虚拟储层水力压裂增透效果研究

郝 殿,李学臣,张清田

(焦作煤业集团有限责任公司 科学技术研究所,河南 焦作 454002)

中马村矿主采煤层为山西组二1煤,煤层瓦斯含量高、压力大,煤层透气性差,抽采衰减速度快,瓦斯治理难度大。为深入研究有效的低透气性煤层增透技术及工艺,中马村矿根据煤层条件,实施了虚拟储层压裂增透工艺,但压裂后煤层瓦斯赋存有何变化,增透效果如何,能否为优化钻孔布置、缩短抽采达标时间提供依据,需开展相关研究。

1 虚拟储层水力压裂增透机理

水力压裂的对象必须是弹性体,只有弹性体在高压水的作用下才可能发生破裂,形成裂缝,实现增透;而软煤作为塑性体,本身是不可压裂的,煤体结构为软煤时,水力压裂裂缝即是达到煤层,但软煤力学残余强度低,水力压裂只能形成挤胀或穿刺,无法形成有效的裂隙增透,且瓦斯流态仍是两级扩散方式,速度缓慢。但水力压裂把煤层和围岩抽采层统一作为改造对象,采用水力压裂在围岩抽采层内形成多级和多类型的复杂裂隙网络,促使裂隙增容,提高围岩抽采层的整体渗透率,实现单一低渗煤层瓦斯高效抽采。因为瓦斯不是从真正的煤储层中抽出的,所以把强化了的顶底板围岩层段称为“虚拟储层”。但随后考虑到该层不是一个虚拟的东西,而是一个实实在在的产层,所以更加直接地采用被人们熟知的“围岩”一词来表征[1-3]。

2 27021工作面水力压裂基本情况

2.1 水力压裂基本情况

27021工作面走向长约694 m,倾斜宽约93 m,面积约64 542 m2,煤层厚度变化较大,一般为0.1 m～7.2 m,平均3.1 m,虚拟储层水力压裂试验区位于轨道巷顶部27021工作面区域内,如图1所示。使用千米钻机施工多分支钻孔对27021回风巷条带区域内瓦斯进行抽采。该钻孔主孔深411 m,分支孔累计施工783 m,共施工分支孔11 个,钻孔见煤长度累计110 m。

2.2 水力压裂区域CYT探测分析

为了检测27021多分支钻孔水力压裂效果,在本次压裂前后,采用大地电位场岩性探测法(CYT)进行了测试,CYT以天然交变电磁场为场源,根据交变电磁场在地层中传播时的趋肤作用,利用不同周期的电磁波具有不同的穿透能力的特性,在地面采集数据,然后经过一定的计算绘制出反映电性垂向变化的曲线,根据曲线的变化来推测地下岩层及其属性变化状况。在本次压裂后测试的108个点中,有85个点存在异常反应,占测试点数的78.7%。根据测试数据勾绘的异常范围平面图,较好地反应出压裂出现的异常范围分布形态,在某种程度上能够反应出压裂的影响范围，具体见图1。

图1 煤层异常范围示意图Fig.1 Anomaly range of coal seam

27021工作面回风巷经抽采达标评判后,于2014年10月开始掘进,掘进期间采用“三参数”指标法对掘进工作面进行区域验证。27021工作面回风巷总长1 075 m,回风巷长904 m,外围巷道长171 m,于2015年10月掘进到位。为考察水力压裂对采掘作业的影响,统计了27021工作面回风巷掘进期间的区域验证指标、瓦斯涌出量数据,绘制对比分析见图2—图5。

图2 27021回风巷CYT探测异常范围图Fig.2 Anomaly range detected with CYT in No.27021 return airway

3 水力压裂影响区域瓦斯赋存规律

3.1 回风巷掘进期间区域验证及瓦斯涌出规律

从图3可以看出,27021回风巷掘进期间,区域验证指标整体比较均衡,但是也出现了几处偏小的地段。对比图4、图5,这几处偏小的地段煤层厚度较小或冲煤量较大,煤层透气性增大,残余瓦斯含量低,是区域验证参数偏小的主要原因。同时,27021回风巷掘进期间,瓦斯涌出量有逐渐变小的趋势,主要原因是该巷道瓦斯抽采时间从西至东依次增加,残余瓦斯含量逐渐减少。

图3 27021回风巷区域验证指标参数及瓦斯涌出量折线图Fig.3 Line chart of parameters of regional verification index and gas emission in No. 27021 return airway

图5 27021工作面回风巷煤层赋存情况剖面图Fig.5 Profile of coal seam occurrence in No.27021 return airway

3.2 27021回风巷探测异常区与井下验证结果综合分析

根据图2所示,将27021回风巷划分为压裂影响区及压裂非影响区,将两个区域验证参数及瓦斯涌出量情况进行统计，统计结果如表1所示。

表1 27021回风巷区域验证及瓦斯涌出量统计表Table 1 Regional verification index parameters and gas emission of No. 27021 return airway

如表1 所示,从解析强度Δh2、钻孔瓦斯涌出量q、风排瓦斯涌出量三个指标来看,压裂影响区均小于压裂非影响区,主要是压裂影响区煤层透气性增加,提高了抽采效果,残余瓦斯含量较低,所以27021回风巷在掘进过程中验证指标和瓦斯涌出量均有所较低。

3.3 27021工作面回采期间区域验证指标及瓦斯涌出规律

对27021工作面回采期间区域验证指标等相关数据进行统计后,绘制参数对比分析图见图6和图7所示。因主要考察煤层瓦斯赋存规律,因此选取煤层异常区和工作面验证指标色阶图进行融合对比。

从图6和图7可以看出,区域验证指标色彩图(q、Δh2)呈现比较明显的中间颜色深,两边颜色浅,东边颜色较深,西边颜色较浅,工作面回采期间瓦斯涌出量也是逐渐降低的,以上情况主要有以下几方面原因:①沿工作面倾向,回风巷、运输巷掘进后,工作面两侧煤体应力降低,煤层透气性增大,瓦斯抽采效果较好,残余瓦斯含量低。沿工作面走向,工作面自右向左抽放时间依次增加,故残余瓦斯含量自右向左也是依次降低的。②二1煤层两层煤厚度自右向左都有逐渐减小的趋势,也是造成区域验证指标及瓦斯涌出量逐渐减小的原因。

图6 27021工作面区域验证指标色彩图(q)Fig.6 Color map of regional verification index in No.27021 working face (q)

图7 27021工作面区域验证指标色彩图(Δh2)Fig.7 Color map of regional verification index in No.27021 working face (Δh2)

3.4 27021工作面探测异常区与井下验证结果综合分析

仔细观察可以发现,验证指标较大的区域大多处于异常范围的边缘地带,主要原因是水力压裂后煤体应力由压裂区向外运移,在压裂影响范围的边缘形成应力集中带,从而造成回采过程中这些区域验证指标较其它区域偏大。

为定量分析,将验证指标边缘区域的验证指标和其它地区验证指标进行综合对比,如表2所示。

表2 压裂范围边缘区及其它地区验证指标对比表Table 2 Verification index comparison of marginal area of fracturing and other areas

从解析强度Δh2、钻孔瓦斯涌出量q两个指标可以看出, 压裂范围边缘区均明显大于其它地区,因此,在其它工作面采取水力压裂时,应根据探测出的压裂影响范围,将边缘地带作为重点区域,通过加密抽采钻孔,延迟抽采时间等加强措施实现工作面均匀消突。

4 结论

通过CYT技术探测出虚拟储层水力压裂影响范围,将27021回风巷及工作面瓦斯相关参数进行统计,总结得出压裂影响范围内瓦斯赋存规律及增透效果。

1)煤层厚度、冲煤量大小、抽采时间是影响区域验证参数及瓦斯涌出量的几个重要因素,在煤层厚度较小或冲煤量较大、抽采时间较长的区域,区域验证参数及瓦斯涌出量往往较其它地区偏小。

2)水力压裂能够有效提高煤层透气性,缩短抽采达标时间,27021回风巷在掘进过程中压裂影响区域验证指标和瓦斯涌出量较压裂非影响区均有所降低。

3)水力压裂能够造成煤体内应力重新分布,水力压裂后煤体应力由压裂区向外运移,在压裂影响范围的边缘形成应力集中带,从而造成回采过程中这些区域验证指标较其它区域偏大。

4)采取水力压裂增透技术时,应根据探测出的压裂影响范围,将边缘地带作为重点区域,通过加密抽采钻孔、延迟抽采时间等加强措施实现工作面均匀消突。

参考文献：

[1] 黄战峰,任培良,张洛花.水力压裂技术提高低透气性煤层抽放效果的应用分析[J].煤炭技术,2011,35(5):104-106.

HUANG Zhanfeng,REN Peiliang,ZHANG Luohua.Discuss of Increasing Drainage Effect of Low Permeability Coal Seam with Hydraulic Fracturing Technology[J].Coal Technology,2011,35(5):104-106.

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DU Jieban.Research and Application of Improving Pemeability by Roof Hydraulic Fracturing for Mining Seam[J].Coal Technology,2011,35(5):104-106.

[3] 李全贵,翟成,林柏泉,等.低透气性煤层水力压裂增透技术应用[J].煤矿安全,2014,45(8):79-80.