煤矿井下水力压裂关键参数计算方法研究

唐育德周俊杰覃乐郭臣业张尚斌徐涛

（1.重庆市能源投资集团有限公司，重庆401121；2.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061）

煤矿井下水力压裂关键参数计算方法研究

唐育德1周俊杰2覃乐2郭臣业2张尚斌2徐涛2

（1.重庆市能源投资集团有限公司，重庆401121；2.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061）

研究压裂控制机理对于提高煤矿井下水力压裂增透效果具有重要作用。结合理论研究与现场经验，分析水力压裂影响因素，提出水力压裂关键参数的计算方法，为煤矿井下水力压裂提供技术支撑。

煤矿；水力压裂；增透；控制机理

近年来，水力压裂已成为煤矿井下增透煤层的一种常用手段，前人在造缝机理、数值模拟、技术装备等方面取得了一定的成果［1-5］。但是，在现场实际操作中，大都仅凭现场人员的经验，通过控制压力、时间、注水量等关键参数来完成水力压裂，不能较为准确控制压裂效果。针对上述问题，文章深入分析水力压裂影响因素，提出水力压裂关键参数的计算方法，为煤矿井下水力压裂提供技术支撑。

1 水力压裂影响因素分析

在煤层水力压裂过程中，影响压裂效果的主要因素有煤的强度、水分含量、密度、孔隙率、煤和水的湿润边角及煤层瓦斯压力。

1.1 地应力

压裂储层的地应力情况直接影响储层的渗透性，并且其大小与方向对裂缝起裂压力、起裂位置及裂缝形态等重要参数都具有重要影响。钻孔前，地应力处于原始平衡状态；钻孔后，平衡状态被打破，钻孔周围地应力重新分布；压裂后，裂缝在距井筒一定范围内延伸，裂缝延伸范围内地应力重新分布。

1.2 煤的强度

煤的力学强度是指煤受外力作用时抵抗破坏的能力。煤的内应力随着外力增大而增大，直至煤体被破坏，此时煤内的应力则为煤的极限强度，该值越大，水力压裂施工压力越大。研究表明I、II类煤适合压裂，III类煤可压裂，IV、V类煤不适合压裂。

1.3 煤的水分、密度、孔隙率及煤水的湿润边角

煤的水分直接影响水力压裂效果。按其在煤中的存在状态，可分为游离水和结晶水。游离水是煤的内部小毛细管和煤外表面的大毛细管所吸附的水，当温度T> 100℃时，游离水逸出。结晶水是煤中无机物质所含的结晶水，当温度T>200℃时，结晶水逸出。

煤的密度是指相同体积的煤与水的质量之比，是影响水力压裂的重要因素。煤的孔隙率影响煤的吸水性和煤的透水性、透气性。煤和水的湿润边角。水对煤的湿润边角是反应水分子与煤分子之间吸引力大小的物理量。根据湿润边角可以确定煤体表面湿润的难易和毛细作用的大小。水分子与煤炭分子间的吸引力愈大，湿润边角愈小，愈易于湿润。反之亦然。

1.4 煤层瓦斯压力

煤层瓦斯压力将抵消掉部分压裂压力，尤其是在高瓦斯煤层，瓦斯压力是影响水力压裂的重要因素。

2 水力压裂控制机理

2.1 压裂水量控制

控制压裂压入水量是控制压裂的很重要的一种方法，根据需要压裂的预定影响范围及煤岩层影响体孔隙度计算压裂压入水量。

压入水量的确定依据公式：

其中：V体为注水影响体体积，m3；k为影响体孔隙度，%；a为影响体长度，m；b为影响体宽度，m；h为影响体高度，m。

在注水形成压力之前，需充填压裂泵组至压裂孔的管道已经压裂孔，此处需要的水量约为：

其中：Vc为充填管道和压裂孔所需水量，m3；Vg、rg、hg分别为充填管道所需水量、管道半径和管道长度；Vk、rk、hk分别为充填压裂孔所需水量、压裂孔半径和压裂孔长度。

2.2 压裂压力控制

控制压裂压力是控制压裂的另外一种重要方法，在各类煤岩体内以破裂压力为主进行控制，在IV、V类煤岩体中主要控制压力，使的封孔长度能够承受该压力进行压裂作业。

破裂压力的确定依据公式：其中：pf为破裂压力，MPa；

其中：γi为上覆岩石比重；hi为岩石厚度；p2为岩石的抗拉强度，MPa，取2Mpa；p3为管道摩阻，MPa。

3 实例验证

在某煤矿实施穿层压裂实验，压裂目标煤层龙潭组7号煤层。煤系地层主要由砂岩类、泥质岩类及煤组成，顶板以砂质泥岩、粉砂岩为主，直接底板为灰白色黏土岩。煤层总厚0.66～1.03m，平均0.84m。

煤层埋深约665m，实测煤层瓦斯含量w=12.63m3/t，瓦斯压力p=0.8MPa，瓦斯吸附常数a=36.95m3/t，b= 1.11MPa-1，煤层坚固性系数f=0.39，瓦斯放散初速度Δp= 29，煤层透气性系数λ=0.015m2/（MPa2·d）。

设计压裂范围为以孔底为圆心的直径100m圆形面积，压裂设备到压裂孔口为内径50mm的高压管140m，压裂孔内为内径25mm的压裂管60m。通过公式（1.1）～（1.4）计算，可得压裂水量为120m3，破裂压力为40MPa。

结合计算结果指导现场水力压裂，累计压裂时间10.5h，累计注水110m3，实际破裂压力38MPa，与计算结果误差均小于10%。通过压裂后抽采验证表明，煤层透气性系数提高了约110倍，瓦斯抽采量提高约20倍。具体效果参数对比列入表1、表2。

由表1可知，利用水力压裂增透后，钻孔的瓦斯抽采量提高了10～29倍，抽采浓度亦大幅提高。

透气性系数也是判断水力压裂增透效果的重要参数。

从表2中看出，经过水力压裂的煤层透气性系数值提高了110倍左右，表明了利用水力压裂能有效增透煤层。

表1 钻孔抽采数据

表2 钻孔透气性系数

通过钻孔出水情况验证，压裂范围纵向115m以上，横向130m以上，与设计的100米直径圆形区域吻合度达82%。

4 结论

基于煤矿井下水力压裂理论研究与现场经验，分析了水力压裂效果与主要影响因素之间的关系，提出水力压裂关键参数的计算方法。通过现场实验验证，该方法能有效指导现场施工，为优化压裂参数及提高压裂增透效果提供了技术支撑。

［1］陈小奎.煤层水力压裂三相耦合数值模拟研究［D］.安徽理工大学，2008.

［2］秦超.高压水射流防治煤与瓦斯突出的数值模拟及分析［D］.河北联合大学，2012.

［3］唐书恒，朱宝存，颜志丰.地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响［J］.煤炭学报，2011（1）：65-69.

［4］陈俊辉.基于虚拟储层的穿层钻孔水力压裂技术研究［J］.煤，2012（1）：9-11.

［5］周俊杰，张翠兰，张迪，等.地下煤层气水力压裂技术研究［J］.河南科技，2013（6）：163.

Study on the Calculation M ethod of Hydraulic Fracturing key parameters in CoalM ine

Tang Yude1Zhou Junjie2Qin Le2GuoChenye2Zhang Shangbin2Xu Tao2
(1.Chongqing Energy InvestmentGroup Co.，Ltd.，Chongqing401121；2..Chongqing Energy Investment Technology Group Limited Liability Company Chongqing 400061)

The research of fracture controlmechanism plays an important role in improving the hydraulic fracturing antireflection effect in coal mine.Combined with theoretical research and field experience，analysis of factors affecting hydraulic fracturing was conducted，the calculation method of the key parameters of hydraulic fracturing wasput forward,providing technicalsupport for hydraulic fracturing in coalmine.

coalmine；hydraulic fracturing；antireflection；controlmechanism

TD712

：A

：1003-5168（2015）03-0073-3

2015-2-20

唐育德（1975-），男，工程师，研究方向：瓦斯治理与煤层气开发。