复杂构造带低渗高瓦斯煤层水力压裂增透技术

石晓红，赵立朋，2，李俊堂，王如江，吴财芳

(1.华阳新材料集团瓦斯地质研究应用中心(阳泉新宇岩土工程有限责任公司)，山西 阳泉 045000；2.河南理工大学 资环学院，河南 焦作 454000； 3.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

随着开采区域向地质构造相对复杂的井田西部推进，矿井开采深度和强度加大，煤与瓦斯突出危险性增大。目前，矿井采用井下本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和井下千米长钻孔区域瓦斯抽采等方法进行煤与瓦斯突出灾害防治，但受煤层松软、透气性差、防突与采掘工程阻碍等因素影响，井下千米长钻孔内部容易发生塌孔，井下瓦斯抽采达不到预期效果，防突出效果不佳，在巷道掘进过程中时常发生瓦斯超限与突出事故。

近年来，地面煤层气井开发成为一种新型矿井瓦斯治理技术，煤层气(又称“瓦斯”)开发与煤炭资源共采在我国能源行业成为共识，并得到广泛应用[1-2]。我国煤层渗透率普遍较低，通过储层改造提高煤层渗透率是提高煤层气产量的重要手段[3-4]。水力压裂技术是煤层气增产最常用的手段之一，当压裂液流压超过煤层的力学强度时，煤层中就会形成裂缝，提高渗透率，通过调整压裂液的加砂量、前置液量等关键参数，能够有效控制压裂裂缝的缝高、缝长等参数，对于低渗煤层渗透率具有显著改善效果。沁水和鄂尔多斯盆地煤层气井利用水力压裂技术成功突破我国“浅煤层”(<1 000 m)的煤层气开发瓶颈[5]。

以阳泉新景矿高瓦斯煤层为研究对象，针对研究区构造复杂、渗透率低的煤层特点，利用水力压裂增透技术，分析地面直井压裂技术对煤层瓦斯抽采效果的影响，以期为研究区矿井瓦斯治理和煤矿安全开采提供依据。

1 复杂构造带瓦斯赋存特征

1.1 试验区地质特征

新景矿位于阳泉矿区大单斜构造西部，区内次一级褶曲构造比较发育，在平面上褶曲走向为NNE-NE，以波状起伏褶曲为主，呈向背斜相间、斜列式、平列式组合。在剖面上多以上部较开阔平缓，下部较紧闭的平列褶曲为主。但在局部地区也出现一些不协调的层间褶曲。这些不同形态、不同组合的褶曲群，构成了区域构造的主体。

结合研究区三维地震勘探资料，新景矿3#、8#和15#主采煤层的层间小断层比较发育，总体趋势为西部多于东部；并且在曲翼部更为发育，轴部相对次之，同时端部偏多，其他部位较少。3个主采煤层的断层构造发育较小，但这些中小断层的组合构造同样是瓦斯局部富集的重要影响因素，且对主采煤层的瓦斯赋存及煤与瓦斯突出具有控制作用。新景矿瓦斯含量等值线如图1所示。

图1 新景矿瓦斯含量等值线图

1.2 复杂构造带瓦斯赋存规律

煤层瓦斯的生成、赋存、运移和富集除了受其生成条件的影响外，更重要的是受地质构造的控制[6]，尤其是构造演化[7]和水动力条件[8]的影响。矿井构造组合特征决定了构造应力场和构造煤的分布规律，矿井构造通过控制构造软煤的分布进而控制突出区带分布；相同热演化条件下，构造煤煤化程度偏高，其形成过程中有大量瓦斯生成，造成煤层含气量高；构造作用还可使煤层增厚、结构破碎，有利于瓦斯聚积并易于突出[9]。理论研究和实践表明，向斜为煤层气富集的主要构造形态[10]，向斜轴部为瓦斯富集区；断层保存煤层气的能力随着断裂性的不同而具有显著的差异[11-12]，剪性和压扭性断层附近为瓦斯富集区。地质构造强烈挤压和剪切作用引起构造应力集中，构造煤发育。中小型构造同样是瓦斯局部富集的重要条件，封闭型构造有利于瓦斯的封存，开放型构造有利于瓦斯的释放。

1.3 复杂构造带煤储层渗透性

研究区复杂的地质构造发育特征和应力场分布特征造成区内煤层孔隙率与渗透率普遍较低(见表1)。据国际上煤层气井试井渗透率划分，研究区煤层均为低渗、超低渗储层，不利于后期的进一步的研究，以及煤层气的开发与瓦斯抽采工作的进行。因此，采用国内的储层渗透率划分方法，重新拟定研究区渗透率：高渗储层渗透率>1×10-15m2；中渗储层渗透率为1×10-16～10×10-16m2；中低渗储层渗透率为1×10-17～10×10-17m2；低渗储层渗透率为1×10-18～10×10-18m2；特低渗储层渗透率<1×10-18m2[7]。按以上划分标准，研究区大部分区域属于中渗储层。

表1 研究区煤层孔隙率与渗透率

2 低渗透煤层水力压裂增透技术

2.1 地面直井井位选择

研究区位于新景矿北九正副巷附近千米钻机施工区域西部复杂构造带的A区、B区和C区，区域内发育有6条断层和5个冲刷带，在研究区断层附近选取9口煤层气井(见图1)。一方面，这些逆断层主要受担山—佛洼北向斜构造控制，煤层的煤化程度偏高，其形成过程中有大量瓦斯生成，造成该区域煤层含气量高；另一方面，这些逆断层属于压扭性断层，对煤层瓦斯有一定的封闭作用，且其构造作用会使该区域的煤层结构破碎、有利于煤层瓦斯的运移和聚积，易发生煤与瓦斯突出[13-14]。

称取每份5.0 g的刺葡萄皮6份，各加入0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%盐酸溶液100 mL，于40℃恒温下水浴浸提40min，过滤，于波长523 nm处测定刺葡萄皮花青素的OD值，确定浸提溶剂质量分数。

由于矿井地质构造对煤体结构及煤层瓦斯赋存具有主导控制作用，从而使复杂构造带成为典型构造软煤瓦斯富集区，属于一级和特级瓦斯地质类型区域[15]。采用地面直井压裂技术对主采煤层进行压裂增透，使煤层气直井水力压裂形成的煤层高渗区与地质构造附近煤层的高渗区相互沟通，实现更大范围的煤层防突，为提高矿井采掘进度和保证矿井安全生产提供根本保障[16]。

2.2 直井水力压裂增透机理

煤层水力压裂是煤储层改造的关键技术，其机理是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将压裂液泵入钻井内，在钻井底部产生高压区，其压力随注水压力的增加而增大[17]。当高压区压力超过地层力学强度后，在储层中出现初始损伤，形成起裂裂缝，损伤区应力得到释放，并且高压区随压裂液向外逐步扩展前移，出现在损伤区裂缝前端，范围逐渐增大，并在宏观裂缝前端周围形成应力集中，发生微裂纹的萌生和稳定扩展，当这种损伤发展到一定程度后，将在某一方向上形成力学薄弱面，裂纹将沿此方向向前扩展，使储层损伤成为连锁反应，宏观裂缝得以进一步扩展和延伸。随后注入带有支撑剂的携砂液，使水力裂缝继续发育，并得到有效支撑，最终在储层中形成具有一定长度和宽度、彼此相互连通的填砂裂缝带[18-19]。

2.3 直井钻井压裂工艺

新景矿地质构造复杂，构造软煤发育，部分岩层强度低，直井裸眼完井井壁稳定性差，故采用直井套管方式完井和水泥浆方式固井，采用高密度深穿透射孔技术射孔，压裂液采用清洁活性水压裂液。

因煤层埋藏较浅，闭合应力较低，为提高裂缝导流能力，煤储层水力压裂选择细—中—粗粒石英砂为支撑剂。并采用低砂比和逐级加砂模式，砂比由低到高依次加入，颗粒也由小到大依次加入，直至所劈开裂缝几乎被全部支撑，达到远距离支撑裂缝的目的。煤层井煤层水力压裂工艺参数如表2所示。

表2 煤层井煤层水力压裂工艺参数

3 地面直井水力压裂效果评价

3.1 地面直井压裂效果分析

按照上述的钻井压裂方案，对研究区9口地面煤层气井进行水力压裂，获取煤层气井水力压裂综合曲线图，分析压裂过程中油压、排量和砂比等相关参数，综合考虑并分析地质构造即断层和褶皱对压裂效果的影响。煤层气井水力压裂综合曲线如图2所示。

(a)XJ-2

(b)XJ-3

(c)XJ-4

(d)XJ-5

(e)XJ-6

(f)XJ-7

(g)XJ-8

(h)XJ-9

(i)XJ-10

由图2可以看出，研究区的瓦斯抽采井压裂曲线的差异较大，压裂曲线可以分为3种成因。

1)构造控制。研究区复杂的构造容易导致抽采井附近的煤层出现气水异常。例如XJ-4井位于担山—佛洼北向斜轴部，抽采煤层顶板为下石盒子组砂岩裂隙含水层，底板为山西组砂岩裂隙含水层(K7)，向斜轴部聚水，储层供液能力增强，排采强度增大，压降不易传递，导致储层压力很难降低。位于断层附近的煤层容易发生压裂裂缝沟通断层，如XJ-5、XJ-6和XJ-7井，受走向NW的3条压扭性逆断层和担山—佛洼北向斜控制。由于断层构造的控制作用，煤层煤化程度较高，构造软煤发育，煤层结构破碎。造成压裂施工后期提高砂比时，施工压力下降。

2)沉积环境控制。研究区内古冲刷带附近，早期形成的煤层受到河流冲蚀作用，此区域煤层顶底板岩性组合由较软、变形量较大的粉砂岩或泥岩变为硬度大、致密、封盖能力强的砂岩，在构造发生形变时，致使煤层与顶底板岩层之间出现相对滑动和揉搓，形成煤体结构破坏区，压裂过程中粉煤堵塞了正常的渗流通道，如XJ-8和XJ-9井。

3)工程技术影响。依据这几口井的现场压裂报告可知，XJ-2井在排采前期，由于设备故障导致较长时间停机，可能产生了由非连续排采引起的“气锁效应”“贾敏效应”和“速敏效应”，渗流通道被堵塞。XJ-10井附近存在一条巷道，压裂裂缝可能沟通了该巷道。

煤层气井压裂效果评价见表3。

表3 煤层气井压裂效果评价

综合上述分析，XJ-5、XJ-6、XJ-7、XJ-8 井产气量较高，总产气量均在1×105m3以上，其中XJ-5井总产气量最高，达到8.03×105m3；XJ-2、XJ-3、XJ-4和XJ-10井产气量远低于XJ-5井，其中XJ-4井总产气量最低，仅为2 847 m3。

3.2 复杂构造带地面直井压裂煤层防突效果井下考察分析

新景矿北区3216综采工作面位于XJ-8井附近，在XJ-8井压裂抽采影响范围内的3216瓦斯治理巷、3216切巷、3216回风巷和3216辅助进风巷各布置2个钻孔进行煤心取样，测定取样地点煤层的瓦斯含量w、钻屑瓦斯解吸指标k1和坚固性系数f值，用以考察地面压裂直井瓦斯抽采防突效果。取样点位置和测定结果如表4所示。

表4 3216综采工作面煤与瓦斯突出危险性评价结果

由表4可见，XJ-8井完成抽采后，3#煤层平均瓦斯含量为11.47 m3/t，比原始瓦斯含量14 m3/t降低了2.53 m3/t；平均钻屑瓦斯解吸指标k1为0.34 mL/(min1/2·g)，相较于原始地层的平均钻屑瓦斯解吸指标0.64 mL/(min1/2·g)降低了0.31 mL/(min1/2·g)，降幅达到48%，大大低于临界值0.5 mL/(min1/2·g)，消除了采掘工作面的煤与瓦斯突出危险性。同时，相较于原始煤层最大坚固性系数f值为0.3～0.4，煤层最大坚固性系数f值出现明显增大，增大至0.59～0.66，经地面水力压裂过后的煤体变硬，从而进一步消除了煤与瓦斯突出危险性。

4 结论

1)地面水力压裂是研究区煤层增透的有效方法，压裂后煤层裂缝平均半翼缝长超过100 m，平均缝宽超过15 mm，煤层渗透率明显增大，特别是位于向斜构造控制的封闭性逆断层构造带和冲刷带煤层渗透率大幅增高，表明水力压裂对复杂构造带煤层瓦斯治理具有显著效果。

2)试验证明，复杂构造带地面井水力压裂抽采瓦斯技术能够有效降低煤层瓦斯含量与瓦斯压力，降低突出煤层发生煤与瓦斯突出的概率，从而提高煤巷安全高效掘进速度，有效缓解矿井工作面采掘失衡的情况，具有良好的安全效益。

3)经过地面井瓦斯抽采，研究区吨煤瓦斯含量下降了2.53 m3/t，累计抽采瓦斯175.4万m3，平均日产气量2 622.3 m3，平均月产气量7.46万m3，平均瓦斯浓度(CH4体积分数)96.23%。