張翠蘭 任世林 陳興燚 張尚斌

(1.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司；2.中國石油化工集團(tuán)西南石油局有限公司勘探開發(fā)研究院)

我國煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，瓦斯治理是煤礦安全工作的重中之重。我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層[1]。目前瓦斯治理的措施主要有密集鉆孔、預(yù)裂爆破、鉆孔預(yù)抽，因密集鉆孔、預(yù)裂爆破等瓦斯治理措施施工工藝復(fù)雜、工作量大、有效影響范圍小、瓦斯抽采率低等問題，開采層瓦斯突出主要采用鉆孔預(yù)抽技術(shù)[2]。煤層透氣性低嚴(yán)重制約了瓦斯抽采效果，必須對高瓦斯和突出煤層進(jìn)行卸壓增透以提高煤層瓦斯抽采效果。水力壓裂技術(shù)是目前最常用的煤層增透技術(shù)。2010年以來，重慶市能源投資集團(tuán)試驗水力壓裂煤層增透技術(shù)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，目前該技術(shù)已成為了一項瓦斯治理常規(guī)手段，對煤層實施水力壓裂增透后，能大幅增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，從而縮短抽采時間，減少鉆孔工程量。魯班山北礦礦煤層瓦斯含量大，透氣性系數(shù)低，井下鉆孔抽采效果差，嚴(yán)重制約了瓦斯治理和防突效果，影響了礦井的部署接替及安全生產(chǎn)。近年來，魯班山北礦進(jìn)行了深孔預(yù)裂爆破、水力割縫等多項增透措施試驗，取得了一定的效果，但爆破及水力割縫的影響范圍均比較小，不適合大規(guī)模實施。目前礦井多數(shù)鉆孔均采用常規(guī)方式進(jìn)行瓦斯抽采，抽采效果差。為解決魯班山北礦目前存在的問題，提高瓦斯抽采效果，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，確保礦井安全生產(chǎn)，在142底板巷道施工穿層鉆孔進(jìn)行水力壓裂，積極探索魯班山北礦瓦斯治理的新途徑。

1 工程概況

魯班山北礦為450 kt/a高瓦斯中型礦井，全區(qū)穩(wěn)定可采，2#煤層為解放層，8#煤層為被解放層，優(yōu)先采用扒皮式綜合機(jī)械化開采上解放層。8#煤層埋深為330 m，煤層厚0.73～4.42 m，平均厚2.5 m，煤層較穩(wěn)定，頂板主要為砂巖或泥質(zhì)巖、砂巖類組合，有一層0.02～0.20 m偽頂；底板個別地方為砂巖，其他由泥質(zhì)巖組成。根據(jù)煤層賦存狀況和地形地貌，采用平硐開拓方式。

8#煤層合層區(qū)瓦斯含量平均為25.55 m3/t，8#煤層之一瓦斯含量平均為16.01 m3/t，8#煤層之二瓦斯含量平均為7.16 m3/t，8#煤層之三瓦斯含量平均為15.31 m3/t。堅固性系數(shù)f=2～4，煤層走向180°，平均傾角為21°。近年來，魯班山北礦采用常規(guī)方式抽采瓦斯，鉆孔平均單孔瓦斯抽采純量僅為0.002 m3/min左右。

2 煤層壓裂增透原理及影響因素

煤礦井下水力壓裂增透技術(shù)是利用高壓泵組將壓裂液以大于煤儲層吸收能力的速度注入，克服煤層本身的破裂壓力后，煤層弱面會被劈開一條或多條裂縫，以建立起煤層與抽采鉆孔之間的高速通道，高效抽采煤層瓦斯。

煤層水力壓裂時，在孔壁處裂縫壓裂的初期，裂縫存在長度、高度、寬度方向的三維擴(kuò)張，裂縫橫向的方向垂直于最小主應(yīng)力方向。壓裂過程中存在流動摩擦阻力與液柱重力產(chǎn)生的壓力，在孔壁裂縫開啟之前，鉆孔孔壁與壓裂篩管之間的環(huán)狀空隙的液體越來越多，形成憋壓。壓力上升到孔壁裂縫的起裂壓力后，高壓水進(jìn)入裂縫并隨著裂縫的起裂、擴(kuò)展和延伸不斷增加，壓裂管內(nèi)必須憋壓才能壓開更多的裂縫和補充壓力損失，需要泵入更多的壓裂液以提供持續(xù)水壓力，因此，整個壓裂過程是一個壓裂液進(jìn)多出少的過程。

煤層自身性質(zhì)和外部環(huán)境、施工因素均會影響其水力壓裂增透效果。在對國內(nèi)外相關(guān)理論進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的水力壓裂試驗，發(fā)現(xiàn)影響煤巖水力壓裂效果的因素主要有6個方面：①地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造；②煤層自身特性，包括煤層硬度、瓦斯含量、初始透氣性、瓦斯壓力、孔隙體積、含氣飽和度、分布狀況、煤階、沉積環(huán)境、力學(xué)性質(zhì)和水動力條件；③施工參數(shù)，包括注入排量、砂比濃度；④壓裂規(guī)模，包括壓裂孔數(shù)目等；⑤壓裂液和支撐劑性能；⑥排采參數(shù)。

影響水力壓裂增透效果的因素很多，其中地應(yīng)力和煤體強(qiáng)度為主控因素，地應(yīng)力大小和方向是控制水力壓裂裂縫起裂壓力、起裂位置及裂縫形態(tài)的關(guān)鍵[3]。同時，水力壓裂過程中，壓裂液對瓦斯有一定的驅(qū)趕作用。

3 壓裂鉆孔設(shè)計

基于煤層壓裂鉆孔水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)合魯班山北礦的現(xiàn)場情況，在142底板巷布置4個壓裂鉆孔，1#和2#鉆孔間距為100 m，2#和3#鉆孔間距為80 m，鉆孔傾角為15°，鉆孔穿透8#煤層，終孔距8#煤層頂板0.5 m，鉆孔開孔孔徑為94 mm，終孔孔徑為75 mm。4#鉆孔穿過8#煤層壓B2煤層設(shè)計，鉆孔孔徑為75 mm。鉆孔施工布置見圖1，壓裂孔參數(shù)見表1。

3.1 封孔設(shè)計

原則上封孔深度為鉆孔的深度，在施工水力壓裂鉆孔時，必須清楚記錄煤層段位置，送入的壓裂管在煤層位置使用篩管。采用砂漿水泥封孔，封孔管前端布置2根篩管。1#～3#壓裂鉆孔由孔口封至8#煤層底板，通過注漿管送漿至8#煤層底板，再通過篩管返漿。4#鉆孔封至B2煤層底板。封孔設(shè)計見圖2。

3.2 水力壓裂參數(shù)計算

3.2.1 破裂壓力

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]計算方法，破裂壓力計算公式為

pf≥σ1+σ3-2(σ1-σ3)cos2θ+Rt,

(1)

σ1=0.021 6H+6.780 8 ,

(2)

σ3=0.018 2H+2.232 8 ,

(3)

式中，pf為破裂壓力，MPa；σ1、σ3分別為最大、最小水平主應(yīng)力，MPa；θ為目標(biāo)方向角,(°)；Rt為煤巖體抗拉強(qiáng)度，取2.6 MPa;H為埋深，m。

孔號鉆孔層位開孔高度/m 方位/(°)傾角/(°)孔深/m1#8#1.23551539.42#8#1.23551542.73#8#1.23551545.44#2#1.23554541

圖2 壓裂孔封孔示意

經(jīng)測算管道摩阻約2 MPa。根據(jù)142底板巷道的埋深、巖體抗拉強(qiáng)度、目標(biāo)方向角，經(jīng)綜合計算，各壓裂孔破裂壓力計算結(jié)果見表2。

表2 各孔破裂壓裂計算參數(shù) MPa

3.2.2 總注水量

注水量計算公式為

v=abhk,

(4)

式中，v為注水影響體體積，m3；a為影響體長度，m；b為影響體寬度，m；h為影響體高度，m;k為影響體孔隙率，%。

根據(jù)142底板巷道實施地點的條件及預(yù)壓裂的有效半徑30 m，經(jīng)過計算，壓裂層需注水量見表3。

表3 壓裂水量理論計算 m3

3.3 配套工程

目前常用的壓裂泵組有BRW200-31.5型乳化液泵組、CBYL400型壓裂泵組。BRW200-31.5型乳化液泵組電機(jī)功率為125 kW，額定壓力為31.5 MPa，最大流量為12 m3/h，缺點是流量小，不能滿足規(guī)模壓裂的液量供給，重慶地區(qū)的水力壓裂多選用BRW200-31.5型壓裂泵組。

本次水力壓裂選用重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司與重慶水泵廠有限公司合作研制的CBYL400型壓裂泵組，具有流量大、體積小、智能化程度高等優(yōu)點[5-6]。根據(jù)前面計算的破裂壓力和總注水量的設(shè)計要求，在其3檔運行時，壓裂參數(shù)即可滿足要求，運行參數(shù)見表4。

表4 CBYL400型壓裂泵組運行參數(shù)

4 抽采鉆孔設(shè)計

4.1 壓裂區(qū)域

為了進(jìn)一步驗證壓裂區(qū)域的抽采效果，在3個壓裂孔條帶范圍施工20 m×20 m的網(wǎng)格條帶預(yù)抽鉆孔，若抽采效果差，可在中間布置10 m×10 m的網(wǎng)格條帶預(yù)抽鉆孔。本次共設(shè)計抽采鉆孔21個,鉆孔孔徑為75 mm，終孔位置距8#煤層頂板0.5 m，每組施工鉆孔2個，每相鄰2組錯開布置，所有鉆孔均布置在壓裂鉆孔范圍內(nèi)[7-9]，見圖3。

圖3 壓裂區(qū)域抽采鉆孔設(shè)計平面

4.2 非壓裂區(qū)域

為了對比驗證壓裂區(qū)域的抽采效果，在壓裂影響范圍外布置網(wǎng)格預(yù)抽鉆孔[10]。本次共設(shè)計抽采鉆孔79個，鉆孔按15 m×15 m網(wǎng)格布置，鉆孔孔徑為75 mm，終孔位置距2#煤層頂板0.5 m。

5 壓裂過程及影響范圍分析

2016年3月31日—4月15日，分別對1#～4#壓裂鉆孔進(jìn)行了水力壓裂，具體壓裂情況如下：

(1)1#鉆孔壓入水量為132 m3，最大壓力為16 MPa，壓裂后在142底板巷道距1#鉆孔以外80 m處有一個鉆孔出水，鉆場口的抽放人工放水桶放出的水發(fā)黑，有煤粒，停止壓裂。

(2)2#鉆孔分3次壓裂，壓入水量共273 m3，最大壓力為24.5 MPa，壓裂后142底板巷道2#壓裂鉆孔前后30 m范圍巷道吊渣嚴(yán)重。

(3)3#鉆孔壓入水量為70 m3，最大壓力為15.3 MPa，壓裂后142底板巷道3#鉆孔周圍巷道頂板多處吊渣、多處錨桿出水，并與4#壓裂鉆孔壓通。

(4)4#鉆孔進(jìn)行了2次壓裂，第一次于2016年3月31日進(jìn)行，壓入水量為150 m3，最大壓力為14.2 MPa，于2016年4月15日對4#壓裂孔進(jìn)行重復(fù)壓裂，壓入水量為16 m3，最大壓力為27 MPa，觀察發(fā)現(xiàn)與3#鉆孔溝通，3#鉆孔出水明顯增大，停止壓裂；壓入水量共166 m3，最大壓力為27 MPa。

各鉆孔壓入水量及壓力情況見表5。

各孔的壓裂影響范圍可通過以下兩方面來判定[2]：一是壓裂過程中附近鉆孔及巷壁的出水情況；二是壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔施工過程中的見水情況。從壓裂過程中鉆孔及巷壁的出水情況可以看出，壓裂區(qū)域內(nèi)全部為壓裂影響范圍。壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)，所有抽采鉆孔見煤層時均大量含水，并造成鉆孔施工過程中風(fēng)排粉穿煤困難。通過壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔施工過程中的見水情況可知，所有鉆孔均在壓裂影響范圍內(nèi)。

表5 142底板巷道水力壓裂情況

6 壓裂抽采效果

6.1 壓裂區(qū)域

對鉆孔水力壓裂完成后，立即對壓裂孔進(jìn)行排水，待孔內(nèi)水量變小后接入抽采系統(tǒng)，由于壓裂孔壓入大量的水，有一個排采過程，經(jīng)現(xiàn)場觀察，壓裂孔內(nèi)正壓瓦斯明顯減少，于是對抽采觀測鉆孔進(jìn)行抽采。壓裂區(qū)域抽采情況見表6。

表6 142底抽道壓裂區(qū)域抽采情況

由表6可知，壓裂區(qū)域內(nèi)抽采鉆孔的平均單孔抽采純量在連續(xù)4個月內(nèi)均呈現(xiàn)了穩(wěn)中帶升的趨勢，抽采純流量從一開始的2.059 m3/min上升到3.96 m3/min，平均單孔抽采純量最大達(dá)0.158 4 m3/min，說明該區(qū)域壓裂后的抽采效果明顯。

6.2 非壓裂區(qū)域

對比鉆孔于2014年4月13日陸續(xù)接入抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。2016年4月4日增加的3個鉆孔為壓裂前的考察孔，由于施工處于地質(zhì)構(gòu)造帶附近，鉆孔未見煤，但瓦斯量特別大。非壓裂區(qū)域抽采情況見表7。

表7 非壓裂區(qū)域抽采情況

根據(jù)142底板巷道非壓裂區(qū)域礦井始抽至2016年8月15日88周周報數(shù)據(jù)計算結(jié)果，鉆孔的抽采純量為0.021 9 m3/min，142底板巷道壓裂區(qū)域內(nèi)的平均單孔純量是0.121 m3/min,即壓裂后抽采鉆孔的平均單位抽采純量是壓裂前的5.5倍。

6.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

壓裂區(qū)域內(nèi)的平均單孔抽采純量是對比孔抽采純量的5.5倍，若保持抽采時間不變的情況下，僅需要非壓裂區(qū)域18%的鉆孔即可達(dá)到同樣的抽采量，即鉆孔工程量可減少82%。經(jīng)計算，抽采同樣瓦斯總量時所需要的抽采時間可縮短82%。

水力壓裂推廣應(yīng)用后，每個壓裂孔的成本可降低到約3萬元/孔，按每個壓裂鉆孔的影響半徑為30 m考慮，其影響面積約2 826 m2，若按原8 m×8 m 網(wǎng)格布置需施工鉆孔44個，進(jìn)行水力壓裂后，可減少為1個。每個鉆孔按50 m計算，可節(jié)約鉆孔工程量2 150 m，按《煤炭建設(shè)工程概預(yù)算定額(2007 基價)》計算穿層鉆孔單價約135元/m，即鉆孔可節(jié)約費用29.03萬元，減去壓裂鉆孔成本后，可節(jié)約26.03萬元。同時，每個壓裂鉆孔影響范圍內(nèi)可節(jié)約43個鉆孔的施工時間。

7 結(jié) 論

(1)對魯班山北礦142底板巷道8#煤層實施水力壓裂，壓裂孔的影響范圍半徑可達(dá)40 m以上。水力壓裂能大幅度提高鉆孔瓦斯抽采純量，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)域單孔抽采純量的5.5倍，鉆孔工程量可減少82%，抽采時間可縮短82%。142底板巷道條帶水力壓裂現(xiàn)場應(yīng)用表明，水力壓裂對于魯班山北礦增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率效果顯著。通過水力壓裂過程的分析、壓裂影響范圍、壓裂抽采效果的研究分析，表明水力壓裂在魯班山北礦是適用的、可行的。

(2)水力壓裂增透技術(shù)在魯班山北礦穿層條帶瓦斯治理中成功應(yīng)用，基本形成了適用于該礦井穿層鉆孔水力壓裂工藝，應(yīng)用水力壓裂技術(shù)可提高區(qū)域煤層透氣性，增加煤體瓦斯涌出通道，提高瓦斯抽采效率，縮短瓦斯抽采時間，降低瓦斯災(zāi)害治理成本，保證礦井的安全生產(chǎn)和部署接替。下一步將進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用，充分發(fā)揮水力壓裂增透技術(shù)的效果。