低透气性煤层水力压裂卸压增透技术

王立武

(山西省新景煤业有限公司)

低透气性煤层水力压裂卸压增透技术

王立武

(山西省新景煤业有限公司)

针对新景煤矿3#煤层瓦斯含量高、抽采效率低的难题，提出水力压裂技术。阐述了水力压裂增透技术的作用机理，分析了压裂后煤层透气性及抽采效果，结果表明：水力压裂增透技术在低透气性突出煤层能起到明显的增透、降尘作用，水力压裂影响区域内煤层透气性提高了26倍，煤层走向上的影响半径可达到40～60 m，达到了增大煤层透气性、提高瓦斯抽采效率的目的。

高瓦斯 低透气性 水力压裂 瓦斯抽采

近年来，随着我国矿井开采深度的增加和开采规模的扩大，煤层原始瓦斯含量和地应力不断提高，煤层及围岩的透气性越来越低，导致瓦斯抽采困难、钻孔施工周期长，严重影响矿井的正常生产和接替。因此，必须要提高煤层渗透率以达到预抽煤层瓦斯的良好效果。目前除了在工程上加大钻孔密度、延长抽放时间外，国内外对煤层的卸压增透技术主要有CO2深孔预裂爆破、开采解放层、煤层注水、大直径卸压钻孔等[1]，这些技术在一些矿井瓦斯治理中产生了一定的效果，但也都存在缺点。如CO2深孔预裂爆破设备昂贵，操作过程较为复杂，在煤与瓦斯突出煤层应用时常常会诱发突出，且在操作工艺上有高压危险[2]；开采解放层技术在突出矿井开采煤层群时，卸压增透效果非常明显，但对于单一低透气性煤层却一筹莫展；大直径卸压长钻孔对钻机性能要求较高，打钻时易出现卡钻、钻头和钻杆脱落等问题，且施工周期长，容易造成矿井正常接替紧张[3]。在低透气性煤层应用水力压裂技术，可以增加煤层裂隙，有效提高煤层透气性[4]，扩大煤层瓦斯抽采范围，瓦斯抽采量得到大幅提高。针对以上情况和新景矿3#煤层的具体特点，本文采用水力压裂技术解决瓦斯抽采困难的问题。

1 煤层概况

新景煤矿位于沁水煤田阳泉矿区西部，设计生产能力为5.00 Mt/a，开采3#、8#、15#煤层。3#煤层位于山西组中部，标高为+850～+230 m，最大埋深超过973 m，煤层平均厚2.26 m，属中厚煤层，为全区可采的稳定煤层；顶板主要为灰黑色沙质泥岩、粉砂岩或细砂岩，底板主要为黑灰色泥岩、炭质泥岩、灰褐色沙质泥岩及细砂岩；煤层透气性系数为0.018 8～0.137 7 m2/(MPa2·d)，钻孔百米流量衰减系数为0.068 7～1.594 2 d-1，较难抽放；煤层平均瓦斯含量为18.17 m3/t，瓦斯压力为1.3～2.26 MPa。

2 水力压裂增透技术机理

煤层水力压裂增透是将一定流量的高压水注入煤层中，在高压水作用下煤层产生裂隙并发育变宽、变长，瓦斯运移通道增多，使煤体渗透系数不断加大，有效提高煤层透气性[5-6]，从而提高瓦斯抽采效果。

破裂前的孔周应力状态分布为原始应力场和孔内流体压力[7-8]，应力状态见图1。

图1 原岩应力和内水压力作用下压裂孔周围应力状态

为了便于研究，假设煤层是各向同性弹性材料，只研究煤层在高压水作用下和外力作用下的应力分布情况。根据叠加原理和弹性力学相关知识，若以压应力为正，煤层在水力压裂和地应力双重作用下，内部任意点处的应力状态为

(1)

(2)

(3)

其中，

(4)

q0=γH ,

(5)

式中，σrr、σθθ、τrθ分别为煤层在水力压裂和地应力双重作用下钻孔内任意点的径向应力、切向应力、剪应力，kN；P为钻孔内水压，kN；r为任意点到钻孔中心的距离，m；θ为钻孔方位角，(°)；a为钻孔边界到中心点的距离，m；λ为侧向应力系数；n为常数；q0为铅垂应力，MPa；γ为岩层平均容重，kN/m3；H为煤层埋深，m。

要使煤层发生起裂，煤层内部某处煤的抗拉强度远小于抗压强度极限，即煤体断裂失效准则，可采用最大拉应力理论[9]，即

(6)

式中，σθ为切向应力，MPa；Rt为钻孔煤层周围某处抗拉强度，MPa。

引入地层应力系数k和原岩应力场中的侧向应力系数λ[10]，取方向角θ=0°，θ=90° 2种情况分析讨论，得修正后的孔壁起裂压力临界值为

qQ=min{k(3-λ)q0+Rt, k(3λ-1)q0+Rt} .

(7)

3#煤抗拉强度通过现场取煤样后进行劈裂实验；根据地质勘探资料显示，煤层上覆岩层主要是中细砂岩，因此，上覆岩层密度取中细砂岩的密度近似计算，各参数取值见表1。

表1 3#煤层起裂压力计算参数取值

由表1参数可计算得出λ=1.87，q0=21.054 MPa，qQ=20.73 MPa。

在水力压裂条件下，新景矿3#煤层孔壁起裂压力的临界值为20.73 MPa，即在注水压力达到20.73 MPa后，煤层开始破裂，产生裂隙。

3 压裂设备和压裂参数的选择

3.1 水力压裂设备选型

压裂系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔器等组成。注水泵选用额定压力为31.5 MPa，额定流量为315 L的BRW31.5/31.5型煤矿用乳化液泵，水箱容积为3 m3。在高压注水泵和管路上安装耐高压抗震压力表、矿用耐高压流量计及液压先导式溢流阀等附件，实时监测监控压裂过程中压力、注水量、注水时间等参数，保证压裂施工能安全运行。水力压裂装置示意见图2。

图2 水力压裂装置示意

3.2 水力压裂参数

3.2.1 注水压力

合理的注水压力能够快速、有效破裂松动煤体及围岩，改变煤体孔隙和裂隙的容积及煤体结构，排放煤体瓦斯，达到消突的目的[11]。根据经验和起裂压力公式计算，当注水压力值大于20.73 MPa时，3#煤层被压裂。根据现场情况和注水泵的特性，将最高注水压力设置在30 MPa，初始压力设计为15 MPa，根据钻孔注水流量变化慢慢加压，直到压力升到30 MPa。

3.2.2 注水量

注水量与注水压力、煤体结构有密切关系。在注水前期，注水压力和流量随注水时间呈线性升高；随后注水压力与流量反向变化，并呈波浪状。这直观反映出了在注水初期，具有一定压力和流速的压力水通过钻孔进入煤体裂隙，克服裂隙阻力运动。当注入的水充满裂隙后，水流动受到阻碍，由于煤体渗透性较低，导致水流量降低、压力增高而积蓄势能；当积蓄的势能足以破裂煤体形成新的裂隙时，压力水进入煤体新的裂隙，势能转化为动能，导致压力降低，水的流速增加；当注入的水携带煤泥堵塞裂隙时，煤体渗透性降低，水难以流动，流量下降，压力上升，压力达到临界值前停止注水。根据新景煤矿3#煤水分组成，此次压裂注入的高压水量要达到水力压裂影响区内煤体体积的2%～4%。

3.2.3 封孔参数

采用封孔泵压注水泥砂浆，封孔采用特种水泥，水泥要具有快速凝固、高强度、不收缩等特点。注水管下至见煤点向孔内1 m，其余下注水花管，花管采用金属网包裹；采用“两堵一注”带压封孔，前后堵头用封孔袋包裹，下至3#煤见煤点及孔口以里1 m处，使用封孔泵将水泥砂浆通过软管带压吹至封孔袋内；封孔袋注浆膨涨后，封堵两头，达到一定压力时，开始注浆封孔。封孔管采用φ50 mm×2 000 mm无缝钢管，封孔长度以全部封住岩层为准；煤体压裂段为花管。

4 水力压裂试验及效果分析

4.1 水力压裂钻孔设计

在南五底抽巷向3#煤层施工穿层钻孔，分别设计2个压裂孔和2个检验孔，在底抽巷顶板开孔，倾角为60°，方位角定为90°，要求穿层钻孔穿透3#煤层0.5 m。为了确保充分压裂煤体和使应力集中带处于两压裂孔影响范围外，通过分析煤层及其顶板力学特性和压裂设备后，确定压裂孔间距为4 m，将岩层全部封住。钻孔设计方式见图2，施工参数见表2。

图3 南五底抽巷水力压裂钻孔布置(单位：m)

表2 南五底抽巷压裂孔及检验孔施工参数

4.2 水力压裂过程

压裂过程分为破裂过程、延伸过程和排水过程。压裂半径试验孔如下布置：以压裂孔为注水孔，其他孔作为压裂半径试验孔，封孔后，留有出水口，接上阀门，压裂前将所有阀门关闭。经过注入高压水并压裂，停泵但不卸压等待0.5 h，确定压裂地点安全后进入，以注水孔为基准，由远及近依次打开阀门，有高压水流出的孔为压裂孔，此孔到注水孔的距离即为在此水量下的压裂半径。2014年11月23日8点班进行水力压裂，1#压裂孔注水时间为95 min，最高注水压力为27 MPa，注水压力降到6.5 MPa时停止注水，向孔内注水35 m3；2#压裂孔注水时间为68.5min，实际最高注水压力为26.5 MPa，注水压力降到6 MPa时停止注水，总注水量为34.3 m3。

4.3 水力压裂效果

4.3.1 水力压裂半径

当注水压力为21 MPa，注水量为7.5 m3时，压裂半径为40 m；当注水压力为24 MPa，注水量为5 m3时，压裂半径为45 m；当注水压力为27 MPa，注水量为5 m3时，压裂半径为60 m。

因此，通过水力压裂后，3#煤在煤层走向上的影响半径可达到40～60 m。

4.3.2 压裂后瓦斯抽采效果

压裂完毕后，水力压裂段施工底板穿层预抽钻孔，孔径为105 mm，对水力压裂影响区的压裂孔进行抽放。通过28 d的连续监测，钻孔抽放浓度最大为60%，最小为9%，抽放负压为27 988 Pa，单孔混合量为0.26 m3/min，单孔纯量为0.156 m3/min；而未压裂前钻孔抽放浓度最大为54%，最小为2%，单孔抽放量(混合量)为0.016 m3/min。因此，从单孔平均抽放量对比，压裂后是压裂前的16倍。

4.3.3 压裂区域煤层透气性系数及钻孔衰减系数

水力压裂前后煤层透气性系数及钻孔衰减系数是考察水力压裂效果的一项重要指标。采用径向流量法测定煤层压裂区域透气性系数、百米钻孔衰减系数，得出压裂区域煤层透气性平均为1.141 45 m2/(MPa2·d)，是压裂前0.043 15 m2/(MPa2·d)的26倍；压裂区域百米钻孔衰减系数为0.213 83 d-1，是压裂前0.066 1 d-1的30.9%，极大地改善了煤层透气性，保证3#煤层瓦斯抽采效果。

5 结 论

(1)通过理论分析水力压裂机理和起裂压力公式，与现场实际注水压力情况对比发现，二者基本一致，说明起始压力公式能够对水力压裂技术有很好的指导作用。

(2)通过应用水力压裂技术，新景矿3#煤层压裂区的裂隙得以贯通，压裂半径达到40～60 m，透气性系数提高了26倍，增大到1.141 45 m2/(MPa2·d)，从难以抽放煤层变为可以抽放煤层；从压裂区瓦斯抽采与非压裂区瓦斯抽采监测数据对比分析可得，水力压裂后压裂区域煤层瓦斯抽采混合量是非压裂区的16倍，煤层瓦斯流量衰减系数显著降低，瓦斯抽采效果得到了显著提高，实现了区域本质安全开采和快速掘进。

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2015-05-14)

王立武(1966—)，男，工程师，0032700 山西省阳泉市。