穿层钻孔水力压裂试验研究

蔺海晓，季长江，刘 晓

(1．河南理工大学深部矿井建设开放实验室，河南 焦作 454000；2．山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204；3．河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；4．河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

穿层钻孔水力压裂试验研究

蔺海晓1,3，季长江2，刘 晓4

(1．河南理工大学深部矿井建设开放实验室，河南 焦作 454000；2．山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204；3．河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；4．河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)

煤储层透气性低是制约煤矿瓦斯抽采的关键因素，为提高煤储层透气性，增加瓦斯抽采效果，依靠水力压裂技术，采用穿层钻孔对煤层进行激励，形成裂缝，达到增透的目的。同时，采用理论分析和现场试验的方法，对穿层钻孔水力压裂技术进行研究。压裂后压裂孔透气性系数增加了6～12倍，抽放纯量提高了24～30倍。水力压裂技术大幅地提高了煤层的透气性和钻孔瓦斯抽放量，是一种有效的煤储层增透工艺。

水力压裂；穿层钻孔；增透；瓦斯抽采

煤储层的低渗严重制约了瓦斯的抽采，增加其透气性是解决问题的关键[1-5]。传统的低渗煤储层瓦斯抽采单纯依靠降低钻孔间距、增加钻探工程量、延长抽采时间等措施来实现，但抽采效果并不理想，表现在抽采浓度低，抽采率不达标，造成煤矿采掘接替紧张，回采和掘进过程中瓦斯超限频繁，安全隐患严重，这与构建本质安全型矿井不相符合，亟需新的瓦斯抽采手段来改变这种困境[6-9]。只有在吸收、融合地面煤层气开发工艺基础上，结合煤矿井下瓦斯抽采特点，构建井下水力压裂强化增透理论与技术体系，实现煤储层压裂增透，提高煤体的渗透率，从根本上解决瓦斯抽采困难的局面[10-12]。

封孔效果是决定压裂成败的关键因素，封孔方法包括封孔器封孔、水泥浆封孔和化学材料封孔；封孔器封孔具有操作简单，效率高，可以多次重复使用的优点，但是由于煤层强度低，在高压下煤体会产生较大的位移，从而造成封孔器爆裂，使水力压裂不能继续进行；岩体强度高，钻孔不易变形，因此通过穿层钻孔在岩石段采用封孔器封孔，在煤体段进行压裂具有良好的效果，是水力压裂的优良工艺[13-15]。

1 穿层钻孔水力压裂增透机理

水力压裂是以大于地层虑失速率的排量向地层注入流体，克服煤岩层的抗拉强度和地应力，在地层内劈开裂缝，从而使储层渗透性得到有效改善(见图1)。煤体属于多孔弹性介质，具有丰富的割理和裂隙，在压裂过程中，煤体的裂隙和弱面在高压水的作用下发生起裂、并向前扩展，从而使煤体形成网状裂隙，致使煤层渗透率大幅度提高，同时使煤体压裂区域整体卸压， 增加了瓦斯解吸的速度，从而达到提高瓦斯抽采率和抽采速率， 降低煤与瓦斯突出危险性。

2 穿层钻孔水力压裂工艺流程

穿层钻孔水力压裂是从底抽巷或顶抽巷向煤层打钻，穿过一段岩层后进入煤层，并在煤层中延伸一定的距离；封隔器放置在岩石段，通过注入高压水对煤体进行压裂，从而达到增透的目的，水力压裂系统如图2所示，其主要包括高压泵组[16](河南理工大学与宝鸡航天动力联合研制，最大排量：87 m3/h，最高压力：40 MPa)，电控柜，高压管路(最大抗压50 MPa)，封隔器，远程控制端(控制并采集压裂数据)等。

3 穿层钻孔水力压裂实验

1) 试验矿井概况。寺家庄矿井是一新建矿井，在建井过程中曾发生多次煤与瓦斯突出，自建井以来在瓦斯治理方面进行过大量工作，采取了各种措施来提高15#煤层的透气性，如水力挤出、松动爆破、水力割缝等，但效果都不甚理想，严重影响了掘进速度和采煤速度。通过在寺家庄矿进行穿层钻孔水力压裂实验，煤层透气性显著增加，抽采率明显提高，抽采时间大大缩短。

2) 穿层钻孔及封孔技术。2011年3月8日在寺家庄矿北翼胶带机巷施工了两个压裂孔和1个测试孔(见图3)，1号压裂孔，孔深54 m，钻孔倾角14°，穿透煤层深度12 m；2号压裂孔孔深53 m，钻孔倾角13°，穿透煤层深度13 m。

为了对比穿层钻孔不同封孔方式的封孔效果，施工当天对1号孔采用封隔器封孔，2号孔采用水泥浆封孔。封隔器钢体最大外径为85 mm，胶筒最大外径为80 mm，胶桶长度0.8 m，抗压能力50 MPa，启动压力1.5 MPa，最佳扩张率150%。

水泥浆由水、超细水泥、膨胀剂、减水剂、速凝剂等以一定的比例混合后，泵送到压裂孔，封孔长度为全部岩石段。

3) 施工工艺及参数。2011年3月9日和3月17日 分别对两个孔进行了压裂施工，施工曲线分别如图4和图5所示(图4～图5中Q为泵排量，P为压力)。

1号压裂孔在压裂过程中，压入水量12 m3左右(见图4)。在10 min时，有轻微压降，表明有裂缝产生，破裂压力31.5 MPa左右，此后裂缝持续延伸，在27 min时，第二次压降，压降幅度较第一次压降更大，表明产生了更大的裂隙，此后压力上下波动，总体趋势为下降，表明裂缝在继续延伸。

2号压裂孔压裂时长30 min，注入水量14.6 m3，在25 min左右出现一次明显的压降，表明有较大的裂缝产生，破裂压力约30 MPa左右。破裂后压力有微小波动，表明裂缝继续延伸，持续5 min左右(见图5)。

4) 施工效果分析。1号压裂孔压裂后，百米钻孔瓦斯流量1.119 3 m3/100m·min，煤层透气性系数为10.084 7 m2/MPa2·d，比测试孔增加了12.343倍，衰减系数为0.153 9 d-1，比测试孔降低了0.309 6倍，抽放纯量增加30倍，压裂效果显著。

2号压裂孔压裂后，百米钻孔瓦斯流量0.114 1 m3/100 m·min，煤层透气性系数为5.305 3 m2/MPa2·d，比压裂前增加了6.493倍，衰减系数为0.020 9 d-1，比测试孔降低了0.906 2倍，抽放纯量增加24倍，增透效果显著。

通过钻孔自然流量及衰减系数，测试孔百米钻孔瓦斯涌出量为0.890 1 m3，1号压裂孔百米钻孔瓦斯涌出量为10.472 5 m3，比测试孔扩大了10.77倍；2号压裂孔百米钻孔瓦斯涌出量为4.502 7 m3，比测试孔扩大了4.06倍。两个钻孔抽采半径明显增大，压裂抽采后通过打测试孔进行抽采测定，抽采半径分别为13 m和15 m。

4 结论

1) 水力压裂可以增加钻孔的抽采半径，压裂后抽采半径平均增大5.6倍以上，抽采半径达13 m以上；水力压裂可以提高煤层透气性系数，压裂孔比测试孔透气性系数平均增大9.418倍；水力压裂可以降低钻孔瓦斯衰减系数，延长钻孔瓦斯抽放时间，提高抽放量，压裂后钻孔瓦斯衰减系数对比测试孔平均降低0.607 9倍；水力压裂可以提高钻孔的瓦斯抽放纯量，压裂孔抽放纯量平均增加27倍；水力压裂可以增加钻孔瓦斯的自然涌出量，1号钻孔钻孔瓦斯自然涌出量提高了7.12倍。

2)水力压裂后，煤体裂隙增加，抽放钻孔数量减少，简化了施工工艺，可增进掘进速度和提高生产效率。

3) 水力压裂可以使媒体产生网状裂隙而增透，同时润湿煤体后，可以抑制瓦斯涌出、降低煤尘、改变煤体强度而平衡应力场，最终达到区域消突和瓦斯治理的目的。

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(责任编辑：何学华，吴晓红)

Experimental Study on Hydraulic Fracturing with Cross-seam Boreholes

LIN Hai-xiao1,3，JI Chang-jiang2，LIU Xiao4

(1. Open Laboratory of Deep Mine Construction，Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China; 2．Shanxi Lanyan Coalbed Methane Co., Ltd, Jincheng Shanxi 048204, China; 3. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China; 4. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China)

Low permeability of coal gas reservoir is the key factor restricting coal mine gas extraction. In order to improve the coal gas reservoir permeability and increase effect of gas extraction, the hydraulic fracturing with cross-seam boreholes was used to improve permeability of the coal seam. By using field test and theoretical analysis, the hydraulic fracturing technology with cross-seam boreholes was studied. After fracturing, permeability coefficient of the fracturing boreholes increased by 6～12 times, and the quantity of the gas extraction increased by 24～30 times. The hydraulic fracturing technology greatly improves the permeability and gas extraction quantity from the coal gas reservoir, which is a effective technology for improving permeability of coal gas reservoir.

hydraulic fracturing；cross-seam borehole；permeability improvement；gas extraction

2014-11-25

河南省高校深部矿井建设重点学科开放实验室资助项目(2012KF-07)；河南煤矿安全监察局河南煤矿安全生产科技发展计划资助项目(H13-091)；煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(中国矿业大学)开放基金资助项目(2013-003)

蔺海晓(1978-)，男，河南登封人，副教授，硕士，研究方向：瓦斯治理与煤层气开采。

TD713

A

1672-1098(2015)03-0026-04