新元矿3号煤层水力压裂增透技术研究及应用

高振博

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

新元矿31009工作面主采3#煤层，位于二叠系下统山西组中部。埋深618m，煤层均厚为2.85m，煤层倾角一般为 2°～4°，平均 3°，局部达 6°。3#煤层直接顶为砂质泥岩，厚度为1.49m，老顶为细粒砂岩，厚度为1.65m，上部依次为2.15m的砂质泥岩和1.90m的粉砂岩；底板为0.56m的砂质泥岩，直接底为0.97m的粉砂岩，老底为2.35m的砂质泥岩。具体煤层顶底板岩层情况如表1所示。该矿3号煤层为突出煤层，瓦斯含量达14.89m3/t，局部区域瓦斯含量达到18m3/t左右，瓦斯压力为2.44MPa，透气性系数为0.017mD，硬度f＜0.4。在对该煤层进行采掘作业前，必须进行瓦斯抽采。原有的针对煤巷掘进采取的抽采方式效率较低，工程量较大。为节约井巷工程，提高瓦斯抽采效率，通过大量的调查、研究和考察，结合现有的瓦斯抽采新工艺、新技术[1]，决定在31009尾巷结合千米钻进工艺对3号煤层采取水力压裂增透新技术，快速抽采煤层瓦斯。

表1 顶底板岩层性质

2 水力压裂技术原理

煤矿井下水力压裂技术是利用高压水促使煤层原有裂隙张开，并形成新的裂隙，增加煤层透气性。其技术原理主要包括以下几个方面。

2.1 水力压裂裂缝起裂机理

原始煤层中本身含有一定量的裂隙，压裂开始后，水在高压的作用下进入煤层中的原生裂隙，当注入水压高于煤层的渗失水压时，原生裂隙前端应力增大，裂隙将起裂与延伸，煤层内原来闭合的裂隙就会张开，形成新的水流通道，随着高压水的持续注入，压裂水就进入到次生裂隙中，裂隙范围不断增大，形成贯通的裂隙区域[2]。因此，煤层的渗透性变大，新产生的裂隙为瓦斯流动提供了良好的通道。

2.2 水力压裂裂缝延伸及扩展

在高压水的作用下产生新的裂隙后，在裂隙边缘部位，当积累的水压大于煤体弱面粘结力时，弱面开裂，高压水将煤颗粒向前推进，形成新的封堵区域。随着压力的升高，煤体进一步被压开，导致裂隙弱面发生扩展、延伸，裂隙范围不断增大，直到水流遇到较大裂隙时，水流汇入大裂隙通道，无法积聚，压裂过程结束[3]。随着煤体内部裂隙的起裂与延伸，最终将形成压力孔为中心的裂隙网络，达到了增加煤层裂隙范围的目的，增加了煤层的透气性。

2.3 煤矿井下水力压裂适用性

对于弹性的原生结构煤，煤体较硬，孔隙率不大，随着高压水的持续注入，原来闭合的裂隙会开裂，在高压水进入弱面时，积累的水压大于煤体粘结力时，裂隙弱面发生扩展延伸，最后形成裂隙网络，适合采用水力压裂的方法来增加煤层的透气性；对于碎粒煤和糜棱煤，由于煤体节理面复杂，原生裂隙已被破坏，高压水注入后，会在最弱裂缝处产生应力集中并撑开裂缝，然后再寻找下一个最弱裂缝，循环下去，不能持续积累水压完成进一步的延伸与扩展，因此形成不了完整有效的裂隙通道，不适合采用水力压裂的方法[4]。

3 水力压裂的现场实施

3.1 试验钻孔的布置

本次水力压裂选在31009工作面尾巷，该施工巷道沿3号煤层向西下坡掘进，煤层倾角一般为2°～4°，平均3°，局部达6°左右，煤层厚度2.85m左右，该区域瓦斯含量较高，属于低渗透突出煤层，根据煤层赋存条件和巷道布置方式进行钻孔布置[5]。水力压裂钻孔布置图如图1所示，钻孔参数见表2。

图1 钻孔布置图

表2 压裂钻孔参数表

3.2 压裂钻孔封孔

水力压裂要求钻孔封孔具有较高的强度，密封性好，封孔不好会直接导致水力压裂的失败。若封孔深度处于应力集中的峰前位置，可能会导致产生新的应力集中；若封孔深度处于应力集中的峰后位置，则有可能会产生水流通道。因此选在应力集中处设置封孔，以提高封孔的严密性。通过分析，最终确定了该压裂孔的封孔位置离孔口60m。

3.3 水力压裂高压注水系统

本次水力压裂采用BYW65-400型压裂泵，由于压裂段长度达200m，压裂过程中压裂液滤失严重，一台泵的流量不足以支撑煤层起裂，因此需使用两台压裂泵组并联进行（额定压力29.5MPa，额定流量65.4m3/h)，并安装有水表、压力表、卸压阀、安全阀等附件。在压裂泵组安装地点附近设置一个长×宽×高为10×1×2m的水池，并使用Φ108mm水管为其不间断供水；在水池中安装一台能力大于66m3/h流量的离心泵给两台泵组供水，供水压力0.03～0.1MPa。水力压裂系统布置示意图如图2所示。

图2 水力压裂系统布置示意图

3.4 水力压裂实施

在压裂过程开始后，对注水压力、液量、流量等数据进行实时监测直至数据不再变化达到稳定，并绘制出注水压力、流量随时间变化的曲线如图3所示。

在压裂试验过程中，高压水充满煤体裂隙中，随着注水压力的增大，高压水不断积聚能量直到煤体产生新的裂隙，压力迅速下降，流量大幅上升。在新产生的裂隙中，随着压力的增大，高压水再次积聚能量，再次使原来的裂隙延伸、扩展，经过反复多次的压力下降过程，最终压力和流量相对稳定，压裂停止。整个压裂过程中，总共向煤体中注水126.8m3，泵注压力平均值为27.2MPa，注水流量为608L/min，压裂总时长约为3.6h。通过注水压力与流量的变化可以看出：煤体起裂压力约为34.2MPa，裂缝延伸压力约为28.6MPa。

图3 注水压力、流量随时间变化

4 水力压裂效果考察

为了考察水力压裂前后煤层透气效果，压裂前在距离压裂孔侧40m处设置测试孔，压裂后在水力压裂影响范围边缘处每隔5m设置1个抽采观测孔来测定瓦斯抽采参数。其中，1#～6#号观测孔距离压裂孔中心的距离分别为5m、10m、15m、20m、25m、30m。压裂后各观测孔抽采瓦斯浓度、纯度随时间变化曲线如图4、5所示。

图4 抽采浓度随时间变化

图5 抽采纯流量随时间变化

由图4可知，压裂前测试孔最大瓦斯抽采浓度为33%，压裂后1#～3#观测孔最大瓦斯抽采浓度为81.8%、78.2%、70.2%，是测试孔抽采浓度的2.1～2.4倍。测试孔瓦斯抽采浓度在15d以后基本达到稳定，约为11%，而1#～3#观测孔在第30d时抽采浓度平均值为47.2%，与测试孔压裂前的最大瓦斯抽采浓度相近；4#～6#观测孔的瓦斯抽采浓度平均值与测试孔大致相同。由图5可以看出，压裂前测试孔最大瓦斯抽采纯流量为0.023m3/min，压裂后1#～3#观测孔最大瓦斯抽采纯流量为0.061m3/min、0.055m3/min、0.48m3/min，是测试孔抽采纯流量的2～2.5倍。测试孔瓦斯抽采纯流量在15d以后趋于稳定，约为0.007m3/min，而1#～3#观测孔在第30d时抽采纯流量平均值为0.017m3/min，与测试孔压裂前的最大瓦斯抽采纯流量相近；4#～6#观测孔的瓦斯抽采纯流量平均值与测试孔基本一致。综上所述，通过对新元矿3号煤层实施水力压裂技术后，实验压裂的主要影响范围在15～20m左右，在此范围内瓦斯抽采浓度和纯流量都大幅度提高。

5 结论

选用水力压裂新技术来增加煤层透气性，并结合巷道具体情况确定了长钻孔压裂抽采的具体方案。通过对比压裂实施前后的瓦斯抽采参数可知，压裂影响区域抽采浓度平均提高了2.3倍，瓦斯抽采纯量平均提高了2.2倍，水力压裂提高了瓦斯抽采效率，效果良好。