張曉偉 余加正 劉俊龍

(國投河南新能開發(fā)有限公司，河南鄭州 451100)

定向壓裂增透技術(shù)在二1煤層中的應(yīng)用①!

張曉偉②余加正 劉俊龍

(國投河南新能開發(fā)有限公司，河南鄭州 451100)

長期以來煤礦瓦斯災(zāi)害一直是制約煤礦安全、高效生產(chǎn)的重要因素。隨著礦井開采深度的增加，瓦斯超限現(xiàn)象時有發(fā)生，給礦井生產(chǎn)帶來了安全隱患。對于透氣性系數(shù)低，抽放困難的煤層，管理上很難實現(xiàn)“掘、抽、采”的平衡。為此，王行莊煤礦引進(jìn)了定向水力壓裂增透技術(shù)，并成功的進(jìn)行了現(xiàn)場試驗;試驗結(jié)果顯示，水力壓裂后，瓦斯抽放量大幅度上升，水力壓裂增透效果良好。

低透氣性;水力壓裂增透;瓦斯抽放

1 概況

國投河南新能開發(fā)有限公司王行莊煤礦設(shè)計能力1.20mt/a，屬突出礦井，采用單水平傾斜長壁式采煤方法，開采二疊系山西組二1煤層，水平標(biāo)高－293m。為確保礦井安全生產(chǎn)，礦井采取了本煤層抽放、淺孔卸壓抽放等多種抽放方法，也取得了一定的成效;但是，該煤層的透氣性系數(shù)為0.0053～0.0642m2/(MPa2·d)，流量衰減系數(shù)為0.55～2.25d－1，屬難抽采煤層，預(yù)抽效果較差，煤層瓦斯預(yù)抽率不足［1－2］。

井下煤體水力定向壓裂增透消突技術(shù)，是通過對低滲透突出煤層實施定向水力壓裂，使工作面前方煤體卸壓，大幅度提高煤層透氣性，高壓瓦斯得到釋放，從而消除工作面突出危險性的一項新技術(shù)［3］。為了解決王行莊煤礦預(yù)抽率不足的技術(shù)難題，該礦與河南煤層氣開發(fā)利用有限公司開展技術(shù)合作，利用井下定向水力壓裂增透消突技術(shù)，對王行莊煤礦瓦斯治理技術(shù)進(jìn)行探索。

2 水力壓裂增透機(jī)理

水力壓裂增透技術(shù)是將壓裂液高壓注入煤(或巖)體中，使煤(巖)中的固有裂隙擴(kuò)展并與壓裂后的裂縫、裂隙溝通，克服最小主應(yīng)力和煤巖體的破裂壓力，擴(kuò)展并伸展、溝通這些裂縫、裂隙，在煤中產(chǎn)生更多的人造裂縫與裂隙，從而提高煤層的透氣性，起到增加瓦斯抽采量，降低煤層瓦斯壓力、瓦斯含量作用。

注入壓裂液使孔壁發(fā)生開裂的瞬時壓力稱為初始破裂壓力(破裂壓力);掌握破裂壓力的量值對分析研究煤層的壓裂規(guī)律、選擇確定壓裂施工設(shè)備和規(guī)程無疑是十分重要的。

水力壓裂部位可視作無限大球體中的一個中心點源(如圖1所示)。這種形式為空間問題球坐標(biāo)形式，其特點是考慮三維空間影響［4－5］。

圖1 點源模型示意圖

該模型適于水平與垂直應(yīng)力差別不大的厚煤層，在三維地應(yīng)力相差不大的情況下，有：

式中：σR——地層中一點相對球中心的徑向主應(yīng)力;

a、b——分別為中空圓球的內(nèi)、外半徑;

R——該點距球心的空間距離;

P1——孔內(nèi)水壓力;

P2——地應(yīng)力。

求解初始破裂壓力的第二步關(guān)鍵問題是判定煤體在一定應(yīng)力狀態(tài)下的破裂強(qiáng)度。根據(jù)固體力學(xué)材料強(qiáng)度理論，有6種屈服理論可對材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)生破壞進(jìn)行判別，它們分別是最大主應(yīng)力理論、最大主應(yīng)變理論、最大剪應(yīng)力理論、總應(yīng)變能理論、畸變應(yīng)變能理論和莫爾應(yīng)力圓理論。

由于煤巖脆性較大，而大量試驗表明用最大主應(yīng)力理論來預(yù)測脆性材料的破壞是較滿意的。據(jù)此，一般情況下用最大主應(yīng)力理論作為煤層初始破裂壓力Pco的計算依據(jù)。將前述的點源模型所得的主應(yīng)力代入最大主應(yīng)力理論，根據(jù)試驗所得煤的單軸抗拉強(qiáng)度σbt，有：

可得破裂壓力

3 水力壓裂增透技術(shù)在二1煤層中的應(yīng)用

3.1 壓裂實施過程

水力壓裂增透技術(shù)實施共分為鉆孔的布置與施工、壓裂鉆孔的封孔及水力壓裂。

3.1.1 鉆孔布置

南翼軌道掘進(jìn)工作面，共計施工壓裂鉆孔兩個，1#壓裂孔：距幫1.1m，距底1m，孔徑Φ89mm，孔深35m，沿鉆孔方向27 m見煤，穿煤厚度8 m，左偏30°。2#壓裂鉆孔：距幫1.1m，距底1m，孔徑Φ89mm，孔深37.8m，沿鉆孔方向22.8m見煤，穿煤厚度15m，右偏17°;具體如圖2所示。

3.1.2 封孔

采用聚氨酯黑白料(配比1∶1)混合反應(yīng)后充填封孔，南翼軌道1#壓裂孔和2#壓裂孔封孔長度均為30m。

3.1.3 水力壓裂

壓裂孔封孔大于4小時后可以實施水力壓裂，壓裂管路使用無縫鋼管和耐壓膠管。無縫鋼管的強(qiáng)度為40 MPa，耐壓膠管耐壓在38 MPa以上，管路通過安全接頭加裝安全閥和放空閥，配套安全接頭采用特制耐壓快速接頭。壓裂結(jié)果顯示鉆孔壓入水量66.9 m3，注水壓力19.6 MPa，壓裂時間145.33min。

圖2 水力壓裂鉆孔布置示意圖

3.2 壓裂技術(shù)要求

3.2.1 注水壓力

注水壓力是試驗的重要參數(shù)。若注水壓力過低，不能壓裂煤體，煤層結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯變化相當(dāng)于低壓注水濕潤措施，短時間內(nèi)注水起不到卸壓防突的作用;若注水壓力過高，導(dǎo)致煤體在地應(yīng)力和水壓綜合作用下迅速變形，若操作不當(dāng)，可能誘發(fā)事故。因此，合理的注水壓力應(yīng)該能夠快速、有效破裂松動煤體，進(jìn)而改變煤體孔隙和裂隙的容積及煤體結(jié)構(gòu)，排放媒體瓦斯，達(dá)到消除突出危險的目的。

壓裂時采用逐步升壓方法，起始壓力初步設(shè)定為5 MPa，每間隔5 min升壓2 MPa，泵壓達(dá)到25MPa以上并穩(wěn)定一段時間后，壓力迅速下降，再持續(xù)加壓時壓力無明顯上升，或者卸壓孔附近瓦斯?jié)舛让黠@升高或有水涌出時，即說明壓裂孔和卸壓孔之間已經(jīng)完成壓裂，此時即可停泵，關(guān)閉卸壓閥，壓裂程序結(jié)束。

3.2.2 壓裂時間

壓裂時間與注水壓力、注水量等參數(shù)密切相關(guān)。注水壓力、流速不同，相同條件下達(dá)到同樣效果的注水時間也不同，注水過程中，煤體被逐漸壓裂破壞，各種孔裂隙不斷溝通，高壓水在已溝通的裂隙間流動，注水壓力隨注水流量的變化而波動，當(dāng)注水泵壓降達(dá)峰值的30%左右，可以作為注水結(jié)束時間。

3.2.3 壓裂層段

煤層作為壓裂目的層宜有適當(dāng)含瓦斯量和厚度，一般噸煤含瓦斯量在6 m3/t以上，厚度1.5 m以上，煤層為目標(biāo)層具有適當(dāng)厚度。煤層壓裂層段及其上下圍巖賦存完好，無斷裂構(gòu)造，以保證壓裂時不發(fā)生串槽、卸壓事故。

3.2.4 選孔原則

壓裂孔裸眼成孔質(zhì)量好，孔身結(jié)構(gòu)可滿足封孔器封隔地層或環(huán)形空間有效，孔深能滿足壓裂層位選擇要求。鉆孔位置的運輸、電源、材料供應(yīng)條件良好，壓裂設(shè)備在巷道內(nèi)能合理擺放，確保施工方便。壓裂后排液、抽采條件良好、距斷層和含水層有適當(dāng)距離。

4 水力壓裂效果分析

2010年4月26日對南翼軌道大巷抽放總管進(jìn)行壓裂前的數(shù)據(jù)收集，2010年5月31日開始對南翼軌道大巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行第一次壓裂，壓裂前及壓裂后各自取該地點18天抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 南翼軌道大巷抽放總管壓裂前的瓦斯抽采數(shù)據(jù)

日期瓦斯混合流量(m3/min)瓦斯?jié)舛?%)瓦斯純流量m3/min日抽放純量m3 5月5日0.499 1.5 0.007485 10.77844 5月8日0.489 1 0.00489 7.0416

表2 南翼軌道大巷抽放總管壓裂后的瓦斯抽采數(shù)據(jù)

壓裂前，南翼軌道大巷掘進(jìn)工作面單孔瓦斯抽采平均濃度為3.088%，單孔日平均抽放純量為22.344m3。壓裂后，南翼軌道掘進(jìn)工作面瓦斯抽采平均濃度為4.233%，較壓裂前提高了1.37倍，單孔日平均抽放純量為841.612m3，較壓裂前提高了37.66倍。

壓裂后，掘進(jìn)工作面在迎頭及附近區(qū)域出現(xiàn)以下情況：1)卸壓孔內(nèi)有大量的煤、瓦斯、水的混合物間歇性噴出;2)南翼軌道大巷回風(fēng)流多次瓦斯超限，瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到1.54%;3)壓裂孔上幫、下幫、頂板巖壁出水;4)巷道三分之一斷面巖體濕潤;5)工作面迎頭頂板探煤孔有大量的煤泥間歇性噴出，實施水力壓裂工藝后，2個掘進(jìn)工作面分別清理出煤泥2～3t;6)南翼軌道大巷遠(yuǎn)距離爆破揭開煤層的瞬間最高瓦斯?jié)舛葹?.49%現(xiàn)場無煤塵飛揚，煤層粘結(jié)較好。

壓裂前后的瓦斯抽采數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的壓裂現(xiàn)象都表明：水力壓裂后，工作面前方煤體卸壓，透氣性大幅度提高;煤層瓦斯得到釋放，抽采瓦斯量大幅度提高;水力壓裂技術(shù)的實施起到了提高抽采率、降塵等作用。

5 結(jié)論

1)針對王行莊煤礦的特點，對水力壓裂工藝進(jìn)行了設(shè)計，并在該礦南翼軌道大巷掘進(jìn)工作面成功的進(jìn)行了現(xiàn)場壓裂試驗。

2)采取水力壓裂技術(shù)措施后，瓦斯抽采量大幅度上升，煤(巖)壁出水，鉆孔噴煤，這些現(xiàn)象表明，壓裂效果良好。

3)水力壓裂后，瓦斯抽采濃度由3.088%上升至4.233%，雖然提高了1.37倍;但是，上升的絕對數(shù)量較小，這就需要提高瓦斯抽放鉆孔的封孔質(zhì)量。

［1］田坤云，王曉偉.王行莊煤礦二1煤瓦斯賦存規(guī)律［J］.煤炭科技，2011，(02)：76－78

［2］王嵩峰，王小同，田坤云.王行莊煤礦二1二3煤層瓦斯突出危險性區(qū)域預(yù)測［J］.煤2010，19(8)：54－55

［3］郭啟文，梁安民，劉懷濤，等.井下水力壓裂報告［R］.鄭州：河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，2010

［4］杜春志.煤層水壓致裂理論及應(yīng)用研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008

［5］陳小奎.煤層水力壓裂三相混合數(shù)值模擬研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2008

Application of directional fracturing increased permeability technology in No.Ⅱ-1 Coal Seam

ZHANG Xiaowei，YU Jiazheng，LIU Junlong

(SDIC New Energy Development Co.，Ltd.．Zhengzhou Henan451100)

Coal mine gas disaster has been an important factor that restricted coal enterprises secure and efficient production with in a long time.With underground mining depth increases，the gas gauge phenomena have occurred，and it brings the hidden danger to mine safety production.To coal seam that permeability coefficient is lower and gas drainage is difficult，it is very difficult to achieve the balance of digging，pumping and mining in the aspect of management.Therefore，directional hydraulic fracturing increased permeability technology was recommend to Wangxingzhuang coal mine，and the field experiment was conducted suc cessfully;the test result shows that the quantity of gas drainage increases substantially after hydraulic fracture and the effect of hydraulic fracturing increased permeability is very good.

low permeability;hydraulic fracturing increased permeability;gas drainage

TD712

A

1672－716992011)03－0035－04

2011－06－12

張曉偉(1982－)，男，河南許昌人，大學(xué)畢業(yè)，國投河南新能開發(fā)有限公司副總工程師，研究方向：煤礦瓦斯防治工作。