李喜員，孫 朋，王玉杰，唐建平，呂偉偉

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.中國平煤神馬集團煤炭開采利用研究院瓦斯研究所，河南 平頂山 467000；3.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；4.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

瓦斯災害是我國井下煤礦開采的主要災害之一，采前預抽是解決瓦斯涌出超限的根本方法[1]。但我國的井下煤層滲透率普遍低于其他主要產(chǎn)煤國家，大多數(shù)煤層需要采取一定的增滲措施才能保證瓦斯抽采工作的進行，而水力壓裂技術(shù)因其增透范圍大、效果顯著而普遍應用于各大井下煤礦[2-3]。滲透率是決定煤層瓦斯抽采效率的關鍵因素之一，隨著煤礦開采深度的不斷加大，煤層滲透率普遍降低，同時地應力及瓦斯含量亦同時增大。目前對于深井水力壓裂存在的主要問題是當煤層停止進行壓裂時，由于井下應力過大導致發(fā)生裂縫閉合現(xiàn)象，進而影響瓦斯的抽采效果，煤層裂縫的導流能力是瓦斯抽采難易程度的關鍵因素之一[4-6]。為了解決這一問題，在參考地面油氣井重復水力壓裂的基礎上，闡述了井下重復水力壓裂技術(shù)的原理。同時在十二礦己15-31040工作面煤層進行底抽巷重復水力壓裂試驗，考察重復水力壓裂后的應用效果，為在相似條件下進行重復水力壓裂提供技術(shù)支持。

1 重復水力壓裂技術(shù)原理

利用高壓泵產(chǎn)生一定的壓力將液體注入到煤層中，在煤層內(nèi)部產(chǎn)生一定的張應力，當張應力達到煤層本身破裂所需要的力后，煤層開始在其最薄弱的地方損傷，縫隙開始延伸，形成裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過改變煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使煤層的滲透率得以改善，進而提升瓦斯抽采效率[7-9]。

重復水力壓裂是指在一次壓裂完成之后，在同一個壓裂鉆孔以原先工藝進行二次或者二次以上的水力壓裂。一次壓裂時，一定量液態(tài)水在高壓泵的作用下形成高壓，通過高壓管注入到煤層之中，壓裂孔內(nèi)壓力迅速攀升，當注入的高壓液態(tài)水達到煤層起裂壓力時，在煤層形成縫隙[10-12]。當高壓水持續(xù)不斷注入時，高壓液態(tài)水將會沿著這些形成的裂縫向前延伸。隨著距離的延長，形成新裂縫的阻力也相應地增大。當?shù)竭_一定程度時，壓裂影響范圍內(nèi)的水達到了飽和，水力壓裂增透范圍將限定在這一區(qū)域內(nèi)，將不會形成新的裂縫，繼續(xù)注入高壓水失去了意義。由于井下空間受限，一次壓裂高壓水相對較少，尤其對于千米深井，增透范圍較??；再次在形成新的裂縫，應力得到了部分釋放，而且在不同位置形成縫隙的差異會導致裂縫釋放程度不同，容易造成壓裂縫隙再次閉合的現(xiàn)象。在一次壓裂完成之后，進行再次壓裂不僅可以延伸原先裂縫，而且促進新裂縫的形成，進而擴大水力壓裂增透范圍[13-14]。

根據(jù)最小應力原理[15-16]，當煤層進行重復水力壓裂后，裂縫的延伸方式仍然取決于煤儲層的應力狀態(tài)，第一次形成的壓裂裂縫、氣水兩相流體壓力的變化及煤儲層彈性應力等都會變成新的誘導應力，它們的綜合作用結(jié)果決定了煤層進行再一次水力壓裂后裂縫的伸展規(guī)律。因此，當在壓裂孔進行再一次水力壓裂時，壓裂孔附近可以改變裂縫方位，但是距壓裂孔一定距離后，裂縫仍然沿著原來的方向擴展[17]。

2 十二礦己15-31040工作面煤層重復水力壓裂試驗

2.1 十二礦地質(zhì)概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十二礦(以下簡稱“十二礦”)始建于1958年，位于平頂山礦區(qū)東部，距市區(qū)7.5 km，行政區(qū)劃屬平頂山市東高皇鄉(xiāng)。礦井井田南北長約5 km，東西寬約3 km，井田面積15 km2。井田內(nèi)批準開采煤層為己組和庚組，主采的己15煤層、己16-17煤層透氣性低，抽采效果差，抽采達標時間長，造成礦井采掘接替緊張，嚴重制約了礦井的安全生產(chǎn)。己15-31040工作面位于礦井西翼三水平上部，東鄰北山工業(yè)廣場保護煤柱，南鄰己15-31020工作面，西鄰十礦和十二礦邊界線，北部為未開采區(qū)域。工作面標高在-678～-715 m之間，地面標高為290 m左右，垂深928～977 m。工作面傾斜長度為215 m，可采走向長度725 m，平均煤厚3.3 m，煤層平均傾角10°。根據(jù)測定結(jié)果得出己15煤層平均原始瓦斯含量在10 m3/t左右，平均原始瓦斯壓力在3 MPa左右，說明該區(qū)域煤層整體屬于高瓦斯區(qū)段[18]。

2.2 十二礦井下重復水力壓裂工藝流程及參數(shù)設計

井下重復水力壓裂的工藝流程如圖1所示。

圖1 重復水力壓裂工藝流程圖

對于特殊煤層，為了增強壓裂效果，可設計添加適當比例表面活性劑、阻燃劑，隨同壓裂液壓入壓裂孔。根據(jù)十二礦項目試驗條件，本次試驗不要求添加活性劑與阻燃劑。穿層水力壓裂注水量V計算見式(1)和式(2)。

V煤層=π(R-r)2Hφ

(1)

V=V煤層+KV管

(2)

式中：R為預計壓裂半徑，此次取30 m；r為孔眼半徑，m；H為煤層厚度，m；φ為孔隙度，%。

經(jīng)初步計算得到十二礦煤層首次單孔總注水量為80～100 m3，現(xiàn)場壓裂時根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時調(diào)整注水量。

在壓裂中壓裂泵的泵注壓力Pw計算見式(3)。

Pw=Pk-PH+Pr+Pf

(3)

式中：Pw為泵注壓力，MPa；Pk為煤層起裂壓力，MPa；PH為高程損失壓力，MPa；Pr為局部壓力損失，MPa；Pf為沿程壓力損失，MPa。

根據(jù)式(3)計算得到十二礦水力壓裂煤層起裂壓力為20～25 MPa，泵注壓力為25～30 MPa。

2.3 壓裂鉆孔布置

分別在己15-31040進風巷低位瓦斯治理巷內(nèi)共布置2個壓裂鉆孔，鉆孔間距100 m，設計孔深22 m，鉆孔傾角為31°，1#壓裂鉆孔施工完成后，檢驗鉆孔是否按照設計參數(shù)施工，驗孔完成后采用多次注漿封孔工藝進行壓裂孔封孔，封孔完成后待水泥漿凝固48 h后方可進行高壓水力壓裂試驗。根據(jù)試驗區(qū)域的地質(zhì)條件本次壓裂采用少量多次的注水方式，2#壓裂鉆孔采取一次壓裂方式，鉆孔工程量140 m，其中，巖孔116 m，煤孔24 m，設計孔徑94 mm，封孔長度不小于15.4 m，為保證壓裂安全要求對巖孔段進行全程封孔，為更好地記錄壓裂過程并考察壓裂效果，各孔布置如圖2所示。該區(qū)域水力壓裂后進行己15煤層及鄰近己16-17煤層水力壓裂效果考察，1#壓裂鉆孔沿煤層走向方向孔間距為5 m設計了1-1～1-8共8個考察鉆孔，為了防止兩個壓裂孔之間相互影響，1#壓裂鉆孔與2#壓裂鉆孔設置于邊緣位置，2#壓裂鉆孔同樣沿煤層走向方向孔間距為5 m設計了2-1～2-8共8個考察鉆孔，分別測定壓裂前和壓后瓦斯含量和范圍內(nèi)的含水率。各壓裂孔情況見表1。

泵組組裝且調(diào)試完成后，連接長×寬×高(3 m×2 m×1.7 m)水箱、1級水流量計、Φ51 mm高壓管路、60 MPa壓力表等設備，連接示意圖見圖3。

圖2 壓裂鉆孔平面布置圖

表1 各壓裂鉆孔布置情況表

圖3 設備及管路連接示意圖

2.4 水力壓裂過程

1#壓裂鉆孔注水壓力為25～30 MPa，按照常規(guī)的壓裂方式進行。己15-31040工作面并未出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸?，而且頂板亦無出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，整個壓裂過程保持3 h。2#壓裂鉆孔注水量為80 m3，而1#壓裂鉆孔采用總注水量相同，分3次壓裂的工藝進行，首次注水量為30 m3，第二次注水量為30 m3，第三次注水量為20 m3，累計注水量亦為80 m3，每次壓裂持續(xù)時間均為1 h，注水壓力25～30 MPa。詳細的施工參數(shù)見表2。

表2 己15-31040工作面煤層重復水力壓裂施工參數(shù)

圖4 重復壓裂保壓壓力隨時間變化曲線圖

通過統(tǒng)計分析一次壓裂、二次壓裂、三次壓裂1 h 后保壓的壓力變化情況得出：三次壓裂后保壓壓力均隨保壓時間呈前20 min迅速降低而后緩慢降低隨后逐漸趨于平緩，并且后期保壓壓力均有反彈現(xiàn)象；隨著壓裂次數(shù)的增加從初始到穩(wěn)定后的保壓壓力逐步升高。這是因為壓裂結(jié)束后在壓裂水逐漸向煤體中滲透擴展過程中，為克服裂隙壁阻力、液體粘滯力、部分瓦斯壓力和地應力導致部分壓損，保壓壓力整體呈逐漸下降的趨勢；隨著壓裂次數(shù)的增加壓裂有效影響范圍也隨之增加，在壓損增加的前提下為保證壓裂水沿煤體中足夠的滲透擴展，保壓壓力隨著壓裂次數(shù)的增加整體呈增加的趨勢。

根據(jù)石油行業(yè)重復壓裂的復壓理論：復壓的最佳時間應該是初次縫很長，復壓縫進入地區(qū)的孔隙壓力仍然很高的時期。結(jié)合重復壓裂后保壓的壓力變化情況，復壓的最佳時間定為70 min以后，一方面由于保壓壓力在70 min后逐漸趨于穩(wěn)定，另一方面是由于保壓壓力在70 min后仍具有較高的壓力，此時可保持復壓縫擴展地區(qū)的孔隙壓力仍然較高。最佳的復壓時間可保證在沿初次縫基礎上復壓縫起裂-擴展-延伸，有利于初次縫與復壓縫的貫通，可有效保證在壓裂有效影響范圍內(nèi)微縫網(wǎng)的形成進而達到增透煤層的效果。

3 己15-31040工作面水力壓裂效果考察

結(jié)合十二礦試驗區(qū)域己15-31040工作面及鄰近己16-17煤層瓦斯基本參數(shù)測定，在一次壓裂和重復全部壓裂結(jié)束并保壓2 h后測試己15煤層、己16-17煤層的瓦斯含量、含水率及瓦斯流量，測定數(shù)據(jù)分布情況見圖5～圖9。以1#壓裂鉆孔為中心，沿煤層走向、傾向兩個方向?qū)毫押笤囼瀰^(qū)域瓦斯含量、含水率的變化情況進行如下分析。

水力壓裂的效果可以用瓦斯含量來進行表征。使用DGC型瓦斯測定儀直接測定井下瓦斯含量，經(jīng)過測定，己15-31040工作面瓦斯含量為5.41～12.86 m3/t，平均為8.60 m3/t，壓裂后共施工18個考察鉆孔現(xiàn)場取樣測定了瓦斯含量，如圖5所示。 沿煤層走向距1#壓裂鉆孔45 m范圍內(nèi)共9個鉆孔(包含1#壓裂鉆孔)，測得瓦斯含量為2.88～7.36 m3/t，較原始平均降低4 m3/t左右，2#壓裂鉆孔區(qū)域煤層原始瓦斯含量為9.63～13.84 m3/t，平均為10.70 m3/t，如圖5所示。沿煤層走向距2#壓裂鉆孔45 m范圍內(nèi)的9個鉆孔(包含2#壓裂鉆孔)，測得瓦斯含量為5.57～9.92 m3/t，較原始平均降低2 m3/t左右，1#壓裂鉆孔、2#壓裂鉆孔、考察鉆孔的壓裂后的含水率如圖8所示。對比兩種不同的壓裂工藝，在總注水量相同的情況下，在深部煤層中重復水力壓裂的壓裂效果較好。

與原始區(qū)域相比，壓裂后抽采鉆孔瓦斯含量下降明顯，同時在總注水量一樣的前提下，1#壓裂鉆孔經(jīng)過多次重復壓裂施工工藝后，有效地防止了深部煤層因為應力過大而出現(xiàn)裂隙閉合的情況，并且進一步溝通了煤層裂隙，瓦斯含量的下降量明顯多于單次壓裂工藝的2#壓裂鉆孔，壓裂驅(qū)替瓦斯效果明顯，各孔含水率總體上1#壓裂鉆孔多于2#壓裂鉆孔，且1#壓裂鉆孔的瓦斯流量大于2#壓裂鉆孔，說明在該深井中，重復壓裂的施工工藝明顯優(yōu)于單次壓裂施工。

圖5 1#壓裂鉆孔己15煤層壓裂前后瓦斯含量變化對比圖

圖6 2#壓裂鉆孔己15煤層壓裂前后 瓦斯含量變化對比圖

圖7 1#壓裂鉆孔與2#壓裂鉆孔壓裂之后區(qū)域瓦斯含量降低對比圖

圖8 己15煤層壓裂前后含水率變化對比曲線

圖9 1#壓裂鉆孔與2#壓裂鉆孔壓裂之后瓦斯流量對比圖

4 結(jié) 論

1) 通過理論分析及十二礦己15-31040工作面重復水力壓裂現(xiàn)場試驗，得出了“少注水，多次壓裂”技術(shù)的可行性，并在現(xiàn)場應用過程中取得了較好的效果，由此可見，重復水力壓裂作為一種新型水力壓裂工藝，具有一定研究和應用價值。

2) 在現(xiàn)場實施的重復水力壓裂試驗表明，在同等條件下，與原始區(qū)域及一次壓裂相比，煤層經(jīng)過多次壓裂之后瓦斯含量下降較為明顯，而且不增加注水量及成本的情況下，重復壓裂后煤層瓦斯含量降低幅度高于單次壓裂，值得在深部較難進行瓦斯抽采的煤層進行推廣使用。

3) 就目前而言，重復水力壓裂技術(shù)還未形成一套完善的技術(shù)評價體系。在現(xiàn)有井下水力壓裂的基礎上，可結(jié)合煤層區(qū)域瓦斯含量、地質(zhì)狀況等，研究煤層實施重復水力壓裂技術(shù)的可行性。