陳興燚 張尚斌 饒孜 余正敖

摘 要：為提高白皎煤礦井下瓦斯抽采效果，在白膠煤礦238底板道進(jìn)行了穿層條帶水力壓裂技術(shù)應(yīng)用，對(duì)B4煤層進(jìn)行水力壓裂增透。壓裂最大壓力達(dá)24.6MPa，單孔最大注入液量113.8m3，抽采純量提高了2.27倍，在抽采時(shí)間不變的情況下，鉆孔數(shù)量可減少56%。結(jié)果表明，達(dá)到了壓裂設(shè)計(jì)方案要求，增透卸壓效果顯著，水力壓裂在白皎煤礦是適用的，下一步要進(jìn)行大面積推廣實(shí)施，以充分發(fā)揮水力壓裂技術(shù)的效果。

關(guān)鍵詞：水力壓裂技術(shù)；瓦斯治理；抽采量

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）16-0073-04

Application of Hydraulic Fracturing Technology in Gas Control of

Wearing Layer in Bai Jiao Coal Mine

CHEN Xingyi1 ZHANG Shangbin1 RAO Zi2 YU Zheng'ao1

Abstract： In order to improve the gas extraction effect in the coal mine of Bai Jiao coal mine， the hydraulic fracturing technology was applied in the 238 floor road of Bai Jiao coal mine， and the hydraulic fracturing of B4 coal seam was enhanced. The maximum pressure of the fracturing was 24.6MPa， the maximum injection liquid of the single hole was 113.8m3， the extraction purity was increased by 2.27 times. The number of drilling holes could be reduced by 56% when the extraction time was constant. The result showed that the fracturing design plan was required and the effect of increasing and unloading pressure was remarkable. Hydraulic fracturing was applicable in white Jiao coal mine. The next step was to carry out large area in order to give full play to the effect of hydraulic fracturing technology.

Keywords： hydraulic fracturing technology；gas control；extraction volume

1 研究背景

1970—1980年，遼寧、河南、湖南和山西等礦務(wù)局進(jìn)行了以地面垂直鉆進(jìn)壓裂方式開(kāi)發(fā)煤層氣的試驗(yàn)，取得了一定的增產(chǎn)效果，但未能形成開(kāi)發(fā)、推廣規(guī)模。1990—1995年，地礦、煤炭和石油所屬有關(guān)部門(mén)及地方政府已在十余個(gè)煤田或地區(qū)，利用國(guó)內(nèi)資金或與國(guó)外合資打了60多口資源評(píng)價(jià)鉆孔和生產(chǎn)試驗(yàn)鉆孔，有的地方還進(jìn)行了采氣試驗(yàn)，取得了可喜的成果。20世紀(jì)90年代末，鄂爾多斯、沁水等9個(gè)盆地煤層瓦斯賦存條件較好，已逐漸開(kāi)始全面實(shí)施地面開(kāi)采。2004年，山西沁心和河?xùn)|煤田已施工各類(lèi)煤層氣井159口，單井日產(chǎn)氣量一般在500～4 000m3/d，最高達(dá)16 000m3/d[1]。

近年來(lái)，水力壓裂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煤礦井下煤層增透，有效提高了瓦斯治理效果[2-5]。為了得出水力壓裂在白皎煤礦的適用性，計(jì)劃在白皎煤礦238底板道施工3個(gè)壓裂鉆孔，同時(shí)在壓裂區(qū)域內(nèi)與非壓裂區(qū)域內(nèi)分別施工部分瓦斯抽采鉆孔，將二者的抽采情況進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)綜合分析得出水力壓裂增透技術(shù)在該礦的適用性。

白皎煤礦始建于1965年，1970年簡(jiǎn)易投產(chǎn)，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t。2006年核定生產(chǎn)能力為75萬(wàn)t/a，現(xiàn)實(shí)際年生產(chǎn)能力50～60萬(wàn)t，屬于煤與瓦斯突出礦井。該礦采用平硐加暗斜井開(kāi)拓，礦井采用盤(pán)區(qū)前進(jìn)式布置，工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采法，落煤方法為綜合機(jī)械化開(kāi)采，采用全部垮落法管理頂板，中央對(duì)角式通風(fēng)。

本次水力壓裂選擇在礦井238底板道內(nèi)實(shí)施，壓裂B4煤層條帶。該巷走向長(zhǎng)約392m，B4煤層瓦斯含量平均為12.412 4m3/t，B2煤層瓦斯含量平均為15.362 6m3/t，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為2～4，煤層走向275°，煤層傾向185°，傾角13°～23°，平均傾角16°。

該巷埋深400m，二號(hào)（B4）煤層厚度為0.5～5.4m，平均厚度1.2m；三號(hào)（B3）局部薄化、合層；四號(hào)（B2）厚度為0.6～4.5m，平均厚度3.2m。煤層較穩(wěn)定，全區(qū)可采，頂板為炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、細(xì)砂巖，底板為黏土巖。

2 壓裂泵組選用及參數(shù)確定

2.1 壓裂泵組選用

BRW200-31.5乳化液泵組，該泵電機(jī)功率為125kW，額定壓力為31.5MPa，最大流量12m3/h。該泵的缺點(diǎn)是流量小，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定。

CBYL400型壓裂泵組，該泵電機(jī)功率為400kW，相應(yīng)的檔位壓力為16.5～50MPa，流量17.6～70.5m3/h。該泵組具有流量大、體積小、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)選型對(duì)比，本次采用CBYL400型壓裂泵組，可在其3檔運(yùn)行，參數(shù)滿足壓裂要求。

2.2 壓裂參數(shù)確定

鑒于白膠煤礦的現(xiàn)場(chǎng)情況，在238底板道設(shè)計(jì)三個(gè)水力壓裂孔，鉆孔穿透兩層煤體，終孔于B4頂板0.5m，鉆孔開(kāi)孔孔徑為Φ94mm，終孔孔徑為Φ94mm，鉆孔傾角20°。由于238底板道距B4煤層巖柱30m左右，為確保水力壓裂過(guò)程中不破壞238底板道，因此，將壓裂鉆孔間距初步設(shè)計(jì)為60m，即按30m半徑布置。

根據(jù)郭臣業(yè)[4]提出的計(jì)算方法，通過(guò)238底板道的埋深、巖體抗拉強(qiáng)度、目標(biāo)方向角和預(yù)壓裂的有效半徑（30m）等參數(shù)綜合計(jì)算，各壓裂孔破裂壓力、流量參數(shù)見(jiàn)表1。

3 壓裂及抽采效果

3.1 壓裂過(guò)程及影響范圍分析

3.1.1 壓裂過(guò)程。2015年8月6日至9月3日，分別對(duì)1-3#壓裂鉆孔進(jìn)行水力壓裂，具體壓裂情況為：1#鉆孔壓入水量81.6m3，最大壓力20.6MPa，壓裂時(shí)距1#鉆孔以外80m處有多個(gè)鉆孔大量出水；2#鉆孔壓入水量58m3，最大壓力24.6MPa，進(jìn)入觀察發(fā)現(xiàn)3#壓裂鉆孔有水流出；3#鉆孔壓入水量71.8m3，最大壓力23.6MPa，進(jìn)入觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)2#鉆孔有水滲出。壓裂完成并開(kāi)始抽采后，發(fā)現(xiàn)該孔瓦斯流量及濃度偏小。9月3日對(duì)其重新進(jìn)行二次壓裂，二次壓裂時(shí)壓入水量42m3后最大壓力升至47.6MPa時(shí)無(wú)法繼續(xù)壓入，結(jié)束壓裂。各孔壓裂壓力、流量曲線如圖1所示，各孔壓裂情況見(jiàn)表2。

3.1.2 壓裂影響范圍分析。各孔的壓裂影響范圍[2]可通過(guò)以下2方面來(lái)判定：一是壓裂過(guò)程中附近鉆孔及巷壁的出水情況；二是壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔施工過(guò)程中的出水情況。

1#鉆孔壓裂時(shí)，共6處出水，最遠(yuǎn)出水點(diǎn)在1#鉆孔以東80m，而壓裂過(guò)程中未與2#鉆孔溝通。2#鉆孔壓裂時(shí)，從3#鉆孔出水，但未與1#鉆孔溝通。3#鉆孔壓裂時(shí)，從2#鉆孔出水。

在壓裂區(qū)域抽采鉆孔施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，所有抽采鉆孔見(jiàn)煤層時(shí)均出水，并造成鉆孔施工過(guò)程中風(fēng)排粉困難。分析壓裂時(shí)的出水情況可知，1#壓裂鉆孔向東的影響距離為80m；2#、3#壓裂鉆孔相互溝通。分析壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔施工情況可知，條帶施工的所有抽放鉆孔均在壓裂影響范圍內(nèi)。由此，判定本次壓裂的影響范圍為：1—3#鉆孔覆蓋了1#鉆孔以東80m到3#鉆孔以西35m范圍，各孔壓裂影響范圍如圖2所示。

3.2 抽采效果

3.2.1 瓦斯抽采情況。各鉆孔水力壓裂完成后，立即對(duì)其進(jìn)行排水，待孔內(nèi)水量變小后接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采，1—3#壓裂鉆孔分別于8月21日、24日、25日早班實(shí)施了抽采。

截至10月26日，累計(jì)最大抽采天數(shù)為65d，抽采負(fù)壓35kPa，三個(gè)壓裂孔累計(jì)抽采瓦斯8 582.14m3。其中，1號(hào)孔累計(jì)抽采65d，瓦斯平均抽采濃度為70%，瓦斯抽采總純量為6 811.71m3，平均瓦斯抽采純流量為72.77L/min；2號(hào)孔累計(jì)抽采62d，瓦斯平均抽采濃度為9%，瓦斯抽采總純量為1 379.18m3，平均瓦斯抽采純流量為15.45L/min；3號(hào)孔累計(jì)抽采61d，瓦斯平均抽采濃度為27%，瓦斯抽采總純量為391.25m3，平均瓦斯抽采純流量為4.45L/min。

10月26日后，壓裂鉆孔與壓裂區(qū)域內(nèi)其他鉆孔一并統(tǒng)計(jì)，未繼續(xù)進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量。各鉆孔抽采曲線如圖3、圖4和圖5所示。

3.2.2 瓦斯抽采對(duì)比情況。2016年1月29日至4月28日，繼續(xù)對(duì)非壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔的抽采情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。截至2016年4月28日，該區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔平均單孔抽采純量最高為19.26L/min，平均抽采純量為15.2L/min，且呈下降趨勢(shì)，詳見(jiàn)238底板道平均單孔純量對(duì)比曲線圖6所示。

4 結(jié)論

通過(guò)白皎煤礦水力壓裂工程項(xiàng)目的開(kāi)展，得出以下結(jié)論。

①實(shí)施水力壓裂后，單個(gè)壓裂孔的影響范圍最大可達(dá)80m。在抽采時(shí)間不變的情況下，經(jīng)計(jì)算，鉆孔數(shù)量可減少56%。

②壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔的平均單孔抽采純量是非壓裂區(qū)域的2.27倍。

③通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，水力壓裂在白皎煤礦是適用的，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)壓裂要求，增透卸壓效果顯著。

此次應(yīng)用證明，水力壓裂增透技術(shù)在白皎煤礦是可行的，但本次施工孔數(shù)過(guò)少，各孔之間差異較大，還需進(jìn)行大面積推廣，以充分發(fā)揮水力壓裂技術(shù)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁亮，林柏泉，楊威.我國(guó)煤礦水力化技術(shù)瓦斯治理研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（1）：45-49.

[2]徐剛，馬瑞峰，田俊偉.煤層水力壓裂增透范圍理論分析與試驗(yàn)研究[J].煤炭工程，2014（6）：88-90，95.

[3]煤礦井下高壓水力壓裂安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（審查修改稿） [EB/OL].（2014-08-24）[2018-05-01].http：//www.doc88.com/p-5304125392928.html.

[4]郭臣業(yè)，沈大富，張翠蘭.煤礦井下控制水力壓裂煤層增透關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（2）：114-118，122.

[5]李棟，郭臣業(yè)，黃昌文，等.煤礦井下穿層水力壓裂鉆孔布置優(yōu)化分析及應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015（5）：63-67，75.