底抽巷水力压裂试验及应用效果分析

路 璐

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

瓦斯抽采效果的优劣往往会影响煤矿开拓进度，甚至最终影响煤矿的安全生产[1]。针对低透气难抽放煤层，发展出很多卸压增透技术，其中水力压裂技术较为成熟[2]。水力压裂是利用高压水将煤岩体压裂，改变煤岩体的受力状态，形成大量的裂缝以增加围岩的透气性，提高瓦斯抽采率[3]。

1 工作面概况

新景矿位于阳泉市西部，井田面积64.747km2，其中3#煤层为突出煤层，属于煤与瓦斯突出矿井。3107底抽巷位于保安分区南翼东部，东为本区3105工作面（正掘），南为芦南二区7206、7208工作面（已采），西为本区3107工作面（未掘），北隔采区大巷为3108工作面（未掘）。煤体瓦斯压力 0.75～1.57MPa，瓦斯含量 7.3～17.82m3/t，透气性系数为 0.0188～0.1377（m2/MPa2·d），为典型的高突低透煤层。

2 水力压裂参数的确定

在进行水力压裂试验前，首先应确定煤层水力压裂相关参数。通过对注水流量、压力、时间等相关参数的影响效应进行数值分析，分析参数的影响规律，然后通过理论分析确定各压裂参数。

2.1 压裂参数的数值模拟

利用颗粒离散元程序，建立松软低透煤层水力压裂计算模型，从而模拟压裂参数对压裂半径影响规律[4]，如图1所示。编制相应的计算代码进行数值摸拟，最后将试验结果进行统计整理并分析。

图1 计算模型图

图2 不同流量下压裂半径与压裂时间拟合曲线图

松软低透煤岩水力压裂半径随着注水时间的增加而稳定增长，注水流量对于压裂裂纹扩展半径也有较大的影响，大体趋势是对于同一注水时间，注水流量越大，压裂半径也越大。

图3 压裂时间下压裂半径随注水流量变化拟合曲线

压裂半径与注水流量为非线性正关系，当注水时间控制为某一确定值时，松软低渗煤体压裂半径随着注水时间非线性增加。

由图2、3可见，松软煤层压裂后，压裂影响半径的变化幅度与位置、压裂流量及压裂时间有关。距压裂孔越近，压裂流量越大，压裂影响半径增大越明显；压裂时间对增大压裂半径也有影响，其权重较小。

2.2 压裂参数的确定

（1）泵注压力

泵注压力Pw为：

其中：

煤层破裂压力

Pk=3σh-3σH+σt-P0

式中：

σh-最小主应力，MPa；

σH-最大主应力，MPa；

σt-抗拉强度，MPa；

P0-孔隙压力，MPa。

压裂管路液柱压力PH=H×ρ×g

式中：

H-压裂管路高程落差，m；

ρ-压裂液密度，kg/m3；

g-重力加速度，m/s2。

压裂液沿程摩阻Pr=L×λ

式中：

L-管路长度，m；

λ-摩阻系数，MPa/m。

由此计算得到起裂压力在20MPa左右，泵注压力在25MPa左右。

（2）注水量

前置液用量按下列式计算：

式中：

V前-前置液用量，m3；

R-预计压裂半径，m；

r-孔眼半径，m；

H-地层厚度，m；

φ-孔隙率，%。

当前置液用量达到设计数量时，开始计量顶替液，计算公式如下：

式中：

V替-顶替液用量，m3；

V外-孔外管道的容积，m3；

K-附加量系数，一般值为1.0～1.5；

V管-孔内管柱容积，m3。

经计算，该次压裂孔煤层注水量约为100～120m3，实际压裂注水量由现场情况灵活掌握。

3 试验方案

结合3107工作面地质资料及巷道布置情况，共布置7个水力压裂试验钻孔，压裂半径40m，设计压裂钻孔间距70m，1#～7#钻孔由外向里依次布置，5#压裂孔为1#压裂孔和2#压裂孔之间的补充压裂孔，压裂钻孔布置平面图如图4所示。

图4 3107底抽巷压裂区域钻孔布置平面图

4 卸压增透效果考察

对压裂区域进行压裂效果考察。首先测定未压裂区域的煤层瓦斯相关参数，对水力压裂进行过程分析，并对压裂区域煤层瓦斯含量、含水率等参数测定，确定水力压裂影响半径；然后在压裂区域布置瓦斯预抽钻孔，考察其抽采效果及抽采后煤层瓦斯含量，从而检验水力压裂后卸压增透效果。

4.1 压裂影响半径考察

3107底抽巷共完成7个压裂孔的水力压裂工作。各压裂孔在压裂试验期间均未出现顶板掉渣现象，压裂孔周边围岩有渗水现象。通过对压裂期间压裂钻孔周边围岩渗水情况统计及分析可知：2#压裂孔泵注压力19MPa左右，压裂半径为20m以上；5#压裂孔泵注压力为22MPa左右，压裂半径为50m以上；6#压裂孔泵注压力为23MPa，压裂半径为30m以上。

通过施工水力压裂检验孔判定压裂半径，根据钻孔施工现象、钻孔的瓦斯含量、含水率等参数来判定该处是否处在压裂半径内。使用DGC型瓦斯含量直接测定装置测试煤样的瓦斯含量，使用烘干法测试煤层含水率[5]。可知3#孔泵注压力21MPa，压裂半径为52m左右；7#孔泵注压力26.5MPa，压裂半径为47m左右。

综合水力压裂实施过程及检验钻孔考察可得，南五底抽巷水力压裂泵注压力20～26MPa、注水量100m3左右时，水力压裂影响半径在40～50m之间。

图5 压裂前后钻孔抽采浓度及纯量对比图

4.2 抽采效果考察

水力压裂后，考察钻孔浓度0.64%～75.4%，抽采平均浓度39.22%，相比原始煤体瓦斯抽采平均浓度11.2%提升3.3倍，其中抽采浓度小于20%的观测数据占所有数据的24%，抽采浓度大于20%且小于40%的观测数据占所有数据的19%，抽采浓度高于40%的观测数据占所有数据的57%，提升幅度巨大。压裂后考察钻孔单孔抽采纯量为0.184～31.1L/min，平均单孔抽采纯量3.01L/min，单孔抽采纯量相比原始煤体瓦斯平均纯量1.195L/min提高2.52倍，最高提升26倍。抽采情况如图5所示。

5 结论

（1）数值模拟分析了压裂参数与压裂影响半径的关系，压裂流量是最主要的影响因素，压裂时间次之。

（2）根据工程实况及设备性能确定了压裂参数，泵注压力25MPa，煤层注水量100～120m3。

（3）压裂试验后考察了卸压增透效果，压裂影响半径40～50m，瓦斯抽采浓度提高了3.3倍，抽采量提高了2.52倍，抽采效果明显。