水力压裂低透气性煤层裂隙扩展及瓦斯抽采技术应用

时间：2024-07-28

刘毅

（煤炭工业石家庄设计研究院有限公司贵州分公司）

我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，在已探明的一次能源资源储量中，煤炭占94.0%，因此，煤炭在我国的能源中一直占据着重要地位。煤层气作为一种清洁的不可再生能源，具有“高效、安全和环保”三大属性。合理地对煤层气进行开发利用，对于缓解能源供应，降低温室气体的排放，防治高瓦斯矿井出现煤与瓦斯突出，保障煤矿的安全生产具有重要意义。此外，提高煤矿瓦斯抽采率、利用率，减少瓦斯排放，对我国实现“碳达峰”、“碳中和”战略目标和环境保护同样具有重要意义［1-2］。

由于我国地质构造复杂、地质条件多变、煤层瓦斯赋存复杂，煤层普遍具有渗透率低、含气饱和度低、孔隙率低、吸附瓦斯难等特征。随着矿井向深部延伸，煤层地应力增大，瓦斯压力和瓦斯含量加大，瓦斯威胁日益加剧。水力压裂、水力割缝、水力冲孔等作为有效的技术措施，能增加低透性煤层的裂隙发育，防治高瓦斯矿井出现煤与瓦斯突出事故的发生，实现瓦斯的安全高效抽采［3-5］。张国华［6］指出水力压裂增强低透气性煤层的机理是原生弱面的扩展与延伸，并对煤层采用水力压裂致裂后裂隙扩展的力学条件进行了探究。邓广哲、康向涛等［7-8］利用实验室试验、现场实测、数值模拟分析等方法，研究了低透气性煤层裂隙扩展的演化过程，分析了水压作用与裂隙的形成、扩展和煤层渗透性改变的关系，建立了水力压力与煤体裂隙扩展的对应关系；研究发现在煤层中注入水，能降低煤层的硬度，使煤层结构的完整性受到破坏，增加煤层的裂隙［9］。大量现场试验结果表明，水力压裂技术的应用能有效地使煤层产生裂缝，增加低透气性煤层的透气性，有效地提高煤层瓦斯抽采效率，保障了高瓦斯矿井的安全生产［10-13］。

以石壕煤矿为研究背景，针对煤质较为松软，煤层中瓦斯含量大，透气性系数低，成孔条件较差，跨孔严重，瓦斯抽采非常困难等问题，为了解决低透气性煤层矿井煤与瓦斯突出治理难的问题，保障煤矿工作面的安全回采，采用理论分析、技术开发和现场实测等方法，对水力压裂钻孔封孔技术进行优化，分析低透性煤层水力压裂的裂纹扩展机理。

1 工程概况

石壕煤矿隶属于重庆市綦江县与贵州省交界部位的松藻矿区，矿井范围内包含煤层6～11层，二叠系上统龙潭组为主要的含煤地层，含煤地层平均厚度约为75 m，煤层整体厚度为5.22～11.48 m，可采或局部可采煤层为M6、M7、M8和M12号煤层，石壕煤矿为煤与瓦斯突出矿井，煤层透气性系数低，煤质松软，煤层瓦斯含量大。M6煤层厚度为0.26～2.03 m，平均厚度为0.87 m，局部可采，煤层结构较简单，煤层间距平均7.83 m，煤层顶板岩层为泥岩和砂质泥岩，顶板岩层为泥岩。M7煤层厚度为0.54～3.84 m，平均厚度为1.01 m，局部可采，煤层结构较简单，煤层间距平均6.23 m，煤层顶板岩层为泥岩和砂质泥岩，底板岩层为泥岩、砂质泥岩和细砂岩，平均饱和抗拉强度为0.957 MPa，平均饱和抗压强度为15.478 MPa。M8煤层厚度为1.46～5.16 m，平均厚度为2.97 m，全部可采，煤层结构较简单，煤层间距平均26.08 m，煤层顶板岩层为泥岩和砂质泥岩，底板岩层为泥岩和灰质泥岩，平均饱和抗拉强度为0.837 MPa，平均饱和抗压强度为12.463 MPa。M12煤层厚度为0.64～2.04 m，平均厚度为0.73 m，局部可采，煤层结构较简单，煤层顶板岩层为泥岩和砂质泥岩，底板岩层为铝质泥岩，平均饱和抗拉强度为0.741 MPa，平均饱和抗压强度为6.745 MPa。

根据测定结果，M6煤层透气性系数为4.5×10-3m3/（MPa·d），坚固性系数为0.3～0.7，平均瓦斯含量12.32 m3/t；M8煤层透气性系数为1.56×10-7m3/（MPa·d），坚固性系数为0.2～0.7，平均瓦斯含量21.34 m3/t。矿井属于煤与瓦斯突出矿井，在开采过程中需要对煤层的瓦斯进行抽采处理，以降低煤层的瓦斯含量，防止煤与瓦斯突出事故的发生。

2 水力压裂裂纹扩展机理

水力压裂技术在国内外已经大量应用于油气开采，其裂纹扩展效果已经获得国内外学者和工程技术人员的认可。但是在煤与瓦斯突出的松软煤层中的应用技术还有待优化和完善。研究表明，水流经过高压管道进入煤体中时，其作用过程可概括为水力压裂、浸润扩张、再水力压裂、再浸润扩张4 个过程。水力压裂煤岩体的破裂准则主要有拉伸和剪切破坏准则，煤岩体的破裂形式主要由初始应力场和煤岩体的力学特性决定，裂隙的扩展方向取决于主应力的方位和相对大小，煤岩体在水力压裂时存在3种破坏模式，分别为拉伸破坏、剪切破坏和拉剪混合破坏。

水力压裂技术利用高压水泵，将高压水流通过高压水管和钻孔注入低透气性的煤层中。如果煤体在自然状态下的吸水能力小于水流的速度，水流在煤层中的水压会由于流动阻力的作用而增大，当水压超过煤体的裂隙维持闭合状态的极限强度时，煤体内部的原生裂隙结构受到高压水流的持续破坏而进一步扩展和发育，煤层内的弱面出现反复破裂和扩展的过程，最终以钻孔为中心，裂隙在径向方向逐渐向外部扩展和发育，煤层压裂的过程中，裂隙相互贯通。煤体内存在的天然闭合裂隙和产生的新裂隙会被扩展成为新的瓦斯气体流动通道，低渗透性煤层的渗透性就会增加，裂隙越发育，煤层透气性系数随之增加。裂隙的发育程度随着距钻孔径向距离的增大而减小。煤体水力压裂示意如图1所示。

3 水力压裂工艺及参数确定

3.1 钻孔参数设计

为了增加煤层的渗透性，提高瓦斯抽采效果，利用水力压裂技术对煤层进行增透。合理的钻孔参数能有效提高水力压裂的致裂效果，在总结和分析水力压裂后瓦斯的运移规律的基础之上，确定了石壕煤矿合理的水力压裂钻孔半径和超前距离，压裂钻孔布置在瓦斯巷围岩较好的区域，水力压裂钻孔间距设计为80～100 m，掘进条带水力压裂钻孔终孔位置M6煤层巷道中心线，揭煤预抽水力压裂孔分别位于煤层揭煤点中间位置，立眼水力压裂孔位于立眼中间附近位置。水力压裂钻孔直径设计为75 mm，采用PDC钻头进行钻孔；选用直径94 mm 的钻头进行扩孔，水力压裂孔扩孔的深度为目标煤层的底板，利用ZY-750 型钻机和直径50 mm光面钻杆进行施工。

3.2 封孔技术优化

采用一次注浆封孔的方法难以实现完全封孔，影响水力压裂过程中煤体裂纹的扩展，主要原因是封孔材料水泥浆凝固后体积收缩。根据井下条件，改进水力压裂孔封孔技术，采用3 次注浆封孔技术，每次注浆间隔时间为12 h，第三次注浆结束后，再过48 h 可以进行水力压裂。该工艺目前封孔成功率100%，解决了水力压裂封孔这一关键环节。

封孔工序：在钻孔内插入套管及注浆管，将其送入设计的位置后，用木塞和棉纱对孔口进行封堵，开始首次注浆，采用水泥浆对管道进行固定，接着打开注浆管控制阀开关放出水泥浆液；第一次注浆结束后，经过12 h 的凝固，进行第二次注浆作业，放出注浆管内的水泥注浆液，当注浆至孔底水力压裂筛管返浆时结束作业；第三次注浆和第二次注浆间隔12 h，第三次注浆至孔底，封孔至设计层位。注浆结束48 h以上可以进行水力压裂作业，水力压裂工艺流程如图2所示，封孔示意图如图3所示。

4 水力压裂实施效果分析

4.1 水力压裂方案设计

对北三区6 号瓦斯巷下段上方对应N1632 下工作面北回风巷掘进条带水力压裂瓦斯抽采效果进行分析，该地点累计水力压裂掘进条带钻孔7 个，钻孔方位角180°，钻孔倾角80°或81°，钻孔深度为57～73 m；揭煤水力压裂孔1 个，钻孔方位角115°，钻孔倾角77°，钻孔深度为46.5 m；尾排立眼预抽水力压裂孔2个，钻孔方位角180°，钻孔倾角78°，钻孔深度为56和58 m。钻孔布置如图4所示。

4.2 水力压裂结果分析

水力压裂孔于7 d 后放水进行接抽，钻孔单孔浓度平均43%，最低6%，最高93%；经过一段时间的连续抽放后，单孔浓度逐步提高，单孔浓度平均升到79%，最低9%，最高94%，其中有8个孔的浓度在90%以上，期间负压基本恒定，特别是4#水力压裂孔从当初的7%升到目前的93%；北三区6 号瓦斯巷下段总点瓦斯浓度42%，瓦斯量6.57 m3/min，较以前未实施水力压裂的北三区6 号瓦斯巷上段瓦斯量4.65 m3/min，瓦斯量增加了1.92 m3/min，说明北三区6 号瓦斯巷下段经过水力压裂后，瓦斯浓度在持续上升，瓦斯量也在增加。

4.2.1 水力压裂裂隙扩展有效半径结果分析

第一次采取水力压裂后，当压强达到21 MPa时，在距压裂孔28 m 处的拦截孔有水流出，说明第一次水力压裂有效裂隙扩展半径为28 m；第二次水力压裂后，当压强达到28 MPa 时，在距压裂孔35 m 处的拦截孔有水流出，得到第二次水力压裂有效裂隙扩展半径为35 m；第三次采取水力压裂后，当压强达到30.2 MPa 时，在距压裂孔42 m 处的拦截孔有水流出，说明第三次水力压裂有效裂隙扩展半径为42 m。

4.2.2 水力压裂抽采效果分析

在第一次水力压裂工艺完成后，对煤层瓦斯进行钻孔抽采，钻孔抽采浓度基本保持在70%～92%，累计抽出瓦斯30 580 m3，第一次水力压裂后测得煤层的残余瓦斯含量为6.79 m3/t，与初始瓦斯含量21.3 m3/t 相比，降低了68.1%；第二次水力压裂工艺完成后，对煤层瓦斯进行钻孔抽采，钻孔抽采浓度基本保持在51%～91%，累计抽出瓦斯30 200 m3，第一次水力压裂后测得煤层的残余瓦斯含量为11.7 m3/t，与初始瓦斯含量21.3 m3/t相比，降低了45.1%；第三次水力压裂工艺完成后，对煤层瓦斯进行钻孔抽采，钻孔抽采浓度基本保持在80%以上，累计抽出瓦斯31 120 m3，第一次水力压裂后测得煤层的残余瓦斯含量为8.42 m3/t，与初始瓦斯含量21.3 m3/t相比，降低了60.5%。