低渗厚煤层水力压裂增渗技术研究与应用

张永红

(山西煤炭运销集团保安煤业有限公司，山西 阳泉 045000)

低渗厚煤层水力压裂增渗技术研究与应用

张永红

(山西煤炭运销集团保安煤业有限公司，山西 阳泉 045000)

为增强保安煤矿15#低渗厚突出煤层的透气性，提高穿层钻孔瓦斯的抽采效果，改善煤矿生产接替困难的现状，采用工业试验和数值分析相结合的方法，对低渗厚煤层的水力压裂增透技术及工艺进行试验研究。结果表明：15#煤层水力压裂影响半径高达40m，透气性显著增强，抽放浓度提高3倍以上，抽放纯量提高4倍以上，掘进速度提高2.5倍以上；形成了一整套包括压裂参数设计、压裂钻孔封孔、注水压裂增透、压裂效果考察、煤巷条带瓦斯抽采、煤巷掘进等适合阳泉矿区厚煤层的水力压裂增渗技术。

低渗厚煤层；水力压裂；增透；微缝网

山西煤炭运销集团保安煤业有限公司15#煤为突出煤层，煤层平均厚度4.2m，瓦斯压力1.31～2.5MPa，瓦斯含量15m3/t，煤层含水率1.4%，透气性系数0.0017～0.062m2/MPa2·d，属于难抽煤层。煤巷掘进区域防突措施采用底抽巷加穿层钻孔预抽条带瓦斯，底抽巷、钻孔施工周期长、工程量大，导致煤巷掘进速度缓慢，严重制约矿井生产接替，急需开展新的低渗厚煤层增透技术解决以上问题。本文通过保安煤矿15#低渗厚煤层底抽巷条带水力压裂增透试验，对压裂工艺、压裂参数、压裂设计评价体系进行应用考察分析，为其他类似条件矿井低渗厚煤层水力压裂增渗技术研究与应用提供参考。

1 低渗厚煤层水力压裂机理及关键技术

松软突出煤层水力压裂塑性致裂理论区别于中、硬煤层弹性起裂理论，根据松软煤层微缝网循环延展塑性固化水力压裂增透机理，松软煤层水力压裂遵循多波峰屈服—韧性起裂—微缝网同步扩展—新缝网循环延展—塑形流变保持—微缝网固化的演变机理。低渗厚煤层水力压裂增透工艺使用煤矿井下专用高压力、大流量注水泵，向厚煤层压入高压水，当高压水的压力大于目标煤层破裂压力且注水流量大于压裂影响范围内煤体的漏失率时，厚煤层内微裂隙张开、贯通，煤层内形成全层微缝网。采用高压水保压工艺，进一步促使微缝网向煤层全层发育并保持。当压入的液体排出时，压裂形成的微缝网为瓦斯流动创造良好的条件，提高抽放效果，降低突出危险，提高生产效率[1-2]。

整个低渗厚煤层水力压裂过程可以分为以下五个阶段：①准备阶段：高压水迅速充满钻孔及周围裂隙，微裂隙逐渐失稳；②裂缝产生阶段：在高压水作用下，厚煤层中存在的多种裂隙弱面破裂；③初步形成微缝网：在高压水作用下，厚煤层内裂隙继续张开、扩展和延伸，初步形成微缝网；④形成全层微缝网：高压水注入完成后保压，高压水促使厚煤层内微缝网向全煤层继续发育，在煤层内形成微缝网全覆盖；⑤形成瓦斯流动通道：高压水排出后，厚煤层内形成的全层微缝网与措施孔连通，形成新的瓦斯流动通道[3]。高压水力压裂后煤层透气性增加，实质上是通过水力压裂使厚煤层全层产生了多裂隙连通的微缝网络，为瓦斯运移提供通道，进而改善瓦斯解吸环境[4]。

低渗厚煤层水力压裂增透关键技术主要包括[5-9]：①试验地点选择：不存在宏观透水裂隙，煤层顶板底板亲水性差，能够保证高压水在煤层内流动、保持；②参数设计：注水流量选择应大于水力压裂影响范围内煤层水的漏失率，同时应保证注水压力低于管汇系统、压裂钻孔等的承载能力；③封孔工艺：封孔时应保证钻孔的承载能力高于高压水压力，同时压裂管的筛管段全部位于厚煤层内，且不与煤层顶板、底板相通；④保压工艺：压裂结束后，关闭高压阀门使煤层内高压水向全煤层内流动，最终形成厚煤层全层微缝网；⑤安全保障：成立压裂技术攻关组，由矿长担任组长，制定相应的安全技术保障措施。

2 水力压裂增透试验

2.1 试验地点概况

保安煤矿15108底抽巷距上部15#煤23.5m，顶板岩性为泥岩及砂质泥岩，通过向上施工5m×5m网格穿层钻孔预抽15108工作面回风顺槽、15110工作面进风顺槽及两侧15m范围条带内煤层瓦斯，达到消突目的。试验区段煤层瓦斯压力2.4MPa，煤层厚度4.2m，煤层透气性系数0.003518m2/MPa2·d，瓦斯含量15.3m3/t。该区域底抽巷顶板完整且支护可靠，不存在宏观透水裂隙；煤层顶、底板亲水性差，因此15108底抽巷具备进行厚煤层水力压裂增渗试验条件。

2.2 压裂钻孔布置

掘进工作面100m后，在已施工预抽钻孔80m前的巷道内向上施工水力压裂孔。在巷道原有锚网索支护的前提下，通过补打锚索的方式对压裂孔沿巷道方向前后各5m范围内的煤岩层进行加强支护，提高压裂孔周边的承受能力。压裂孔孔径95mm，终孔位置在巷道中心线外30m。压裂孔施工见煤5m后停钻，且不穿透煤层。压裂钻孔参数见表1，压裂钻孔布置情况见图1。

表1 压裂钻孔施工参数

图1 压裂钻孔布置图

2.3 压裂钻孔封孔

为保证厚煤层水力压裂在煤层内扩展，压裂钻孔封孔采用多次注浆封孔工艺，见图2所示。钻孔内下放压裂管、返浆管、注浆管，管接头应连接可靠，返浆管和压裂管的最前端为筛管，防止注浆过程中岩粉、煤粉堵塞返浆管；其中返浆管筛管段底端进入煤层底板1.5m以上，压裂管筛管段底端进入煤层底板2.5m以上。孔口使用聚氨酯进行封堵，然后注浆。第一次注浆通过注浆管进行，返浆管返浆，待水泥浆沉淀、凝固24h后再通过返浆管注浆，待压裂管返浆后停止注浆。水泥浆凝固72h后，可进行高压水力压裂。

图2 压裂孔封孔示意图

2.4 水力压裂试验

压裂设备使用中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的BYW450/70型煤矿井下压裂泵组进行压裂，泵组与压裂孔连接管路采用耐压100MPa的六层钢丝缠绕的高压胶管。现场准备完成后进行1#～6#压裂孔的压裂试验。

以1#压裂孔压裂试验为例。现场准备工作完成后，开始进行高压水力压裂试验。1#孔水力压裂过程中，泵注压力在22～29MPa之间波动，注水量100t左右时，停止水力压裂，整个压裂过程共持续6h，预计水力压裂影响范围30～40m之间，压力曲线见图3所示。

图3 1#压裂孔压裂过程中压力曲线

6个压裂孔压裂过程中，泵组运行稳定，15108底抽巷内并未出现瓦斯超限现象。1#压裂孔压裂过程中，距离压裂孔60m左右的地勘孔出现喷孔现象，持续时间约30min，压裂期间巷道瓦斯未超0.5%，喷出瓦斯约98m3；其他压裂孔压裂过程中未出现异常。补打的8m加固锚索有滴水现象，而巷道掘进过程中使用的6m锚索未出现滴水现象。

2.5 高压水保压

由于水力压裂后煤体内的水仍有较高的压力，此时高压水仍然能使煤体继续产生裂缝，同时使压裂过程中产生的微缝网得到较好的保持，故压裂结束后应关闭孔口高压阀门，在煤体内保持一定的高压水。另外，高压水保压也有利于降低水力压裂后瓦斯流量衰减系数，提高压裂后的瓦斯抽采效果。同样以1#压裂孔为例，如图4所示，保压初期，1#压裂孔内高压水压力22.3MPa；14h后压力下降至14.5MPa；5d后压力下降至6.1MPa左右；10d后压力下降至5.3MPa，之后高压水压力不再变化。此时高压水在煤层内不再具备造缝能力，煤体内已形成全煤层的微缝网，故保安煤矿厚煤层底抽巷水力压裂保压时间应不低于10d。

图4 1#压裂孔保压过程中压力曲线

3 水力压裂效果考察

水力压裂工作保压、排水结束后，在压裂孔周边施工5m×5m间距的钻孔。钻孔施工时，先施工距离水力压裂钻孔影响范围远端的钻孔，即首先施工距离压裂孔70m位置处钻场的钻孔。钻孔施工过程中，在距15#煤层5m左右时使用压风打钻，采用孔口接粉的方式取样测试煤层瓦斯含量、含水率等参数，测试结果见表2。

表2 压裂后压裂区域瓦斯含量及含水率

原始煤层瓦斯含量15.0m3/t，煤层含水率1.4%。通过分析表2中的数据发现，经过水力压裂后，距离压裂孔50m位置处煤层瓦斯含量提高了2m3/t左右，含水率基本保持不变；但压裂孔40m范围内煤层瓦斯含量降低了1.68～5.59m3/t，煤层含水率提高了0.9%～2.3%，可判定高压水力压裂影响范围达到40m。因此水力压裂影响范围内由压裂孔口向外煤层瓦斯含量升高，证明高压水力压裂对煤层瓦斯具有驱替作用。

考察钻孔施工完成后，接入抽放系统进行抽放，将压裂区域与未进行水力压裂区域60天内的抽采浓度和单孔抽采量进行对比，见图5所示。

图5 压裂区域与未压裂区域抽采效果对比

从以上数据分析可见，接抽60d内，经过水力压裂区域煤层瓦斯抽采平均浓度为20.04%；而未进行压裂区域，接抽60d内的瓦斯抽采平均浓度为仅6.22%，水力压裂后的瓦斯抽采浓度是原始区域煤层瓦斯抽采浓度的3.2倍。接抽60d内，经过水力压裂区域煤层单孔瓦斯抽采纯量平均为9.99L/min；而未进行压裂区域单孔瓦斯抽采纯量平均仅为2.35L/min，水力压裂后的单孔瓦斯抽采纯量是未进行水力压裂区域单孔瓦斯抽采纯量的4.25倍，抽采效果提升明显，抽采达标时间大幅度缩短。

4 结论

保安煤矿低渗厚煤层条带水力压裂增透试验主要取得了以下成果：

(1)获得了适用于阳泉矿区的低渗厚煤层穿层钻孔水力压裂多次注浆封孔工艺，保证水力压裂在厚煤层内形成全煤厚的微缝网；

(2)获得了低渗厚煤层水力压裂增透施工工艺、高压水保压工艺、压裂影响考察方法；

(3)水力压裂对煤层瓦斯具有驱替效应，水力压裂影响半径外存在瓦斯含量升高区；

(4)保安煤矿厚煤层压裂后，影响半径达到40m以上，透气性明显提高，抽放浓度提高3倍以上，抽放纯量提高4倍以上。由于微缝的存在，压裂区域的掘进速度也大大提高。

[1]雷毅.松软煤层井下水力压裂致裂机理及应用研究[D].北京：煤炭科学研究总院,2014.

[2]雷毅,武文宾,陈久福.松软煤层井下水力压裂增透技术及应用[J].煤矿开采,2015(1):105-107,4.

[3]王志磊.低透气性煤层井下水力压裂技术研究[D].北京：中国矿业大学,2015.

[4]李磊,李中军,武文宾.松软低透气性煤层井下水力压裂工艺技术研究[J].矿业安全与环保,2015(6):5-9.

[5]史小卫,林萌,王思鹏.低渗煤层井下水力压裂增透技术应用研究[J].中国煤炭,2011(4):7-9,31.

[6]商晶志.井下水力压裂技术在低阶煤层中的工程实践[J].煤矿安全,2016(6):147-150.

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[8]梅绪东.煤矿井下水力压裂封孔材料及封孔长度优化[D].重庆：重庆大学,2015.

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(责任编辑：赵丽琴)

StudyonHydraulicFracturingforIncreasedPermeabilityofCoalSeamStripe

ZHANG Yonghong

(Baoan coal mine of Shanxi coal transportation sale group,Yangquan 045000,China)

In order to enhance the permeability of No.15 thick outburst coal seam,improve the effect of gas drainage through hole drilling,polish up the status quo of difficult coal mine production,adopting the method of industrial test and numerical analysis,experimental research study on hydraulic fracturing technology and craftwork of low permeability and thick coal seam has been done.The results show that the hydraulic fracturing radius of No.15 coal seam is 40m,enhancing the permeability,increasing the drainage concentration more than 3 times,advancing driving speed more than 2.5 times,and forming a set of permeability increasing technology including design parameters of hydraulic fracturing,hole sealing,the anti-reflection of water injection,fracturing effect,gas drainage in coal roadway,coal roadway driving for thick coal seam in Yangquan mining area.Keywordslow permeability and thick coal seam;hydraulic fracturing;increased permeability;micro seam network

2017-04-24

国家科技重大专项任务资助项目(2016ZX05067004-001)

张永红(1971—)，男，工程师，研究方向：煤矿通风。

1003-1251(2017)04-0086-05

TD712

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