煤矿井下穿层钻孔水力压裂的现场应用研究

谢长虹

(松藻煤电有限责任公司渝阳煤矿，重庆 401448)

我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，透气性系数在10－3～10－4md 数量级上，瓦斯抽放困难，严重威胁煤矿的生产安全［1－2］。因此煤储层的低渗特征是煤矿瓦斯抽采的瓶颈，提高煤储层的渗透性是解决问题的关键。在煤矿井下进行水力压裂时，除具有增透作用以外，在顶板处理、防突、防冲、降尘、防自燃等方面均有显著作用，并已开始在我国大中型煤矿中广泛应用，取得了一定的效果。

渝阳煤矿煤层瓦斯含量大，煤层透气性系数低，井下钻孔抽采效果差，严重制约了瓦斯治理和防突效果。为提高煤层的透气性和提高抽采效果，在N3704 西瓦斯巷(下)实施穿层钻孔水力压裂，以求提高7 号煤层的瓦斯抽采效率，进而通过解放7 号煤层对主采8 号煤层形成保护作用，改善由于瓦斯制约而不利于生产的被动局面，积极探索通过水力压裂治理瓦斯的新途径。

1 虚拟储层压裂原理及可行性分析［3－8］

高压水注入煤层中存在2 种情况:一是进入具有弹性的原生结构煤和碎裂煤，二是进入塑性的碎粒煤和糜棱煤。

高压水在弹性煤体中的压裂过程，主要依赖于煤体的弹性作用以及弱面的支撑作用。而塑性煤体或者突出煤在压裂过程中由于塑性煤颗粒的流动，将在裂缝前端出现封堵现象。塑性煤体在封堵和压实的双重作用下，新形成的“压裂裂缝”壁上会形成一层压实带，这些压实带最终造成煤层气更难产出。碎粒煤与糜棱煤均属于塑性煤的范畴。因此对于碎粒煤与糜棱煤在压裂过程中无法产生有效裂缝，不适于水力压裂。

在煤层压裂效果很差的情况下，可以把排气通道放在煤层的顶板或底板(虚拟储层)，来改善煤层气的开采效果，从而达到提高煤层气的采出率的目的。其基本方法是对煤层及其围岩同时进行压裂改造，由于围岩的可压裂性强，压裂后围岩中裂隙在横向和纵向上延伸更远更深，煤储层中的气体除了钻孔周围的气体可以通过压裂的煤层进入钻孔，远离钻孔的煤层气主要通过煤层与围岩的接触面处泄放流入围岩，然后再顺围岩被压裂的裂隙通道流到钻孔中被抽采。“虚拟产层”开发煤层气减小了对脆弱煤层渗透率的伤害，规避了煤层的高塑性和低渗透性对开采煤层气带来的不利影响。

渝阳煤矿煤体类型主要以碎粒煤和糜棱煤为主，根据井下水力压裂适用性，本次压裂将压裂钻孔施工至煤层顶板，探索虚拟储层压裂工艺的适用性。

2 压裂地点及钻孔设计

根据目前渝阳煤矿矿井采、掘情况，压裂地点定为N3704 西瓦斯巷(下)，压裂钻孔为穿层钻孔，压裂目标煤层所在地层为龙潭组，煤系地层主要有砂岩类、泥质岩类及煤组成。

为了准确地获取煤层参数，并检验压裂效果及测试抽采半径，共布置标准孔2 个、压裂孔1 个、检验孔15 个，各孔位置见图1。

图1 钻孔布置示意

本次封孔采用水泥砂浆封孔，原则上封孔深度在应力集中带以深即可。应力集中带的位置可通过测试钻孔钻屑量的方式确定，而封孔深度可根据掘进迎头及巷帮的应力集中带确定。

在总结历次水力压裂封孔长度及深度的基础上，结合裂隙方向、地应力场方向、钻孔方向及7号煤层的层位的关系，得此次的压裂封孔由孔口封孔至7 号煤层底板。封孔示意图见图2。

3 压裂数据分析

渝阳煤矿N3704 西瓦斯巷(下)穿层钻孔水力压裂分2 个阶段进行，压裂的有效时间为10.5h。其中第一阶段压裂持续时间为278min，总注入水量为22.74m3;第二阶段持续350min，注水量为87.3 m3。

图2 封孔示意

第1 次煤岩层产生破裂时间为第111min，此时压力从45.1MPa 突降至36.1MPa，流量从1.2m3/h 升至2.6m3/h，因在此之后的15min 内压力和流量都未再有大的变化，所以判定此时形成了一条小型裂缝。为了增大裂缝，降低了压力阀的开度，形成了泵组压力超限，泵组跳电停止运转，所产生的裂缝闭合。泵组重新启动后，在压力达到42MPa 时，此裂缝重新开启，并在第157min 时裂缝充填饱和，数据表现为压力升高，流量降低。

第2 次煤岩层产生破裂是在第164min，此时压力由40.8MPa 降至36.1MPa，流量由0.9m3/h升至16.1m3/h，此种状态持续55min，在此期间调高注水流量，但效果不明显，说明此时形成了一条较大的裂缝，但向裂缝里注水的阻力很大。

在第一阶段已形成大裂缝基础上，第二阶段注水压裂过程于10min 后，压力达到37.2MPa，流量达到16.6 m3/h，此状态持续296min，压力波动为2MPa，流量波动在1.5m3/h。压裂中表现出的稳定且较高的压力，可能由两方面原因造成:一为破裂面为煤岩层交界面，压裂中高压水一直沿着此面延深;二为注水后产生的裂缝内的瓦斯的高反作用力。图3 所示为水力压裂全过程中施工压力与流量曲线。

图3 水力压裂全过程施工压力与流量曲线

由图3 可知，水力压裂过程中最高压力值为50.3 MPa。压裂曲线部分段表现为锯齿状，表明整个过程中产生了许多的微型裂缝，其将会增大煤层的透气性(压裂结束后，由压裂孔放出的水量约为22.7m3)。

4 压裂效果考察

4.1 压裂半径考察

4.1.1 确定沿煤层倾向的压裂范围

在施工检验孔过程中，检1 与检2 均发生在钻进至8 号层时发生喷孔现象，由于其位于岩溶裂缝带内，故该两孔的动力现象不能说明位于压裂范围内。沿7 号煤层的倾向上，在压裂孔以北60m 处的检3 号孔施工过程中见水。据上述情况可以确定压裂孔以北的压裂有效半径为60～70m。

在压裂孔向南的方向上，处于压裂孔以南60m处的标准1 孔在水力压裂过程被高压注水将连接在孔口测试参数的压力表压坏，而在距压裂孔以北70m 处施工检8 孔时，无异常现象，故判定压裂孔以北的压裂有效半径也为60～70m。

4.1.2 确定沿煤层走向的压裂范围

在距压裂孔以西55m 处检14 孔施工中，并无异常现象，而在施工距压裂孔以西30m 的检9 孔时，出现了在全岩层里抱钻现象，故判定压裂孔以西压裂有效半径为30～55m。

施工距压裂孔以东60m 处的检12 孔至7 号煤层顶板时，有水流出，在施工距压裂孔以东70m处的检13 孔时，施工至7 号煤时未见有水，撤卸钻杆至8 号煤时有水滴出，故得出压裂孔以东的有效压裂半径为60～70m。

4.2 抽采参数对比

渝阳煤矿水力压裂抽采数据的对比，主要以时间为依据，将抽采时间相互接近的孔作为对比孔，即将N3704 西瓦斯巷(下)的检1、检3、检6、检8 孔以及压裂孔与N3702 东瓦斯(下)的8 号、9 号瓦斯孔进行抽采数据对比。N3702 东瓦斯巷(下)的日平均抽采数据见表1。

表1 N3702 东瓦斯巷(下)日平均抽采数据

N3704 西瓦斯巷(下)的检1、检3、检6、检8、压裂孔与N3702 东瓦斯巷(下)的8 号孔、9 号孔的日平均抽采数据对比，见表2、表3。

表2 日平均抽采量对比

表3 平均瓦斯浓度对比

由上述数据可知，无论是混合量还是纯量，N3704 西瓦斯巷(下)各孔的数据都比N3702 东瓦斯巷(下)8 号瓦斯孔和9 号瓦斯孔的大。在混合量上，与8 号瓦斯孔相比，增大倍数为5.2～22倍，与9 号瓦斯孔相比，增大倍数为1.7～7.3 倍;在纯量上，与8 号瓦斯孔相比，增大倍数为4.5～22.6 倍，与9 号瓦斯孔相比，增大倍数为6.6～33.3 倍;在瓦斯浓度上，与8 号瓦斯孔相比，增大倍数为0.6～1.7 倍，与9 号瓦斯孔相比，增大倍数为2.6～8.1 倍。

5 结论

(1)在渝阳煤矿进行的井下水力压裂试验基本形成了适应于该矿井的穿层钻孔水力压裂工艺，对煤层内瓦斯实施采前预抽，为日后回采打好安全基础。

(2)通过本试验，研究总结了煤体前方应力集中带分布特征，为煤矿井下钻孔水力压裂封孔深度的确定奠定了基础。通过对比，基本形成了适合井下水力压裂的封孔工艺。

(3)通过现场井下钻孔水力压裂试验的压裂试验研究分析、压裂后效果检验，表明煤矿井下钻孔水力压裂对于提高抽采瓦斯量是非常有效的。

［1］国家发展和改革委员会，国家能源局.煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划［R］.2012:1－5.

［2］申宝宏，刘见中，赵路正.煤矿区煤层气产业化发展现状与前景［J］.煤炭科学技术，2011，39 (1):6－10.

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