鄧敢博

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1-2]表明，在我國(guó)的能源格局中占據(jù)著主要地位的煤炭資源，2030年在能源消費(fèi)比重中仍可占據(jù)50%以上，可以說(shuō)明的是，煤炭關(guān)乎著我國(guó)能源安全穩(wěn)定。目前我國(guó)煤炭絕大多數(shù)還是采取井工開(kāi)采的方式，煤炭復(fù)雜的賦存方式以及其開(kāi)采深度的不斷加大，致使開(kāi)采過(guò)程中的災(zāi)害變得愈加強(qiáng)烈。其中，在開(kāi)采中常見(jiàn)的一種動(dòng)力災(zāi)害為煤與瓦斯突出，發(fā)生機(jī)理復(fù)雜及受到多種因素所影響，讓其變得難以控制，有效的預(yù)防是保證煤礦安全生產(chǎn)的必備條件[3-4]。對(duì)于工作面來(lái)說(shuō)，瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)是保證煤能夠進(jìn)行順利回采的前提條件之一。對(duì)于一些低透氣性的深部煤層來(lái)說(shuō)，常規(guī)鉆孔預(yù)抽的方式不僅耗費(fèi)人力、物力，而且抽采效率低下。針對(duì)此種情況，絕大多數(shù)煤體需要采用人工增透的方式來(lái)提高瓦斯的抽采效率，較為常用提高滲透率的方式有水力壓裂、水力割縫、水力沖孔及深孔爆破等[5-7]。其中，水力壓裂以其能夠在煤層形成大范圍的卸壓區(qū)域、操作效率高，近些年來(lái)形成的水力壓裂成套的技術(shù)及裝備，顯著地提升了區(qū)域煤層瓦斯的預(yù)抽效果。

隨著煤層開(kāi)采深度的不斷加大，地應(yīng)力也隨之而升高，進(jìn)行常規(guī)的水力壓裂存在著壓力高負(fù)荷、注水難等問(wèn)題，在壓裂效率低下、煤層增透效果不理想的同時(shí)，設(shè)備還留著巨大的安全隱患。針對(duì)此種情況，經(jīng)過(guò)科技工作者的不斷研究[8-10]，體積(縫網(wǎng))壓裂、脈動(dòng)水力壓裂、同步壓裂等較為前沿的壓裂技術(shù)先后應(yīng)用于煤層增透之中，但由于操作復(fù)雜及所需壓裂設(shè)備過(guò)大等緣故，限制了這些技術(shù)的大面積推廣。對(duì)于地應(yīng)力較高的煤層，急需采取有效且工藝簡(jiǎn)單的水力壓裂工藝提高煤層的滲透率。

紅陽(yáng)三礦西三下部采區(qū)705工作面為具備突出危險(xiǎn)性的低透氣性煤層，由于其屬于深部煤層，地應(yīng)力大，在該煤層工作面區(qū)域預(yù)抽瓦斯防突措施先后采用常規(guī)水力壓裂、水力割縫等增透措施，但瓦斯抽采效果并不理想。之后改變壓裂工藝，工作面回采之前采用循環(huán)往復(fù)式水力壓裂后，取得了較好的煤層卸壓增透效果，瓦斯抽采效率大幅度提高，對(duì)于水力壓裂卸壓瓦斯抽采區(qū)域防突技術(shù)以及在相似條件下的瓦斯災(zāi)害防治，具有一定的指導(dǎo)及參考意義。

1 循環(huán)往復(fù)式水力壓裂技術(shù)原理

大多數(shù)材料都有疲勞這一動(dòng)力性能，這些材料在交變、循環(huán)以及重復(fù)載荷的作用下，一般都會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷效應(yīng)。根據(jù)相關(guān)研究[11]，當(dāng)載荷循環(huán)作用于煤體時(shí)，其發(fā)生疲勞損傷的變形規(guī)律以及強(qiáng)度與單一靜態(tài)載荷的作用明顯不同。當(dāng)經(jīng)過(guò)壓裂泵組加壓的水注入到煤層之中[12]，更多的是借助高壓水在煤體弱面進(jìn)行支撐、破碎，使得弱面產(chǎn)生伸開(kāi)、擴(kuò)展以及延長(zhǎng)，從而使得各條裂隙得以相通。從微觀上來(lái)說(shuō)，往復(fù)式水力壓裂作用在煤體時(shí)，在裂隙面發(fā)生周期性的張壓應(yīng)力，在此種交變應(yīng)力下發(fā)生疲勞破壞，循環(huán)往復(fù)式壓裂比恒壓負(fù)荷作用下發(fā)生破壞所需要的最大應(yīng)力值低，對(duì)于煤層來(lái)說(shuō)，其為非均質(zhì)體，包含著各類的缺陷和天然裂隙，因而若要在煤層中形成縫網(wǎng)，重點(diǎn)在于先在較大的形成主裂縫擴(kuò)展延伸，使得首次產(chǎn)生的裂隙或者煤儲(chǔ)層缺陷能夠張開(kāi)，最后形成裂縫網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?？p網(wǎng)壓裂得以進(jìn)行的力學(xué)原理是分支裂縫在裂隙的擴(kuò)展上形成的[13-14]，作用原理如圖1所示。

圖1 煤層往復(fù)式水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成示意Fig.1 Fracture network structure formation diagram of reciprocating hydraulic fracturing of coal seam

循環(huán)往復(fù)式水力壓裂煤體過(guò)程具體可分為3個(gè)階段：①高壓水滲入煤體的裂隙及孔隙之中，沖刷煤巖，使得高壓水在煤體中布滿裂隙和孔隙，直到水幾乎不能再進(jìn)入到該孔為止，將孔口閥門緊緊關(guān)死；②將高壓膠管移至下一個(gè)壓裂孔，與第1個(gè)孔同樣注水，以此類推，將所有的壓裂孔完成第1次注水；③對(duì)第1個(gè)孔再一次注水，依次往后每一個(gè)壓裂孔，將所有的壓裂孔注水次數(shù)達(dá)到4～5次。利用往復(fù)式水力壓裂不僅可以使得煤體能夠充分吸收水分，解吸出更多的吸附態(tài)瓦斯氣體，同時(shí)在進(jìn)行壓裂時(shí)可以使得煤體發(fā)生疲勞損傷來(lái)進(jìn)一步溝通裂隙，提升瓦斯的滲流速率。

2 工程概況

2.1 基本情況

紅陽(yáng)三礦是沈煤集團(tuán)主要生產(chǎn)礦井之一[15]，煤與瓦斯突出事故頻發(fā)，自1972年建井發(fā)生第一次突出事故以來(lái)，至今共出現(xiàn)煤與瓦斯突出136次，突出強(qiáng)度平均達(dá)166 t/次。705運(yùn)輸巷煤層為突出危險(xiǎn)性煤層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的壓力測(cè)定、實(shí)驗(yàn)室工業(yè)分析測(cè)試及已有地質(zhì)資料，瓦斯壓力最高達(dá)到2.5 MPa、瓦斯含量為7.48～12.24 m3/t、煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.23、瓦斯放散初速度ΔP為31，破壞類型為Ⅲ—Ⅳ類。工作面回采采用順層鉆孔密集鉆孔預(yù)抽瓦斯的方式，但是由于煤層透氣性低，衰減系數(shù)相對(duì)較高，瓦斯抽采效果極為有限，預(yù)抽達(dá)標(biāo)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)由于煤層埋深大(950 m)，采用普通鉆孔的方式難以消除高地應(yīng)力的危害。在該區(qū)域(703回風(fēng)巷)之前進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，由于煤層高地應(yīng)力的影響，壓裂后瓦斯抽采效果不佳，且在壓裂過(guò)程中，高壓水難以被煤層所“消化”，壓力曾一度高達(dá)60 MPa，而單孔最大注水量?jī)H為30 m3，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，泵體持續(xù)地高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，存在著極大的安全隱患，且孔口存在部分漏水現(xiàn)象。

2.2 壓裂鉆孔管道布置連接

水力壓裂參數(shù)鉆孔布置如圖2所示。首先施工4個(gè)壓裂鉆孔，鉆孔間距40 m，孔深80 m；鉆孔在施工過(guò)程中測(cè)定其瓦斯含量，待壓裂孔和考察孔施工完畢后開(kāi)始?jí)毫眩疾炜自趬毫堰^(guò)程中需接入到抽采管路，同時(shí)安裝上自動(dòng)防水排渣設(shè)備；壓裂過(guò)程中觀測(cè)考察孔瓦斯?jié)舛茸兓?、流量變化、煤壁及孔口是否有壓裂水流出等。水力壓裂設(shè)備主要由壓裂泵組、高壓膠管、壓裂鋼管、高壓閥門等裝置構(gòu)成，設(shè)備系統(tǒng)如圖3所示。設(shè)計(jì)壓裂半徑15 m，經(jīng)計(jì)算，每個(gè)鉆孔注水量保持在60～70 m3。壓裂供水要求水質(zhì)潔凈，過(guò)濾掉直徑2 mm及以上雜質(zhì)，水壓≥2 MPa，水流量20 m3/h。

圖2 水力壓裂參數(shù)鉆孔布置Fig.2 Drilling layout of hydraulic fracturing parameters

圖3 壓裂系統(tǒng)Fig.3 Fracturing system

2.3 封孔工藝

此次順層鉆孔壓裂采取煤礦井下水力壓裂專用封隔器(MKY70型封隔器)封孔，設(shè)計(jì)封孔深度為30～40 m，該封孔器具有封孔簡(jiǎn)便可靠、成本低和可重復(fù)使用的特點(diǎn)，適用于任意角度的穿層孔及順層孔壓裂。上、下接頭，中間管和膠筒等零件構(gòu)成了MKY70型封隔器。壓裂時(shí)，壓裂液經(jīng)過(guò)壓裂管由上接頭進(jìn)入封隔器的中間管，此時(shí)，具有一定壓力的壓裂液經(jīng)中間管的進(jìn)液槽進(jìn)到膠筒的內(nèi)腔，使膠筒脹大，起到封孔作用。中間管的壓裂液卸壓后，膠筒收縮成原先模樣，并收回解除封孔。座封裝置與封隔器的下接頭連接，其作用是當(dāng)壓裂液進(jìn)入到封隔器后，使封隔器內(nèi)形成壓差，保證壓裂液能經(jīng)封隔器中心管的進(jìn)液槽進(jìn)入膠筒與中間管的環(huán)形腔內(nèi)。當(dāng)壓裂管內(nèi)部的壓力達(dá)到一定程度后，座封裝置能夠自動(dòng)打開(kāi)，壓裂液經(jīng)座封裝置流入篩管，開(kāi)始?jí)毫裑16-18]。封孔器實(shí)物如圖4所示，順層鉆孔壓裂封孔如圖5所示。

圖4 封隔器實(shí)物Fig.4 Physical picture of packer

圖5 順層鉆孔壓裂封孔示意Fig.5 Schematic diagram of drilling fracturing and sealing hole along layer

2.4 水力壓裂試驗(yàn)過(guò)程

利用封隔器封孔完畢后，開(kāi)始對(duì)壓裂孔進(jìn)行壓裂，對(duì)1—4號(hào)壓裂孔按照順序進(jìn)行往復(fù)循環(huán)壓裂，判定的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)進(jìn)水量小于等于3 m3/h，移到下一個(gè)孔進(jìn)行壓裂，之后全部孔壓裂一次后，進(jìn)行新一輪的壓裂。如此進(jìn)行多次壓裂，使得高壓水盡可能地滲入煤層之中。壓裂的相關(guān)情況見(jiàn)表1、表2。

表1 壓裂情況統(tǒng)計(jì)(1號(hào)壓裂孔)Tab.1 Statistical of fracturing(No.1 fracturing hole)

表2 各孔壓裂相關(guān)參數(shù)Tab.2 Fracturing parameters of each hole

3 壓裂效果考察

3.1 水力壓裂影響范圍

觀察考察孔施工過(guò)程中出水情況。水力壓裂實(shí)施后，每隔10 m進(jìn)行考察鉆孔施工，測(cè)得壓裂前該區(qū)域平均含水率為1.265%。壓裂過(guò)后抽采孔在鉆進(jìn)過(guò)程中，再考察其出水情況，即可在一定程度上來(lái)判斷水力壓裂過(guò)程中水—?dú)鈩?dòng)界面是否移到該區(qū)域。經(jīng)過(guò)水力壓裂后，距壓裂孔20 m范圍內(nèi)煤層瓦斯含量為1.09～7.36 m3/t，平均值2.69 m3/t，相較于壓裂前8.675 m3/t降低了69%；705運(yùn)輸巷煤層含水率為1.93%～8.74%，平均值3.70%，相較于壓裂前1.265%提高了1.9倍。

3.2 水力壓裂鉆孔透氣性變化

在預(yù)抽煤層瓦斯過(guò)程中，用來(lái)判斷瓦斯預(yù)抽難易程度最具表現(xiàn)性的參數(shù)是煤層的透氣性。經(jīng)過(guò)測(cè)定及相關(guān)公式的計(jì)算，705工作面未壓裂、常規(guī)壓裂及循環(huán)往復(fù)式水力壓裂透氣性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 705工作面壓裂前后透氣性系數(shù)分析Tab.3 Analysis of permeability coefficient before and after fracturing on 705 working face

從表3可以看出，煤層經(jīng)過(guò)常規(guī)壓裂、循環(huán)往復(fù)式壓裂之后，透氣性系數(shù)分別為未增透區(qū)域的3.49倍、9.17倍。

3.3 瓦斯抽采有效半徑

煤層瓦斯抽采有效半徑，指的是在同等抽采時(shí)間下，將目標(biāo)預(yù)抽煤層瓦斯含量降低到抽采達(dá)標(biāo)的范圍以內(nèi)，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，瓦斯在煤層含量需降低到8 m3/t以下，且瓦斯壓力降低到0.74 MPa以下。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察可知，在同等抽采60 d時(shí)間下，循環(huán)往復(fù)式壓裂平均有效抽采半徑達(dá)到了3.5 m，而采取的常規(guī)壓裂平均為1.5 m，未采取增透措施區(qū)域?yàn)?.0 m，這說(shuō)明該煤層采取循環(huán)往復(fù)式水力壓裂措施充分降低了預(yù)抽瓦斯鉆孔的施工量。不同條件下日抽瓦斯量擬合曲線如圖6所示。

圖6 不同條件下抽采鉆孔日抽采瓦斯量擬合曲線Fig.6 Fitting curve of daily gas extraction volume in different conditions

從圖6可以看出，煤層預(yù)抽瓦斯治理中，工作面區(qū)域的衰減系數(shù)：循環(huán)往復(fù)式壓裂<常規(guī)壓裂<未壓裂。

4 水力壓裂瓦斯卸壓抽采效果分析

之后在壓裂區(qū)域進(jìn)行抽采孔鉆孔施工，進(jìn)行單孔平均瓦斯抽采濃度和單孔瓦斯抽采純量考察，并與工作面之前常規(guī)水力壓裂、未壓裂區(qū)域30 d內(nèi)瓦斯抽采數(shù)據(jù)作對(duì)比分析(圖7、圖8)。

從圖7、圖8可知，30 d內(nèi)循環(huán)往復(fù)式水力壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采純量為0.044 7 m3/min，常規(guī)水力壓裂區(qū)域?yàn)?.013 3 m3/min，未壓裂區(qū)域?yàn)?.004 7 m3/min，循環(huán)往復(fù)式水力壓裂單孔瓦斯預(yù)抽煤層瓦斯純量是常規(guī)壓裂、未壓裂區(qū)域的3.36倍及9.51倍；循環(huán)往復(fù)式水力壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采濃度為64.74%，常規(guī)水力壓裂為31.00%，未壓裂區(qū)域?yàn)?0.70%，循環(huán)往復(fù)式水力壓裂區(qū)域單孔瓦斯抽采濃度分別是常規(guī)水力壓裂、未壓裂區(qū)域的2.10倍及6.05倍。通過(guò)這些抽采數(shù)據(jù)，說(shuō)明水力壓裂技術(shù)提高了瓦斯抽采濃度和純量，但是采用循環(huán)往復(fù)式水力壓裂的方法來(lái)對(duì)煤層進(jìn)行增透，可以取得更佳的瓦斯抽采效果。

圖7 煤層區(qū)域單孔抽采純量對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curve of single hole extraction purity in coal seam area

圖8 煤層區(qū)域抽采濃度對(duì)比曲線Fig.8 Comparison curve of extraction concentration in coal seam region

接連抽采瓦斯246 d、200 m范圍內(nèi)循環(huán)往復(fù)式水力壓裂區(qū)域煤層瓦斯抽采純量828 361 m3，常規(guī)水力壓裂區(qū)域?yàn)?34 321 m3，未壓裂區(qū)域?yàn)?55 832 m3，分別為其1.82倍、1.30倍(圖9)。

圖9 瓦斯抽采總量對(duì)比Fig.9 Comparison diagram of gas extraction amount

瓦斯抽采鉆孔數(shù)量未壓裂區(qū)域?yàn)? 487個(gè)，常規(guī)壓裂區(qū)域?yàn)?56個(gè)，循環(huán)往復(fù)式壓裂區(qū)域?yàn)?64個(gè)(圖10)，說(shuō)明采用循環(huán)往復(fù)式水力壓裂技術(shù)不僅可以降低煤層瓦斯治理施工成本，而且瓦斯抽采效率也得到了大幅度提升。

圖10 抽采鉆孔數(shù)量對(duì)比Fig.10 Comparison of the number of pumping holes

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)煤層循環(huán)往復(fù)式水力壓裂原理分析及在順煤層瓦斯現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)相對(duì)于常規(guī)水力壓裂的裂縫擴(kuò)展原理，循環(huán)往復(fù)式水力壓裂主要是通過(guò)使煤體發(fā)生疲勞損傷，在降低地應(yīng)力的同時(shí)，使煤體周邊形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)提高其滲透率。

(2)將循環(huán)往復(fù)式水力壓裂應(yīng)用于紅陽(yáng)三礦705工作面，相較于常規(guī)水力壓裂，循環(huán)往復(fù)式壓裂不僅增加了單孔進(jìn)水量，而且壓裂在影響范圍、煤層透氣性及抽采有效半徑均有著大幅度提升。

(3)運(yùn)用循環(huán)往復(fù)式水力壓裂技術(shù)，瓦斯抽采效果上的單孔平均瓦斯抽采濃度及純量提高效果明顯，而且不僅減少接抽時(shí)的鉆孔數(shù)量，同時(shí)在抽采總量上高于常規(guī)水力壓裂，顯著地提升了瓦斯抽采效率，有效地降低了鉆孔施工成本。