藺海曉，季長(zhǎng)江，劉 曉

(1．河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；2．山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204；3．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

穿層鉆孔水力壓裂試驗(yàn)研究

藺海曉1,3，季長(zhǎng)江2，劉 曉4

(1．河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；2．山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204；3．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

煤儲(chǔ)層透氣性低是制約煤礦瓦斯抽采的關(guān)鍵因素，為提高煤儲(chǔ)層透氣性，增加瓦斯抽采效果，依靠水力壓裂技術(shù)，采用穿層鉆孔對(duì)煤層進(jìn)行激勵(lì)，形成裂縫，達(dá)到增透的目的。同時(shí)，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)穿層鉆孔水力壓裂技術(shù)進(jìn)行研究。壓裂后壓裂孔透氣性系數(shù)增加了6～12倍，抽放純量提高了24～30倍。水力壓裂技術(shù)大幅地提高了煤層的透氣性和鉆孔瓦斯抽放量，是一種有效的煤儲(chǔ)層增透工藝。

水力壓裂；穿層鉆孔；增透；瓦斯抽采

煤儲(chǔ)層的低滲嚴(yán)重制約了瓦斯的抽采，增加其透氣性是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[1-5]。傳統(tǒng)的低滲煤儲(chǔ)層瓦斯抽采單純依靠降低鉆孔間距、增加鉆探工程量、延長(zhǎng)抽采時(shí)間等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，但抽采效果并不理想，表現(xiàn)在抽采濃度低，抽采率不達(dá)標(biāo)，造成煤礦采掘接替緊張，回采和掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯超限頻繁，安全隱患嚴(yán)重，這與構(gòu)建本質(zhì)安全型礦井不相符合，亟需新的瓦斯抽采手段來(lái)改變這種困境[6-9]。只有在吸收、融合地面煤層氣開(kāi)發(fā)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦井下瓦斯抽采特點(diǎn)，構(gòu)建井下水力壓裂強(qiáng)化增透理論與技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)煤儲(chǔ)層壓裂增透，提高煤體的滲透率，從根本上解決瓦斯抽采困難的局面[10-12]。

封孔效果是決定壓裂成敗的關(guān)鍵因素，封孔方法包括封孔器封孔、水泥漿封孔和化學(xué)材料封孔；封孔器封孔具有操作簡(jiǎn)單，效率高，可以多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，但是由于煤層強(qiáng)度低，在高壓下煤體會(huì)產(chǎn)生較大的位移，從而造成封孔器爆裂，使水力壓裂不能繼續(xù)進(jìn)行；巖體強(qiáng)度高，鉆孔不易變形，因此通過(guò)穿層鉆孔在巖石段采用封孔器封孔，在煤體段進(jìn)行壓裂具有良好的效果，是水力壓裂的優(yōu)良工藝[13-15]。

1 穿層鉆孔水力壓裂增透機(jī)理

水力壓裂是以大于地層慮失速率的排量向地層注入流體，克服煤巖層的抗拉強(qiáng)度和地應(yīng)力，在地層內(nèi)劈開(kāi)裂縫，從而使儲(chǔ)層滲透性得到有效改善(見(jiàn)圖1)。煤體屬于多孔彈性介質(zhì)，具有豐富的割理和裂隙，在壓裂過(guò)程中，煤體的裂隙和弱面在高壓水的作用下發(fā)生起裂、并向前擴(kuò)展，從而使煤體形成網(wǎng)狀裂隙，致使煤層滲透率大幅度提高，同時(shí)使煤體壓裂區(qū)域整體卸壓， 增加了瓦斯解吸的速度，從而達(dá)到提高瓦斯抽采率和抽采速率， 降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2 穿層鉆孔水力壓裂工藝流程

穿層鉆孔水力壓裂是從底抽巷或頂抽巷向煤層打鉆，穿過(guò)一段巖層后進(jìn)入煤層，并在煤層中延伸一定的距離；封隔器放置在巖石段，通過(guò)注入高壓水對(duì)煤體進(jìn)行壓裂，從而達(dá)到增透的目的，水力壓裂系統(tǒng)如圖2所示，其主要包括高壓泵組[16](河南理工大學(xué)與寶雞航天動(dòng)力聯(lián)合研制，最大排量：87 m3/h，最高壓力：40 MPa)，電控柜，高壓管路(最大抗壓50 MPa)，封隔器，遠(yuǎn)程控制端(控制并采集壓裂數(shù)據(jù))等。

3 穿層鉆孔水力壓裂實(shí)驗(yàn)

1) 試驗(yàn)礦井概況。寺家莊礦井是一新建礦井，在建井過(guò)程中曾發(fā)生多次煤與瓦斯突出，自建井以來(lái)在瓦斯治理方面進(jìn)行過(guò)大量工作，采取了各種措施來(lái)提高15#煤層的透氣性，如水力擠出、松動(dòng)爆破、水力割縫等，但效果都不甚理想，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)速度和采煤速度。通過(guò)在寺家莊礦進(jìn)行穿層鉆孔水力壓裂實(shí)驗(yàn)，煤層透氣性顯著增加，抽采率明顯提高，抽采時(shí)間大大縮短。

2) 穿層鉆孔及封孔技術(shù)。2011年3月8日在寺家莊礦北翼膠帶機(jī)巷施工了兩個(gè)壓裂孔和1個(gè)測(cè)試孔(見(jiàn)圖3)，1號(hào)壓裂孔，孔深54 m，鉆孔傾角14°，穿透煤層深度12 m；2號(hào)壓裂孔孔深53 m，鉆孔傾角13°，穿透煤層深度13 m。

為了對(duì)比穿層鉆孔不同封孔方式的封孔效果，施工當(dāng)天對(duì)1號(hào)孔采用封隔器封孔，2號(hào)孔采用水泥漿封孔。封隔器鋼體最大外徑為85 mm，膠筒最大外徑為80 mm，膠桶長(zhǎng)度0.8 m，抗壓能力50 MPa，啟動(dòng)壓力1.5 MPa，最佳擴(kuò)張率150%。

水泥漿由水、超細(xì)水泥、膨脹劑、減水劑、速凝劑等以一定的比例混合后，泵送到壓裂孔，封孔長(zhǎng)度為全部巖石段。

3) 施工工藝及參數(shù)。2011年3月9日和3月17日 分別對(duì)兩個(gè)孔進(jìn)行了壓裂施工，施工曲線分別如圖4和圖5所示(圖4～圖5中Q為泵排量，P為壓力)。

1號(hào)壓裂孔在壓裂過(guò)程中，壓入水量12 m3左右(見(jiàn)圖4)。在10 min時(shí)，有輕微壓降，表明有裂縫產(chǎn)生，破裂壓力31.5 MPa左右，此后裂縫持續(xù)延伸，在27 min時(shí)，第二次壓降，壓降幅度較第一次壓降更大，表明產(chǎn)生了更大的裂隙，此后壓力上下波動(dòng)，總體趨勢(shì)為下降，表明裂縫在繼續(xù)延伸。

2號(hào)壓裂孔壓裂時(shí)長(zhǎng)30 min，注入水量14.6 m3，在25 min左右出現(xiàn)一次明顯的壓降，表明有較大的裂縫產(chǎn)生，破裂壓力約30 MPa左右。破裂后壓力有微小波動(dòng)，表明裂縫繼續(xù)延伸，持續(xù)5 min左右(見(jiàn)圖5)。

4) 施工效果分析。1號(hào)壓裂孔壓裂后，百米鉆孔瓦斯流量1.119 3 m3/100m·min，煤層透氣性系數(shù)為10.084 7 m2/MPa2·d，比測(cè)試孔增加了12.343倍，衰減系數(shù)為0.153 9 d-1，比測(cè)試孔降低了0.309 6倍，抽放純量增加30倍，壓裂效果顯著。

2號(hào)壓裂孔壓裂后，百米鉆孔瓦斯流量0.114 1 m3/100 m·min，煤層透氣性系數(shù)為5.305 3 m2/MPa2·d，比壓裂前增加了6.493倍，衰減系數(shù)為0.020 9 d-1，比測(cè)試孔降低了0.906 2倍，抽放純量增加24倍，增透效果顯著。

通過(guò)鉆孔自然流量及衰減系數(shù)，測(cè)試孔百米鉆孔瓦斯涌出量為0.890 1 m3，1號(hào)壓裂孔百米鉆孔瓦斯涌出量為10.472 5 m3，比測(cè)試孔擴(kuò)大了10.77倍；2號(hào)壓裂孔百米鉆孔瓦斯涌出量為4.502 7 m3，比測(cè)試孔擴(kuò)大了4.06倍。兩個(gè)鉆孔抽采半徑明顯增大，壓裂抽采后通過(guò)打測(cè)試孔進(jìn)行抽采測(cè)定，抽采半徑分別為13 m和15 m。

4 結(jié)論

1) 水力壓裂可以增加鉆孔的抽采半徑，壓裂后抽采半徑平均增大5.6倍以上，抽采半徑達(dá)13 m以上；水力壓裂可以提高煤層透氣性系數(shù)，壓裂孔比測(cè)試孔透氣性系數(shù)平均增大9.418倍；水力壓裂可以降低鉆孔瓦斯衰減系數(shù)，延長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽放時(shí)間，提高抽放量，壓裂后鉆孔瓦斯衰減系數(shù)對(duì)比測(cè)試孔平均降低0.607 9倍；水力壓裂可以提高鉆孔的瓦斯抽放純量，壓裂孔抽放純量平均增加27倍；水力壓裂可以增加鉆孔瓦斯的自然涌出量，1號(hào)鉆孔鉆孔瓦斯自然涌出量提高了7.12倍。

2)水力壓裂后，煤體裂隙增加，抽放鉆孔數(shù)量減少，簡(jiǎn)化了施工工藝，可增進(jìn)掘進(jìn)速度和提高生產(chǎn)效率。

3) 水力壓裂可以使媒體產(chǎn)生網(wǎng)狀裂隙而增透，同時(shí)潤(rùn)濕煤體后，可以抑制瓦斯涌出、降低煤塵、改變煤體強(qiáng)度而平衡應(yīng)力場(chǎng)，最終達(dá)到區(qū)域消突和瓦斯治理的目的。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Experimental Study on Hydraulic Fracturing with Cross-seam Boreholes

LIN Hai-xiao1,3，JI Chang-jiang2，LIU Xiao4

(1. Open Laboratory of Deep Mine Construction，Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China; 2．Shanxi Lanyan Coalbed Methane Co., Ltd, Jincheng Shanxi 048204, China; 3. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China; 4. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China)

Low permeability of coal gas reservoir is the key factor restricting coal mine gas extraction. In order to improve the coal gas reservoir permeability and increase effect of gas extraction, the hydraulic fracturing with cross-seam boreholes was used to improve permeability of the coal seam. By using field test and theoretical analysis, the hydraulic fracturing technology with cross-seam boreholes was studied. After fracturing, permeability coefficient of the fracturing boreholes increased by 6～12 times, and the quantity of the gas extraction increased by 24～30 times. The hydraulic fracturing technology greatly improves the permeability and gas extraction quantity from the coal gas reservoir, which is a effective technology for improving permeability of coal gas reservoir.

hydraulic fracturing；cross-seam borehole；permeability improvement；gas extraction

2014-11-25

河南省高校深部礦井建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2012KF-07)；河南煤礦安全監(jiān)察局河南煤礦安全生產(chǎn)科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(H13-091)；煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2013-003)

藺海曉(1978-)，男，河南登封人，副教授，碩士，研究方向：瓦斯治理與煤層氣開(kāi)采。

TD713

A

1672-1098(2015)03-0026-04