浓度进行比较。

试验结果数据表明，对于2号压裂孔而言，压裂后钻孔瓦斯流量衰减系数降低56.65%，钻孔极限瓦斯排放量是压前的6.15倍；对于3号压裂孔而言，压裂后钻孔瓦斯流量衰减系数降低69.04%，钻孔极限瓦斯排放量是压前的1.63倍。

就压裂前后煤层透气性系数而言，对于2号压裂孔而言，压裂后煤层透气性系数为压前的5.69倍；对于3号压裂孔而言，压裂后煤层透气性系数是压前的5.08倍。

通过对检验孔的瓦斯流量、抽采量及打钻出水情况可以推测，本次水力压裂的压裂半径至少大于11.7 m。

4 结论

当注水压力为27～30 MPa时，水力压裂钻孔在煤层走向方向上的影响半径可达到11.7 m以上，压裂以后煤层的瓦斯流量、透气性能都得到了明显提高，钻孔的流量衰减系数得到一定程度的降低，从而降低或消除了一定范围内的突出隐患。压裂过程使煤体水分增加，对改善井下作业环境、控制粉尘浓度有一定作用。

[1]林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学，1988.

[2]赵阳升，杨栋，胡耀青，等.低渗透煤储层气开采有效技术途径的研究[J].煤炭学报，2001，26（5）：455-458.

[3]孙炳兴，王兆丰.水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用[J].煤炭科学技术，2010，38（11）：78-81.

[4]赵庆珍，冯海朝，王鹏.水力割缝对工作面煤壁与顶板稳定性的影响研究[J].山西煤炭，2010，30（6）：41-43.

[5]张国华.本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.

[6]李学臣.提高单一透气性煤层抽放效果的增透途径[J].煤矿安全，2011，42（4）：90-92.

Permeability Enhancement Technology by Hydraulic Fracturing for Boreholes in Single Coal Seam

WANG Ke
(Shanxi Mine Safety Products Testing Center,Taiyuan 030012,China)

To solve such problems as high content of gas,low permeability,and low efficiency of gas drainage,a permeability enhancement experiment was conducted at the upper roadway of No.7806.Corollary equipment and process of the hydraulic fracturing were explained.The paper proposes a new borehole sealing method,inclined sack-type pressurized sealing technology,which could satisfy the quality standards for the fracturing boreholes.No.2 borehole was fractured twice and No.3 borehole once.After fracturing No.2 borehole,its gas flow increased at 3.79 times,attenuation coefficient reduced by 56.65%, and permeability coefficient increased at 5.69 times compared the gas flow before fracturing.For No.3 borehole,its gas flow increased at 3.57 times,the attenuation coefficient reduced by 69.04%,and the permeability coefficient increased at 5.08 times.Finally,hydraulic radius is determined to be greater than or equal to 11.7m.

low permeability coal seam;borehole;hydraulic fracturing;gas drainage

TD712

A

1672-5050（2015）03-0031-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.011

（编辑：樊敏）

2015-03-10

王珂（1975-），女，山西阳泉人，大学本科，高级工程师，从事煤矿安全生产技术管理工作。