地面水力压裂对井下煤层瓦斯抽采影响分析*

刘进平，高 云，李 欣

(潞安集团高河能源有限公司，山西 长治 046000)

0 引言

煤层气开采既是我国清洁能源产业的重要组成部分，也是煤矿企业防治煤矿瓦斯动力灾害的主要措施之一[1]。高河煤矿属于典型的高瓦斯矿井，井下煤层瓦斯含量高，渗透率低，瓦斯抽采工作难度较大。

水力压裂技术作为一项主要的水力化增透措施[2-4]，在石油工业被广泛应用，效果十分显著[5]。鉴于此，国内外学者对水力压裂在煤层气中的应用方面做了大量的研究工作[6]。吕有厂等[7]根据平煤十矿高瓦斯低透气性的煤层赋存特性，研究利用本煤层水力压裂技术成功地将压裂后瓦斯抽采流量和浓度提高了5倍以上；韩金轩等[8]介绍了国内外现有的煤层气储层压裂的手段和工艺；李安启等[9]分析并评估了实践过程中形成复杂压裂裂隙系统的影响因素；王耀锋等[10]综述了国内水力化煤层增透技术的研究进展，为水力化措施解决低透气性煤层瓦斯抽采难题指明了方向；贾同千等[11]研究并验证了复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术，取得了很好的效果；翟成等[12]通过开展不同压力、频率条件下型煤试样的脉动水力压裂实验，认为脉动水力压裂比普通水力压裂卸压增透具有更好的应用效果。然而，对于地面水力压裂钻井影响井下煤层瓦斯抽采规律的研究，特别是对于煤矿实践过程的相关研究内容较少。因此，为了探讨地面水力压裂钻井在提高井下煤层渗透率，降低煤层瓦斯含量的可行性和效果，自2013年起，高河煤矿在全矿井范围内实施地面压裂钻井抽采3#煤层瓦斯[13]，同时，通过压裂作业在3#煤层中建立主裂缝，并对煤储层固有的孔隙裂隙进行了沟通，进而增强了煤储层渗流能力，提高了煤层气井的产能和井下瓦斯抽采效果。

1 矿区地面压裂钻井实施概况

1.1 地面压裂井施工概况

水力压裂是目前开采低渗透、超低渗透的非常规油气资源的主要手段[14]。首先利用地面高压泵组，通过井筒向地层注入大排量、高粘液体，在井底形成高压液体，当该液体压力超过地层承受能力时，便会在井底附近的地层形成裂缝。继续注入携带支撑剂的液体，裂缝逐渐向前延伸，支撑剂起到支撑裂缝作用，形成了具有一定尺寸的高导流能力的填砂裂缝，使油气轻松地通过裂缝流入井中，从而达到增透增产效果[15]。

高河煤矿全矿区地面压裂井按用途分为消突井和排采井2种，根据压裂液和支撑剂的不同分为4种，包括活性水+石英砂、活性水氮气伴注+石英砂、活性水氮气伴注+石英砂+木质支撑剂以及氮气泡沫+石英砂。本文仅考虑活性水作为压裂液，石英砂作为支撑剂的压裂作业钻井。按照施工顺序分为钻井工程、压裂工程和排采工程。

根据地面压裂井整体规划，2013年共完成地面压裂井39口，排采29口，地面井15，16，17，18，19，132，135，136，149，150为消突井，不进行排采；2015年完成地面井29口，排采25口，其中地面井107，116，117，118为消突井，不进行排采。

其中华高109井，位于沁水盆地长治斜坡带二岗山断层南，目标煤层为E2307工作面。其施工过程中压力和排量曲线如图1所示。

图1 华高109井施工综合曲线Fig.1 Construction comprehensive curve of Huagao 109 fracturing well

1.2 地面压裂钻井压裂范围

高河煤矿地面压裂井使用微震法监测压裂过程中裂隙的产生和扩展规律，并由此初步判断其压裂范围。微震监测的原理是通过监测压裂活动引起岩体中应力重分布过程中伴生煤层和岩石破裂时发出的地震波，对地震波进行信息处理以此获取微震活动事件发生的位置、能量和非弹性微震体应变等，并由此计算出所伴生的岩体中应力场分布特征与流变参数的改变，从而达到判断裂缝扩展和岩体稳定性的目的。本文以2013年完井的华高149井为例[13-16]，华高149井为消突井，压裂液为活性水，支撑剂为石英砂，单井设计压裂液 800 m3，支撑剂 50 m3。华高149地面压裂井压裂裂缝监测试验压裂时间持续118 min，由裂缝三维定位系统和微震信号实时传输系统获得微震监测存储信号以及实时监测压裂裂缝扩展分布和压裂井实时监测压裂裂缝扩展形态(见图2)。

图2 华高149井压裂裂缝发育和扩展Fig.2 Fracture development and expansion of Huagao 149 fracturing well

华高149井产生的最长裂隙长度为132 m，方位角为北偏西84°，最短裂隙长度为89 m，方位角为南偏东10°，平均裂隙长度为106 m。因此可以初步判断，如图2所示，大圈区域是以主裂隙长度为半径的区域，认为是华高149井最大压裂范围，小圈区域是以最小裂隙为半径的圆形区域，认为是华高149井最小影响区域。

通过对全矿井范围压裂井压裂范围进行综合统计分析，高河煤矿地面压裂井压裂范围有效区域(最小区域)为半径75 m，最大压裂半径为150 m。

2 井下煤层瓦斯抽采效果考察

2.1 压裂钻井对煤层渗透率影响效果

主要选择以E2307采煤工作面为主要考察对象。E2307工作面位于山西组3#煤层北翼东二盘区顺次第七采煤工作面。地处沁水盆地长治斜坡带二岗山断层以南，其上方靠近山西省长治市堠北庄镇杨暴村和北津良村等。工作面布置和压裂井位置如图3所示。

图3 E2307采煤工作面地面压裂井布置示意Fig.3 Schematic diagram of ground fracturing well layout in E2307 coal mining face

考虑压缩系数和温度对煤储层渗透率的影响，根据径向流动方程，得到E2307工作面煤储层渗透率见公式(1)，采用测井数据进行数值模拟反演可获得反演煤层渗透率。渗透率公式如下：

(1)

式中：PSC为标准状况下的大气压，取0.101 33 MPa；ZSC为标准状况下的气体压缩系数，取1；TSC为标准状况下的开氏温度，取293.15 K；Pe为原始煤层平均瓦斯压力，取1.331 MPa；Q为产气流量，m3/min；K为渗透率，mD；h为煤层厚度，取4 m；re为压裂半径，取平均值102 m；rw为气井半径，取0.139 m；Z为气体压缩系数；μ为流体黏度，取101.255×10-3MPa·s。选取E2307工作面地面压裂井华高102，104，105和107井。根据排采结果，得到单井平均日产量分别为340.794，324.3，396.609 m3。反演得到煤储层渗透率见表1。

表1 测井数据反演煤层渗透率Tab.1 Inversion of coal seam permeability by logging data

根据煤层透气性系数大致估算压裂前煤层渗透率大概为0.065 6 mD。不考虑煤层地质构造、压裂范围变化、局部瓦斯压力变化等情况，通过反演渗透率与压裂前渗透率数据对比，渗透率分别提高了13.3，13.1和19.2倍。

2.2 压裂钻井对瓦斯抽采浓度的影响

通过对E2307工作面近3年的瓦斯抽采数据的收集，统计分析了E2307工作面的进风巷、回风巷、辅运巷和胶带巷的抽采瓦斯浓度随时间变化关系(见图4)。由于4条巷道的钻孔布置工作进展不一致，因此对于辅运巷和胶带巷的钻孔瓦斯浓度统计工作较为滞后。从图4中可以看出，回风巷瓦斯浓度平均高于进风巷、辅运巷和胶带巷的瓦斯浓度，分析认为主要是回风巷预抽E2307相邻工作面瓦斯的千米钻孔对于瓦斯浓度增加的原因。因此，本文仅考虑进风巷、胶带巷和辅运巷预抽瓦斯浓度受地面压裂井影响。根据图3地面压裂井分布及其压裂范围可以知道，受地面压裂井影响区域面积最大的为进风巷，胶带巷次之，辅运巷最低。从整个抽采时期来看，进风巷和回风巷瓦斯浓度开始有一个浓度增大的趋势，到2016年5月达到最大值，之后浓度开始下降，考虑受地面压裂井影响的压裂区域随着钻孔布置工作的推进逐渐增加，认为回风巷瓦斯浓度增加的主要原因是地面压裂井提高了压裂区域钻孔的瓦斯浓度，继而导致整个巷道的瓦斯浓度的增加，比较而言压裂区域较少的胶带巷和辅运巷其瓦斯浓度变化幅度较小，即未压裂区域钻孔瓦斯浓度的值较为稳定，说明地面压裂井对井下钻孔抽采瓦斯具有确实的影响作用。之后随着前期钻孔瓦斯流量的衰减以及非压裂区域钻孔数量的增加致使回风巷瓦斯浓度逐渐降低。同时，对比分析进风、胶带、辅运3条巷道同期瓦斯浓度可知，瓦斯浓度数值为：辅运巷>胶带巷>进风巷，即受压裂井影响区域越大的巷道因其透气性增大钻孔抽采瓦斯流量衰减越快。

图4 E2307工作面巷道钻孔预抽瓦斯浓度随时间变化关系Fig.4 Relationship between pre-extracted gas concentration in roadway drilling of E2307 working face with time

为了直观分析和研究地面压裂钻井对井下煤层瓦斯抽采效果的影响，在E2307非压裂区域布置了5组实验钻孔，分别为N1，N2，N3，N4和N5钻孔。实验钻孔组和相邻位置压裂区域钻孔组进行直接对照分析，非压裂区域和压裂区域钻孔实测瓦斯浓度对比如图5所示，由于实验钻孔组位于胶带巷的尾端，与主管路距离较远，因此其抽采负压略低于相邻压裂区域钻孔组。通过对压裂区域钻孔组钻孔161-1，161-2，161-3等抽采瓦斯浓度与抽采负压的关系分析可知，在钻孔密封条件、煤层透气性等条件不变的情况下，非压裂区域钻孔实测瓦斯浓度大于15%且小于65%，压裂区域钻孔实测瓦斯浓度大于50%且小于85%。随着抽采负压增大，单一钻孔实测瓦斯浓度呈现离散型变化趋势；而同一时间和同一抽采负压下钻孔瓦斯浓度亦无明显规律。当前区域钻孔预抽瓦斯浓度与抽采负压并非呈现正相关关系，即钻孔单孔瓦斯浓度受抽采负压影响较小。因此，对照分析表明，地面压裂井对于井下煤层钻孔单孔抽采瓦斯浓度的提高效果比较显著。

图5 非压裂区域和压裂区域钻孔实测瓦斯浓度对比Fig.5 Comparison of borehole measured gas concentration in non fractured area and fractured area

同时，还统计了非压裂区域和压裂区域钻孔平均瓦斯浓度数据，如图6所示。非压裂区域钻孔组平均瓦斯浓度最小为35.4%，最大为44.58%，平均为41.032%。压裂区域钻孔组平均瓦斯浓度最小为59.72%，最大为78.88%，平均为70.462%。

图6 非压裂区域和压裂区域平均钻孔瓦斯浓度对比Fig.6 Comparison of average borehole gas concentration in non fracturing area and fracturing area

煤层钻孔受地面压裂井影响，钻孔瓦斯浓度增幅如图7所示。最大增幅为122%，最小增幅为34%，平均增幅为71%。因此，在抽采混量不变的情况下，钻孔瓦斯浓度的增加，可以有效地提高汇流管路内瓦斯纯量，增加井下煤层钻孔抽采瓦斯效率。

图7 压裂区域钻孔瓦斯浓度增加幅度Fig.7 Increase range of borehole gas concentration in fracturing area

2.3 压裂钻井对瓦斯抽采纯量的影响

图8 E2307工作面钻孔预抽瓦斯纯量随时间变化关系Fig.8 The relationship between the pre-extracted gas slag quantity of borehole and time in E2307 working face

以E2307工作面为例，收集并分析了自2015年10月14日至2017年6月26日期间的进风巷、回风巷、辅运巷和胶带巷预抽瓦斯纯量数据随着时间的变化关系，如图8所示。由图8可知，瓦斯纯量随时间基本呈现一个递增的线性变化趋势。即随着各巷道钻孔布置工作的逐步推进，钻孔数量和钻孔进尺的增加，相应地各巷预抽采瓦斯纯量也逐渐增加。比较进风巷、胶带巷和辅运巷抽采瓦斯纯量的大小，即瓦斯纯量：进风巷>胶带巷>辅运巷。同时，由图8可知，回风巷瓦斯纯量的变化幅度亦大于胶带巷和辅运巷，根据3条巷道钻孔布置工作的进展，可知胶带巷和辅运巷抽采瓦斯纯量的增量主要来源于钻孔数量和钻孔进尺的增加，而回风巷抽采瓦斯纯量的增幅更大，认为是钻孔数量和钻孔进尺增加以及地面压裂井压裂区域钻孔的贡献。综合考虑认为地面压裂井增加了压裂区域煤层的透气性，提高了压裂区域钻孔瓦斯浓度，也增加了煤层解吸空间和瓦斯运移通道，促使瓦斯能更快更多的从煤层中解吸出来，表现为巷道瓦斯纯量增幅更大且抽采瓦斯纯量总量更大。进而也说明了地面压裂井作用下井下煤层瓦斯抽采的可行性和有效性。同时，可以看出，单一巷道瓦斯纯量整体呈现线性增加规律，但是局部仍然表现出离散性，表明其受抽采负压、风流变化、钻孔质量、回采工作影响较大。4条巷道中进风巷瓦斯纯量增加最为明显，且平均值大于其余回风巷、辅运巷和胶带巷。

3 结论

1)地面压裂钻井水力压裂后煤层反演渗透率提高了13倍以上。

2)瓦斯浓度最大增幅为122%，最小增幅为34%，平均增幅为71%。同样，瓦斯纯量也有大幅度的提高。

3)高河煤矿地面压裂钻井作业对于提高压裂煤层的渗透能力以及增加井下瓦斯抽采效率具有较好的效果，对高河煤矿及赋存条件相似的煤矿和煤层提高煤层瓦斯抽采效率和预防井下瓦斯动力灾害具有积极的借鉴意义。