定向长钻孔水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用_龚齐森.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 我国大多数煤矿属于高瓦斯矿井， 且由于地质条 件复杂多样， 许多高瓦斯煤矿煤层属于松软破碎煤 层[1-2]， 其抽采瓦斯钻孔施工困难， 易出现塌孔、 缩孔， 成孔能力极差， 且煤层瓦斯渗透性较低， 造成瓦斯抽 采困难， 抽采效率低， 进而导致矿井回采生产秩序失 衡， 严重制约了矿井安全高效生产， 因此， 除了要解决 抽采钻孔的成孔能力外， 增加低渗透性松软煤层的瓦 斯渗透性是解决瓦斯高效抽采的关键。 长钻孔水力压 裂技术是改变矿井松软破碎煤层储层结构的重要方 法， 该技术能够增加煤层渗透能力、 均衡瓦斯压力、 平 衡地应力场以及抑制瓦斯涌出等具有良好的效果， 为 低渗透松软破碎煤层的瓦斯抽采提供重要途径。 本文 以王坡煤业 3 号煤层为工程背景， 研究长钻孔水力压 裂技术对低渗透松软破碎煤层的增透效果， 以期解决 低渗透破软煤层瓦斯治理的技术难题。 1工程背景 王坡煤业主采 3 煤层，煤层平均厚度为 4.6 m， 煤层平均倾角为 5。 3 煤层老顶、 老底均为中砂岩， 直接顶板为黑色泥岩，局部含粉砂岩或砂质泥岩， 直 接底板为粉砂质泥岩或泥岩。煤层结构较简单， 一般 含 0～2 层夹矸， 单层夹矸厚度为 0～0.4m。 3 煤层属 不易自燃煤层， 煤尘无爆炸危险性。矿井最大相对瓦 斯涌出量为 54.58m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为 138.78m3/min， 瓦斯最大压力为 0.58MPa， 为高瓦斯矿 井。 3 煤层瓦斯含量为 8.53～10.44m3/t， 煤体属于松软 破碎煤层， 其坚固系数 f为 0.300.55， 煤层透气性系数 为 0.071m2/ （MPa2 d ）， 钻孔瓦斯衰减系数为 0.378d-1， 属于低透气性煤层。 2水力压裂增透原理 2.1增透机理 水力压裂技术[3-4]是通过压裂设备向煤层注射孔 内注射高压液体，其压力要远远大于煤体的吸收能 力， 将注入孔的孔口进行封堵， 这样注入孔内的液体 压力将不断上升，当液体压力大于煤体的破裂压力 时， 注入孔的孔壁会在高压液体下的挤压作用下形成 初始裂缝， 随着高压液体的不断注入， 在初始形成的 定向长钻孔水力压裂技术在煤矿瓦斯治理中的应用 龚齐森， 王文春， 周东平， 周俊杰， 蒋和才， 王旭晟 （重庆市能源投资集团科技有限责任公司 ， 重庆 400060 ） 摘要 针对高瓦斯松软破碎煤层通透性差， 导致瓦斯抽采效率低这一问题， 以王坡煤业 3 号煤为工 程背景， 进行了长钻孔水力压裂技术研究， 分析了水力压裂机理过程， 并在 3301 底抽巷进行了水力压 裂施工， 通过监测压裂过程水压变化情况， 对水力压裂过程进行了详细跟踪， 最终通过对比压裂前后 煤层物理参数变化以及瓦斯抽采效果， 得出了长钻孔水力压裂技术对松软破碎煤层的增透效果显著， 瓦斯抽采效率得到了显著提高。 关键词 高瓦斯碎软煤层； 长钻孔水力压裂技术； 瓦斯抽采 中图分类号 TD 712文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0147-03 Application of directional long hole hydraulic fracturing technology in coal mine gas control GONG Qisen , WANG Wenchun , ZHOU Dongping , ZHOU Juncai , JIANG Hecai , WANG Xucheng （Chongqing energy investment group technology co., LTD., nanan district , Chongqing 400060 ， China ） Abstract In view of the gas soft and poor permeability of coal seam, leading to low gas extraction efficiency of this problem, to Wang Po coal the engineering background of no. 3 coal, long drilling hydraulic fracturing technology research, analyzes the mechanism of hydraulic fracturing process, and at the end of 3301 the alley pumping hydraulic fracturing construction, by monitoring the change of the hydraulic fracturing process, the hydraulic fracturing process in detail, finally by comparing before and after fracturing of coal seam gas extraction effect and the physical parameters change obtained long drilling hydraulic fracturing technology of soft and broken coal seam anti-reflec- tion effect is remarkable, the gas extraction efficiency has been improved significantly. Key words high gas crushing soft coal seam ; Long-hole hydraulic fracturing ; The gas extraction 147 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 裂缝尖端处发生起裂 - 扩展， 这种过程将随着高压液 体的持续注入而不断发生， 直至注入的高压液体的流 动速度等于煤体的渗透速度时， 裂纹将不会在扩展延 伸， 此时煤体裂隙的压裂范围已达到此高压液体流量 下的最大范围值， 水力压裂力学原理过程见图 1。 图 1水力压裂力学变化过程 针对图 1， 水力压裂机理及力学过程可具体细化 为以下 3 个阶段 1 ）煤体压密阶段。在注入钻孔的高压液体压力 小于煤体破裂压力前， 钻孔孔壁煤层在液态压力作用 下发生屈服和变形， 随着液体压力的持续增大， 孔壁 煤层逐渐被进一步压密， 钻孔孔径扩大， 所以此阶段 又被成为钻孔扩孔阶段。 2 ）裂隙产生阶段。孔壁煤体在持续压力作用下 达到屈服极限后， 进入硬化阶段， 随着液体压力进 一步增大， 达到了煤体破裂压力值时， 煤体发生失 稳破坏， 孔壁产生初始裂隙， 这一阶段是煤体被水 流压密而产生的作用结果， 是下一阶段裂隙发育扩 展的必要条件。 3 ）裂隙扩展阶段。在液体压力作用下产生初始 裂隙后， 钻孔空间整体表面积增大， 导致液体压力下 降， 所以需继续增大注水量， 增大液体压力， 使其大于 煤体裂隙尖端的拉应力， 使裂隙得到进一步的扩展延 伸，直至煤体渗透速度达到注入液体流动速度时， 裂 隙将停止扩展， 压裂过程结束。 2.2煤体破裂压计算 在 岩体力学 中对于煤岩体临界破裂的压力分 析认为， 破裂压力等于煤岩体抗拉强度加上此时在孔 壁处形成的应力集中强度， 即 Pb3σmin - σ maxTht 式中 Tht为煤岩体抗拉强度， MPa； Pb为煤岩体临 界破裂值， MPa； σmin为最小主应力， MPa； σmax为最大 主应力， MPa。 根据实验室对煤岩体的物性测试以及地应力测 试结果， 代入式中可得 3 煤体破裂压力为 14.5MPa。 另外， 根据王坡煤业相邻矿井的地应力及注压井 测 试 结 果 ， 可 知 煤 岩 体 破 裂 压 力 梯 度 为 1.502.10MPa/hm 左右，王坡煤业 3 煤平均埋深为 700m， 计 算 可 知 其 煤 体 破 裂 压 力 范 围 为 10.514.70MPa 左右。 3水力压裂施工 3.1压裂钻孔布置 选择王坡煤业 3301 进风底抽巷为本次施工巷 道， 施工钻孔距工作面开切眼 72m 处， 向未掘区域施 工， 如图 2 所示， 主孔与水平呈 35夹角进行钻进， 1 个主孔连带 3 个分支孔， 主孔共钻进距离为 660m， 其 中煤层内钻孔长度为 221m， 1- 1 分支孔深度为 72m， 1- 2 分孔深度为 85m， 1- 3 分支孔深度为 93m。 图 2钻孔布置示意图 压裂设备主要由压力泵、 远程控制系统、 连孔管 路系统以及钻孔监测系统构成， 其中连孔管路系统由 孔内封堵压裂管和连孔管路组成。 钻孔的快速封孔以 及注水压裂主要由孔内封堵压裂管完成， 其中包括单 流阀、 扩张式封隔器、 引鞋、 压裂油管以及压差滑套 等， 具体如图 3 所示。 图 3钻孔内部压裂设备示意图 3.2压裂施工 水力压裂一般优选清水作为压裂液， 这样不会对 煤层造成污染， 影响接下来的施工。在封隔器封好钻 孔后， 开始启动压力泵进行注水压裂， 不断提高注水 流量及压力， 当压力达到 15.4MPa 时， 压差滑套开启， 开始进行压裂。本次水力压裂共进行了 74h， 注水量 共达到 2260m2，整个过程中未出现钻孔孔口渗水的 现象发生。 通过远程控制系统及孔内监测系统可得到在压 裂施工过程中水压及水流量随压裂时间的变化曲线， 如图 4 所示为压裂水压随压裂时间的变化曲线。 由图 可以看出， 在滑套打开后不久， 煤孔壁开始起裂， 起裂 压力为 14.6MPa， 与理论计算结果基本相同， 紧接着 在增大注水量后孔壁开始出现明显破裂， 在经过不规 则跳动后， 孔壁出现第二次明显破裂， 在此之后， 随着 压裂时间的进行，水压基本呈现周期性锯齿状变化， 其 中 最 大 降 压 值 达 到 5.2MPa， 最 大 水 压 达 到 24.5MPa，这个区间是煤层裂纹主要延伸扩展的时间 148 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 段， 最后经过两次明显破裂后， 煤层渗透性达到了一 定程度， 压裂过程结束。 图 4压裂过程中水压变化曲线 在压裂施工完后， 为避免泄压过快造成压裂段钻 孔出现堵孔、 塌孔等问题， 在施工完后， 采取保压操 作， 让孔内压力自然调节到平衡， 使压裂段煤层内部 应力重新分布。在保压结束后， 通过控制阀对排水速 率进行有效控制，避免排水过快造成钻孔塌孔现象， 另外为保证抽采效果， 本次压裂抽采期间采取保留管 柱， 以保证抽采孔的抽采顺畅， 在完成抽采后， 解除封 隔器， 收回压裂设备。 4水力压裂效果分析 4.1物理参数考察 煤层物理参数是考察压裂效果好坏的直接凭证， 物理参数包括， 透气性系数、 全水分、 衰减系数等。在 压裂钻孔轴向及径向不同位置处共布置 20 个考察钻 孔， 对煤层物理参数进行测定， 得出压裂后的煤层透 气性系数为 0.5450.887 m2/ （MPa2 d ） ， 透气性相对压 裂前煤层增加了 4.88 倍；压裂后的衰减系数变为 0.0480.059， 相对压裂前降低为 7.1 倍， 效果明显； 通 过全水分系数系数分析了压裂影响范围， 压裂前煤层 全水平均为 1.71，在压裂后煤层全水分平均为 4.31， 以此确定了钻孔压裂影响范围为 轴向方向 平均为 110m， 径向方向为 220m。 4.2瓦斯抽采效果 在钻孔排水完后， 开始连接抽放管路进行瓦斯抽 采， 抽采过程中对单孔瓦斯抽采浓度， 瓦斯抽采纯量 以及百米钻孔抽采量进行记录， 并对压裂区域与未压 裂区域抽采钻孔情况进行对比。 如图 5 为单孔瓦斯抽 采浓度随时间变化曲线，可以看出在 30d 测试范围 内， 未压裂煤层区域 （原始煤层 ） 瓦斯平均抽采浓度为 15.73， 压裂后平均为 45.04， 对比增加了 2.8 倍； 测 试 得 出 未 压 裂 区 域 钻 孔 瓦 斯 抽 采 量 为 2.845.80m3/d， 平均为 4.73 m3/d， 压裂区域钻孔瓦斯 抽采量为 7.08134.03 m3/d， 平均为 60.06 m3/d， 对比 增加了 12.70 倍； 未压裂区域百米钻孔瓦斯抽采量为 0.0020.004m3/ （min hm ） ， 平均为 0.003m3/ （min hm ） ， 压裂区域百米钻孔瓦斯抽采量为 0.0020.017m3/ （min hm ） ， 平均为 0.007m3/ （min hm ） ， 对比增加了 2.67 倍。通过分析可以看出， 煤层压裂后增透效果显 著， 钻孔瓦斯抽采效果得到明显提升。 图 5单孔瓦斯抽采浓度对比图 5结论 1 ）对水力压裂原理及力学过程进行了详细阐 述， 其过程主要分为 煤体压密阶段、 煤体裂隙产生阶 段、 裂隙扩展阶段， 并通过理论计算得出煤体的破裂 压力为 14.5MPa。 2 ） 通过钻孔监测设备对压裂过程中水压变化进 行了监测， 得出起裂压力为 14.6MPa， 与理论计算结 果基本相同， 水压最大值达到 24.5MPa， 水压最大降 压值为 5.2MPa。 3 ）对比未压裂区， 通过监测相关参数， 对水力压 裂效果进行了分析，通过对煤层相关物理参数考察， 钻孔瓦斯抽采浓度、 瓦斯抽采量以及百米钻孔瓦斯抽 采量的对比， 可以看出水力压裂对松软破碎煤层的增 透效果显著， 钻孔瓦斯抽采效果得到明显提升。 参考文献 [1] 路璐.穿层定向长钻孔水力压裂增透技术[J].山东煤炭科 技,2019 （08） 94- 96. 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