深部煤层上向穿层水力压裂强化增透技术研究

高 松

(淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽 淮南 232001)

两淮矿区各主采煤层煤层透气性通常较低，瓦斯预抽工程周期长，工程量大。为了实现快速消突，通常利用开采卸压层区域性增透技术，以及爆破增透等强化增透技术。然而对于首采层，开采卸压层的方法却无法施展，因而只能采用强化增透技术。

水力压裂技术最早应用于石油和天然气开采领域，至今仍是这一领域的主要增产措施。1965年，原煤科总院抚顺分院开始将这一技术引入煤层气地面抽采领域，取得了一定的效果[1]。近年来，水力压裂技术开始逐步引入到井下煤层增透领域[2-5]。文献[6]利用井下水力压裂技术在淮南矿区实现了大范围、长时间的增透，实现了煤层气的安全高效抽采。文献[7-8]对井下水力压裂工艺进行了改进，在河南和安徽等矿区进行了试验，取得了较好的效果。文献[9]实现了定向压裂，使裂隙沿煤层走向扩展，实现了定向增透。文献[10-11]提出了脉动压裂技术，实现网状结构压裂隙，大幅提高了煤层透气性。

然而，煤矿井下穿层水力压裂技术是一项新技术，其机理和工艺等仍需要进一步完善。本文利用数值模拟和现场工程试验的方法，研究了水力压裂煤层裂隙扩展特性及增透效应，并进行了井下工程试验验证，实现了大范围、长时效的增透，有效的抽采了煤层瓦斯。

1 数值模拟

1.1 数值模型

根据潘北煤矿13煤的实际情况建立水力压裂RFPA数值计算模型，如图1所示。

图1 数值模型

该模型从上至下分为顶板、煤层和底板三层，模型长60m、高32m。 煤厚为4.0m， 水力压裂钻孔直径为95mm。 共划96 000个单元。 在模型的上方施加垂向地应力19MPa、水平方向地应力6.5MPa，该模型材料力学与渗流力学参数如表1所示。

表1 模型材料力学与渗流力学参数

1.2 模拟计算结果与分析

1)裂隙分布特性。从如图2所示的模拟结果可以看出，在水力压裂过程中，首先产生了水平方向的主裂隙，即主裂隙扩展方向为垂直于最小主应力方向。当主裂隙扩展到一定程度后，在主裂隙末梢处开始出现分支裂隙，分支裂隙的产生是随机的，与煤的均质性有关。当煤的均质性越低，产生分支裂隙的可能性越高。

在水力压裂的初期，裂隙的数量较少，但扩展速度较快，以主裂隙为主；随着裂隙不断向煤体深部扩展，裂隙所覆盖的范围不断增大，呈扇形分布，且离压裂孔越远，在垂向上的影响范围越大。这些裂隙彼此相互贯穿，形成复杂的网状结构。

从计算结果可以看出，压裂后，在距离水力压裂孔20～25m范围内的煤体内形成了大量的压裂隙，透气性大幅提高，有效的提高了煤层的透气性。

2)应力分布特性。水力压裂后，在裂隙的前端处形成了应力集中，迫使裂隙不断发展。但在裂隙区内的煤体中的应力值有效降低，形成了卸压区。根据模拟结果，压裂孔周围半径20m的煤体为卸压区，20～30m为裂隙前端集中应力区，30m以远为未影响区。

(a)水力压裂初期 (b)水力压裂后图2 水力压裂过程中压裂与应力演化过程

3)煤层透气性。压裂前后煤层透气性的变化情况如图3所示。从图3中可以看出，在水力压裂之前，煤体的透气性极低，水力压裂后，煤层的透气性获得了有效的提高，煤层渗透率系数显著增大。通过水力压裂，煤层渗透率在20～25m范围平均提高了32倍。

(a)声发射活跃点 (b)压裂前后渗透率变化图3 煤层渗透性变化

2 上向穿层水力压裂增透试验

淮南矿业集团潘北矿是一个典型的深部突出矿井，煤层透气性极低，采用常规增透方法后，增透效果不理想，严重影响采掘接替。通过数值模拟可以发现，通过水力压裂技术可以在煤体中大范围、有效的提高煤层的透气性。因而，为快速消除煤层突出危险性，实现工作面两顺槽安全快速掘进，从而保障采掘接替，在潘北矿1131(3)底抽巷利用水力压裂技术，实现下顺槽条带增透，提高煤层透气性，解决安全高效增透、瓦斯高效抽采的难题。

2.1 水力压裂概况

1131(3)采煤工作面走向长度1 215m， 采煤面长度260m， 标高为-672～-713.3m， 所属煤层为突出煤层。 工作面范围内煤层平均瓦斯含量8.7m3/t，平均瓦斯压力2.12MPa，含水率1.72%，渗透率0.00 036mD。

1)水力压裂设备。1131(3)工作面压裂泵采用额定压力56MPa、额定流量200L/min的乳化泵，压裂管为直径42mm的无缝钢管，连接压裂泵和压裂管的软管为直径19mm的高压胶管。

2)压裂钻孔设计。沿1131(3)工作面下顺槽底抽巷每隔80m布置一个上向穿层的水力压裂孔(见图4)，压裂孔的直径为95mm。

图4 压裂钻孔设计平面图

2.2 压裂效果考察

1)压裂后有效影响半径考察。压裂后，不拆除高压胶管、压裂泵等，维持压裂时的连接状态10d后，进行压裂效果考察。分别施工T1组、T2组、T3组、T4组、T5组、T6组效果考察钻孔，如图4所示。见煤后，分别取样进行含水率、Δp、硬度、煤层孔隙率和瓦斯含量测试。

根据各组考察钻孔煤样含水率的测试结果绘制出水力压裂后含水量等值线图，如图5所示。

图5 含水率等值线图

根据图5的测试结果可以看出，水力压裂有效影响半径为20～25m。

2)抽采效果考察。拆除连接高压软管后，将图4中所示的T1、T2和T3组中的30个钻孔接入瓦斯抽采系统，作为一个单元进行考察。同时，分别安装自动和人工抽采流量测定接口，分别利用人工计量和自动计算两种方式，考察这一单元内的抽纯采量等关键参数，测定结果如表2所示。

表2 压裂效果

从表2可以看出，实施水力压裂增透技术后，在一个多月的时间里，考察单元内瓦斯抽采纯量均提高2倍以上。

原始未压裂区域的煤巷条带瓦斯预抽达标时间为44d，经过压裂后，预抽达标仅为30d，缩短了15d，与未压裂区相比，预抽达标时间缩短34%。

3 结论

本文综合利用数值模拟和现场工程试验的方法，研究了深部低透气煤层底抽巷上向穿层水力压裂强化增透技术及其增透效果。

(1)研究获得了水力压裂过程中，煤体裂隙的发育和分布规律、应力分布特性以及透气性变化特性，水力压裂对煤体的增透机制。研究发现，在距离水力压裂孔20～25m范围内的煤体内形成了大量的压裂隙，透气性大幅提高，有效的提高了煤层的透气性。

(2)通过现场工程试验，利用井下穿层水力压裂增透的方法，实现了深部低透气性煤层大范围、长时效增透，实施水力压裂增透技术后，在一个多月的时间里，考察单元内瓦斯抽采纯量均提高2倍以上，与未压裂区相比，预抽达标时间缩短34%。

(3)研究结果可供深部低透气性煤层增透借鉴。