劉 毅

（煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計(jì)研究院有限公司貴州分公司）

我國(guó)是一個(gè)“富煤、貧油、少氣”的國(guó)家，在已探明的一次能源資源儲(chǔ)量中，煤炭占94.0%，因此，煤炭在我國(guó)的能源中一直占據(jù)著重要地位。煤層氣作為一種清潔的不可再生能源，具有“高效、安全和環(huán)保”三大屬性。合理地對(duì)煤層氣進(jìn)行開發(fā)利用，對(duì)于緩解能源供應(yīng)，降低溫室氣體的排放，防治高瓦斯礦井出現(xiàn)煤與瓦斯突出，保障煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。此外，提高煤礦瓦斯抽采率、利用率，減少瓦斯排放，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)和環(huán)境保護(hù)同樣具有重要意義［1-2］。

由于我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)條件多變、煤層瓦斯賦存復(fù)雜，煤層普遍具有滲透率低、含氣飽和度低、孔隙率低、吸附瓦斯難等特征。隨著礦井向深部延伸，煤層地應(yīng)力增大，瓦斯壓力和瓦斯含量加大，瓦斯威脅日益加劇。水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等作為有效的技術(shù)措施，能增加低透性煤層的裂隙發(fā)育，防治高瓦斯礦井出現(xiàn)煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)瓦斯的安全高效抽采［3-5］。張國(guó)華［6］指出水力壓裂增強(qiáng)低透氣性煤層的機(jī)理是原生弱面的擴(kuò)展與延伸，并對(duì)煤層采用水力壓裂致裂后裂隙擴(kuò)展的力學(xué)條件進(jìn)行了探究。鄧廣哲、康向濤等［7-8］利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬分析等方法，研究了低透氣性煤層裂隙擴(kuò)展的演化過程，分析了水壓作用與裂隙的形成、擴(kuò)展和煤層滲透性改變的關(guān)系，建立了水力壓力與煤體裂隙擴(kuò)展的對(duì)應(yīng)關(guān)系；研究發(fā)現(xiàn)在煤層中注入水，能降低煤層的硬度，使煤層結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞，增加煤層的裂隙［9］。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用能有效地使煤層產(chǎn)生裂縫，增加低透氣性煤層的透氣性，有效地提高煤層瓦斯抽采效率，保障了高瓦斯礦井的安全生產(chǎn)［10-13］。

以石壕煤礦為研究背景，針對(duì)煤質(zhì)較為松軟，煤層中瓦斯含量大，透氣性系數(shù)低，成孔條件較差，跨孔嚴(yán)重，瓦斯抽采非常困難等問題，為了解決低透氣性煤層礦井煤與瓦斯突出治理難的問題，保障煤礦工作面的安全回采，采用理論分析、技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，對(duì)水力壓裂鉆孔封孔技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析低透性煤層水力壓裂的裂紋擴(kuò)展機(jī)理。

1 工程概況

石壕煤礦隸屬于重慶市綦江縣與貴州省交界部位的松藻礦區(qū)，礦井范圍內(nèi)包含煤層6～11層，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為主要的含煤地層，含煤地層平均厚度約為75 m，煤層整體厚度為5.22～11.48 m，可采或局部可采煤層為M6、M7、M8和M12號(hào)煤層，石壕煤礦為煤與瓦斯突出礦井，煤層透氣性系數(shù)低，煤質(zhì)松軟，煤層瓦斯含量大。M6煤層厚度為0.26～2.03 m，平均厚度為0.87 m，局部可采，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層間距平均7.83 m，煤層頂板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，頂板巖層為泥巖。M7煤層厚度為0.54～3.84 m，平均厚度為1.01 m，局部可采，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層間距平均6.23 m，煤層頂板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，平均飽和抗拉強(qiáng)度為0.957 MPa，平均飽和抗壓強(qiáng)度為15.478 MPa。M8煤層厚度為1.46～5.16 m，平均厚度為2.97 m，全部可采，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層間距平均26.08 m，煤層頂板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板巖層為泥巖和灰質(zhì)泥巖，平均飽和抗拉強(qiáng)度為0.837 MPa，平均飽和抗壓強(qiáng)度為12.463 MPa。M12煤層厚度為0.64～2.04 m，平均厚度為0.73 m，局部可采，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層頂板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板巖層為鋁質(zhì)泥巖，平均飽和抗拉強(qiáng)度為0.741 MPa，平均飽和抗壓強(qiáng)度為6.745 MPa。

根據(jù)測(cè)定結(jié)果，M6煤層透氣性系數(shù)為4.5×10-3m3/（MPa·d），堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.7，平均瓦斯含量12.32 m3/t；M8煤層透氣性系數(shù)為1.56×10-7m3/（MPa·d），堅(jiān)固性系數(shù)為0.2～0.7，平均瓦斯含量21.34 m3/t。礦井屬于煤與瓦斯突出礦井，在開采過程中需要對(duì)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采處理，以降低煤層的瓦斯含量，防止煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

2 水力壓裂裂紋擴(kuò)展機(jī)理

水力壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)大量應(yīng)用于油氣開采，其裂紋擴(kuò)展效果已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的認(rèn)可。但是在煤與瓦斯突出的松軟煤層中的應(yīng)用技術(shù)還有待優(yōu)化和完善。研究表明，水流經(jīng)過高壓管道進(jìn)入煤體中時(shí)，其作用過程可概括為水力壓裂、浸潤(rùn)擴(kuò)張、再水力壓裂、再浸潤(rùn)擴(kuò)張4 個(gè)過程。水力壓裂煤巖體的破裂準(zhǔn)則主要有拉伸和剪切破壞準(zhǔn)則，煤巖體的破裂形式主要由初始應(yīng)力場(chǎng)和煤巖體的力學(xué)特性決定，裂隙的擴(kuò)展方向取決于主應(yīng)力的方位和相對(duì)大小，煤巖體在水力壓裂時(shí)存在3種破壞模式，分別為拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合破壞。

水力壓裂技術(shù)利用高壓水泵，將高壓水流通過高壓水管和鉆孔注入低透氣性的煤層中。如果煤體在自然狀態(tài)下的吸水能力小于水流的速度，水流在煤層中的水壓會(huì)由于流動(dòng)阻力的作用而增大，當(dāng)水壓超過煤體的裂隙維持閉合狀態(tài)的極限強(qiáng)度時(shí)，煤體內(nèi)部的原生裂隙結(jié)構(gòu)受到高壓水流的持續(xù)破壞而進(jìn)一步擴(kuò)展和發(fā)育，煤層內(nèi)的弱面出現(xiàn)反復(fù)破裂和擴(kuò)展的過程，最終以鉆孔為中心，裂隙在徑向方向逐漸向外部擴(kuò)展和發(fā)育，煤層壓裂的過程中，裂隙相互貫通。煤體內(nèi)存在的天然閉合裂隙和產(chǎn)生的新裂隙會(huì)被擴(kuò)展成為新的瓦斯氣體流動(dòng)通道，低滲透性煤層的滲透性就會(huì)增加，裂隙越發(fā)育，煤層透氣性系數(shù)隨之增加。裂隙的發(fā)育程度隨著距鉆孔徑向距離的增大而減小。煤體水力壓裂示意如圖1所示。

3 水力壓裂工藝及參數(shù)確定

3.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

為了增加煤層的滲透性，提高瓦斯抽采效果，利用水力壓裂技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行增透。合理的鉆孔參數(shù)能有效提高水力壓裂的致裂效果，在總結(jié)和分析水力壓裂后瓦斯的運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)之上，確定了石壕煤礦合理的水力壓裂鉆孔半徑和超前距離，壓裂鉆孔布置在瓦斯巷圍巖較好的區(qū)域，水力壓裂鉆孔間距設(shè)計(jì)為80～100 m，掘進(jìn)條帶水力壓裂鉆孔終孔位置M6煤層巷道中心線，揭煤預(yù)抽水力壓裂孔分別位于煤層揭煤點(diǎn)中間位置，立眼水力壓裂孔位于立眼中間附近位置。水力壓裂鉆孔直徑設(shè)計(jì)為75 mm，采用PDC鉆頭進(jìn)行鉆孔；選用直徑94 mm 的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，水力壓裂孔擴(kuò)孔的深度為目標(biāo)煤層的底板，利用ZY-750 型鉆機(jī)和直徑50 mm光面鉆桿進(jìn)行施工。

3.2 封孔技術(shù)優(yōu)化

采用一次注漿封孔的方法難以實(shí)現(xiàn)完全封孔，影響水力壓裂過程中煤體裂紋的擴(kuò)展，主要原因是封孔材料水泥漿凝固后體積收縮。根據(jù)井下條件，改進(jìn)水力壓裂孔封孔技術(shù)，采用3 次注漿封孔技術(shù)，每次注漿間隔時(shí)間為12 h，第三次注漿結(jié)束后，再過48 h 可以進(jìn)行水力壓裂。該工藝目前封孔成功率100%，解決了水力壓裂封孔這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

封孔工序：在鉆孔內(nèi)插入套管及注漿管，將其送入設(shè)計(jì)的位置后，用木塞和棉紗對(duì)孔口進(jìn)行封堵，開始首次注漿，采用水泥漿對(duì)管道進(jìn)行固定，接著打開注漿管控制閥開關(guān)放出水泥漿液；第一次注漿結(jié)束后，經(jīng)過12 h 的凝固，進(jìn)行第二次注漿作業(yè)，放出注漿管內(nèi)的水泥注漿液，當(dāng)注漿至孔底水力壓裂篩管返漿時(shí)結(jié)束作業(yè)；第三次注漿和第二次注漿間隔12 h，第三次注漿至孔底，封孔至設(shè)計(jì)層位。注漿結(jié)束48 h以上可以進(jìn)行水力壓裂作業(yè)，水力壓裂工藝流程如圖2所示，封孔示意圖如圖3所示。

4 水力壓裂實(shí)施效果分析

4.1 水力壓裂方案設(shè)計(jì)

對(duì)北三區(qū)6 號(hào)瓦斯巷下段上方對(duì)應(yīng)N1632 下工作面北回風(fēng)巷掘進(jìn)條帶水力壓裂瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，該地點(diǎn)累計(jì)水力壓裂掘進(jìn)條帶鉆孔7 個(gè)，鉆孔方位角180°，鉆孔傾角80°或81°，鉆孔深度為57～73 m；揭煤水力壓裂孔1 個(gè)，鉆孔方位角115°，鉆孔傾角77°，鉆孔深度為46.5 m；尾排立眼預(yù)抽水力壓裂孔2個(gè)，鉆孔方位角180°，鉆孔傾角78°，鉆孔深度為56和58 m。鉆孔布置如圖4所示。

4.2 水力壓裂結(jié)果分析

水力壓裂孔于7 d 后放水進(jìn)行接抽，鉆孔單孔濃度平均43%，最低6%，最高93%；經(jīng)過一段時(shí)間的連續(xù)抽放后，單孔濃度逐步提高，單孔濃度平均升到79%，最低9%，最高94%，其中有8個(gè)孔的濃度在90%以上，期間負(fù)壓基本恒定，特別是4#水力壓裂孔從當(dāng)初的7%升到目前的93%；北三區(qū)6 號(hào)瓦斯巷下段總點(diǎn)瓦斯?jié)舛?2%，瓦斯量6.57 m3/min，較以前未實(shí)施水力壓裂的北三區(qū)6 號(hào)瓦斯巷上段瓦斯量4.65 m3/min，瓦斯量增加了1.92 m3/min，說明北三區(qū)6 號(hào)瓦斯巷下段經(jīng)過水力壓裂后，瓦斯?jié)舛仍诔掷m(xù)上升，瓦斯量也在增加。

4.2.1 水力壓裂裂隙擴(kuò)展有效半徑結(jié)果分析

第一次采取水力壓裂后，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到21 MPa時(shí)，在距壓裂孔28 m 處的攔截孔有水流出，說明第一次水力壓裂有效裂隙擴(kuò)展半徑為28 m；第二次水力壓裂后，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到28 MPa 時(shí)，在距壓裂孔35 m 處的攔截孔有水流出，得到第二次水力壓裂有效裂隙擴(kuò)展半徑為35 m；第三次采取水力壓裂后，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到30.2 MPa 時(shí)，在距壓裂孔42 m 處的攔截孔有水流出，說明第三次水力壓裂有效裂隙擴(kuò)展半徑為42 m。

4.2.2 水力壓裂抽采效果分析

在第一次水力壓裂工藝完成后，對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行鉆孔抽采，鉆孔抽采濃度基本保持在70%～92%，累計(jì)抽出瓦斯30 580 m3，第一次水力壓裂后測(cè)得煤層的殘余瓦斯含量為6.79 m3/t，與初始瓦斯含量21.3 m3/t 相比，降低了68.1%；第二次水力壓裂工藝完成后，對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行鉆孔抽采，鉆孔抽采濃度基本保持在51%～91%，累計(jì)抽出瓦斯30 200 m3，第一次水力壓裂后測(cè)得煤層的殘余瓦斯含量為11.7 m3/t，與初始瓦斯含量21.3 m3/t相比，降低了45.1%；第三次水力壓裂工藝完成后，對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行鉆孔抽采，鉆孔抽采濃度基本保持在80%以上，累計(jì)抽出瓦斯31 120 m3，第一次水力壓裂后測(cè)得煤層的殘余瓦斯含量為8.42 m3/t，與初始瓦斯含量21.3 m3/t相比，降低了60.5%。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)水力壓裂擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行分析，當(dāng)流體壓力大于煤體的裂隙維持閉合狀態(tài)的極限強(qiáng)度時(shí)，天然閉合裂隙會(huì)被擴(kuò)展成為新的瓦斯氣體流動(dòng)通道，從而增加煤體的滲透性，其致裂過程分為水力壓裂、浸潤(rùn)擴(kuò)張、再水力壓裂、再浸潤(rùn)擴(kuò)張4個(gè)過程。

（2）采用水力壓裂增透技術(shù)，能有效地增大低透性煤層的滲透性，松軟煤層裂隙擴(kuò)展范圍可以達(dá)到42 m。與初始瓦斯?jié)舛认啾龋? 次水力壓裂后，瓦斯?jié)舛鹊玫接行Ы档汀?/p>

（3）通過對(duì)水力壓裂技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和應(yīng)用，在提高瓦斯抽采率的同時(shí)，還防止了煤與瓦斯事故的發(fā)生，保障了回采工作面的安全生產(chǎn)。