松软煤层超高压水力压裂技术研究及应用

2020-07-24崔娜娜

煤炭工程 2020年7期

黄勇，崔娜娜

(山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西长治 046100)

我国高瓦斯和突出矿井所开采的煤层95%以上都属于低透气性煤层，特别近年来随着煤矿开采深度的逐步增加，地应力随之增大，进一步降低了煤层的透气性系数，从而导致钻孔有效影响范围小，瓦斯抽采效率降低，常规的瓦斯抽采方法难以发挥作用，因此煤层增透技术一直是瓦斯防治技术的研究重点[1-6]。超高压水力压裂技术是一种新型的煤层增透技术[7-11]，可以实现未卸压条件下煤层增透、增大抽放半径，提高抽采浓度和抽采效率，最大限度消除瓦斯灾害，具有节省资金、减少投资、见效快的特点，从根本上解决瓦斯抽采困难的局面[12-16]。

1 矿井煤层地质概况

试验煤矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井主要可采煤层为8号煤层，大部分可采煤层为7号煤层，局部可采的6号煤层、11号煤层。7号煤层厚度为0.66～1.03m，平均0.84m，上距B4岩层平均5.73m，下距B3岩层平均6.24m。7号煤层顶板主要以粉砂岩和砂质泥岩为主，直接底板为粘土岩。8号煤层厚度为2.36～3.78m，平均2.96m，上距M7-2岩层6.24m，下距B1岩层平均24.72m。8号煤层顶板岩性以砂质泥岩和泥岩为主，局部为泥质粉砂岩、炭质泥岩，底板以砂质、泥岩泥岩为主。由于矿井各煤层瓦斯含量较高，煤层透气性极差，瓦斯涌出量大，因此，采用保护层开采防治煤与瓦斯突出。其中，保护层以7号煤层为主，6号煤层及11号煤层为次，8号煤层为被保护层。

通过对矿井相关基础资料和现场实测的分析可知：①7煤层瓦斯压力为1.94MPa，瓦斯含量为15.68m3/t，孔隙率达15.652%，透气性系数为0.0099m2/(MPa2·d)，煤层a、b值分别为20.4352m3/t、0.9873MPa-1，说明该煤层属于低透气性突出煤层；②7号煤层单轴压缩强度仅为0.67MPa，弹性模量为13.4 GPa，泊松比为0.31，说明该煤层型煤样极易变形，属于软煤层。基于此，为了增大7号煤层透气性和提高瓦斯抽采效率，决定在N3704西瓦斯巷实施穿层钻孔超高压水力压裂技术。

2 超高压水力压裂实施方案

2.1 压裂区域煤岩层情况

N3704西瓦斯巷位于-250～-60m水平之间，埋深750m。超高压水力压裂钻孔为穿层钻孔，压裂目标煤层为7号煤层，煤系地层主要由泥质岩类、砂岩类及煤组成。由于7号煤层所在煤组地层抗压强度大、裂隙发育，煤顶板泥岩遇水易崩解、破裂，且底板泥岩遇水极易膨胀，因此，在N3704西瓦斯巷施工钻孔进行穿层钻孔压裂时，预计破裂压裂较大，在压裂封孔时封孔材料最好能封至7号煤层的底板泥岩顶，以免在压裂过程中泥岩膨胀堵塞7号煤层已有压裂通道，影响压裂效果。

2.2 钻孔布置情况

本次压裂共布置1个压裂孔、2个标准孔、15个检验孔，各孔布置如图1所示。钻孔孔径均为75mm，压裂孔钻进至7号煤层顶板3m止，其它钻孔钻进至7号煤层顶板2m止。1#标准孔和2#标准孔的功能是进行参数测试；1#—15#检验孔的功能是压裂效果检验和瓦斯抽采有效半径考察。另外，由于原先设计的标准孔受到了水力压裂影响范围，故重新施工标2孔，由标2孔来测试7#煤层瓦斯压力；检5、检9在打钻过程中，由于钻进问题报废。

图1 钻孔布置示意图(m)

2.3 压裂孔封孔设计

结合N3704西瓦斯巷地应力场方向、裂隙方向、钻孔方向及7号煤层的层位的关系，经研究总结得出，压裂孔封孔由孔口开始，封孔至7号煤层底板。采用高标号水泥注浆进行封孔。压裂孔封孔如图2所示。

图2 压裂孔封孔示意图

1)钻孔用∅75mm钻头开孔，钻进至穿过7号煤层顶板3m停钻，用∅94mm钻头由3孔口扩孔至孔内不少于10m处。

2)孔内压裂管内径为25mm、壁厚8mm的无缝钢管，每根长2m，用相应接头进行连接；压裂管前端为4m花管，花管外用纱布包裹；孔外压裂管管内径为25mm，壁厚为13mm，抗压能力不小于50MPa，每根长2m，孔外压裂管与孔内压裂管、三通、管与管之间均采用抗高压接头进行连接。

3)封孔注浆管采用6分钢管，每根钢管长2m，两头套丝，采用管箍连接，距孔口6m开始钻孔，一周3个孔，不在同一圆周上，孔间距0.2m，孔径∅8mm。

4)封孔段外端通过注入聚氨酯进行封堵，封堵段长度不小于1.5m。封孔段内端主要采用“马尾巴”封堵，即：将“马尾巴”绑在压裂管上，当压裂管注浆花管穿过7号煤层时，停止送管，向孔外方向拉动压裂管，使“马尾巴”收缩，从而起到封堵水泥砂浆及过滤水的作用。“马尾巴”的长度应大于1m，“马尾巴”的条数以与孔壁紧密接触为准。

5)注浆液主料为标号不小于425#水泥，配料为标号32.5#的白水泥，二者比例为3.5∶1。要求注浆液抗压强度大于20MPa，抗收缩能力强。

2.4 压裂过程分析

N3704西瓦斯巷穿层超高压水力压裂于4月19日16：43开始，于4月20日21:32结束，有效压裂时间为10.5h。水力压裂共分两个阶段。

2.4.1 水力压裂第一阶段

第一阶段于4月19日16：43开始压裂，结束时间为21：28，压裂时间总计278min，注入水量为22.74m3。第一阶段的压裂压力、流量与时间的关系曲线如图3所示。

图3 第一阶段压力与流量曲线

在第一阶段的水力压裂过程中，前10min档位是空档，泵组空转运行，其目的是观测泵组工作状态是否稳定，以检测泵组运转是否正常。经检测泵组运转情况正常，供水泵开始工作，并将档位切换至1档，开始向压裂孔注水。经计算，管路及泵组充填所需水量约为0.48m3，在约3min后，管路充填完成，随后开始调节电动调压阀的阀门开度，主泵输出压力开始逐步增大。

第一次煤岩层产生破裂的时间为第111分钟，压力从45.3MPa降至36.2MPa，流量从1.3m3/h升至2.7m3/h，流量增大了约2倍。此后15min内压力和流量均未再有所大的变化，由此判定此时在煤岩层中形成了一条裂隙，之后为裂隙的延伸过程。在压力达到42MPa时，煤岩层裂隙继续开启，并在第157分钟时裂隙充填饱和，在数据上表现为压力升高，流量降低。第二次煤岩层产生破裂是在第164分钟，此时压力由41.8MPa降至37.1MPa，流量由1m3/h升至17.1m3/h，达到了1档的额定排量，这种状态持续55min，在此期间曾切换了2档，但注水流量和注入压力变化均不明显，说明此时形成了一条较大的裂隙，但向裂隙内注水的阻力很大，说明裂隙扩张进程缓慢。

2.4.2 水力压裂第二阶段

1)第二阶段水力压裂是在第一阶段水力压裂的基础上进行的。第二阶段于4月20日15:42开始，持续时间为350min，于4月20日21:32结束，压入水量约为97m3。第二阶段的压裂压力、流量与时间的关系曲线如图4所示。

图4 第二阶段压力与流量曲线

第二阶段注水压裂10min时，压力达到37.6MPa，流量达到16.8m3/h，此状态持续了296min。在此过程中，压力在±2MPa范围内波动，流量在±1.5m3/h范围内波动。第二阶段压裂过程中表现出压力和流量比较高，且比较稳定。

综上分析，本次压裂的两个阶段总计10.5h，注入水量达109.72m3，压裂过程中最高压力值为50.3MPa，压裂地点的起裂压力在40～45MPa之间，延伸压力在36～39MPa之间。整个压裂过程中产生了较多的微型裂隙，增大煤层的透气性，并降低瓦斯抽放难度。

3 压裂效果分析

3.1 压裂后煤层瓦斯抽采难易性分析

结合矿井实际情况，选取1#、2#、3#、4#检验孔作为压裂效果考察，根据4个检验孔记录的参数，计算压裂后1#、2#、3#、4#检验孔测得的7号煤的透气性系数、流量衰减系数，从而评价7号煤层的瓦斯抽放难易程度。透气性系数及流量衰减系数计算结果见表1。

表1 透气性系数及流量衰减系数

由表1对比发现，本次压裂大大提高了7号煤的透气性系数。与压裂前煤层透气性系数结果相比较可以看出，7号煤层经超高压水力压裂后透气性系数增大了50倍以上，瓦斯抽放程度从较难抽放变为容易抽采、可以抽放。

3.2 压裂有效范围的考察

压裂有效压裂范围的考察是通过观察检验孔的打孔现象判定的，根据现场各检验孔打钻情况经过分析，可以分别初步确定沿煤层倾向和走向的压裂范围。

3.1 确定沿煤层倾向的压裂范围

以压裂孔为中心，沿7号煤层的倾向上，在压裂孔以北80m处的1#检验孔在施工47～53.2m时，出现了严重的喷孔现象，且对7号煤层取芯失败，与以前的钻孔施工情况相比，显得较为异常；在压裂孔以北50m处的4#检验孔，在拆除钻孔时，钻孔里出现了渗水，由此，初步确定压裂孔以北的压裂有效范围为50～80m。在压裂孔以南60m处的1#标准孔在水力压裂过程，高压注水将连接在孔口测试参数的压力表压坏，而在距压裂孔以南70m处施工8#检验孔时，无异常现象，由此，初步确定压裂孔以南的压裂有效范围为60～70m。

3.2 确定沿煤层走向的压裂范围

为检测煤层沿走向上的有效压裂范围，在距压裂孔以西55m处施工14#检验孔过程，无异常现象，而在距压裂孔以西30m施工9#检验孔时，出现了全岩层抱钻现象，由此，初步确定压裂孔以西的压裂有效范围为30～55m。在距压裂孔以东60m处施工12#检验孔时，有水流出；而在距压裂孔以东70m处施工检验13#孔时，施工无异常现象，由此，初步确定压裂孔以东的有效压裂范围为60～70m。