煤矿井下水力压裂产能主控因素研究

田 洪 徐 涛 郭臣业

(1.重庆煤矿安全监察局， 重庆 401121； 2.河南理工大学能源科学与工程学院， 河南 焦作 454003;3.重庆市能源投资集团科技有限责任公司， 重庆 400060； 4.重庆市煤层气开发企业工程技术中心， 重庆 400060)

近年来，随着矿井开采深度的不断增加及开采强度的不断加大，矿井瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全形势好转的主要因素。广大科技工作者不断摸索，把地面油气领域广泛应用的水力压裂技术运用到煤矿井下，以增加储层透气性，防治煤与瓦斯突出和冲击地压、减少煤炭回采过程中的瞬时大量涌出、煤体降尘等。

煤矿井下水力压裂是利用高压水通过钻孔以大于煤岩层虑失速率的排量注入、克服最小地应力和煤岩层的抗拉强度，在目标层形成裂隙网络，实现造缝增透，并排出目标区域的煤岩颗粒，实现卸压增透。

国内外学者[1-7]从造缝机理、裂缝形态、运移产出机理、煤岩应力应变与渗透率关系及储层改造工艺等方面对地面油气的水力压裂进行了深入的研究，取得了较好的进展。在煤矿井下水力压裂原理及技术研究方面，河南理工大学苏现波等人把地面油气领域广泛采用的水力压裂技术运用到井下，创新了煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯方法，并在河南、山西、重庆等矿区进行了规模试验，重庆已有矿井将该技术作为储层强化的常规技术进行了全面推广，并取得了显著的井下煤层气抽采效果。煤矿井下水力压裂技术能在一定程度满足煤矿高效抽采煤层气与瓦斯防治的需要，是保障煤矿安全生产的有效途径。查阅国内外相关资料显示，目前未对煤矿井下水力压裂产能的主控因素进行研究。当前的煤矿井下压裂实践，很大程度上还处在盲目被动的状态。近几年跟踪了大量的工程，对影响煤矿井下水力压裂效果的主控因素进行研究，希望通过该研究，对井下工程设计和实践提供参考。

通过对河南、山西、重庆地区近20个矿井的水力压裂数据进行统计分析和典型性筛选，确定了11个压裂孔数据作为基础样本数据(河南地区煤层厚、含量高、透气性较差、水大、构造发育；山西地区煤层极厚、含量高、透气性稍好、构造相对简单。重庆地区急倾斜近距离低透薄煤层群，可以代表中国南北方的煤层地质条件)，通过对可能影响煤矿井下水力压裂产能的储层透气性、煤层埋深、煤体结构、煤层厚度、瓦斯含量、瓦斯压力、布孔方式、泵注程序、注水量、注水压力及储层颗粒返排情况等进行统计分析，确定影响压裂效果的主控因素。效果数据为压裂孔影响范围内抽采一个月的纯量数据，瓦斯压力和含量取本区测试的平均值。

1 水力压裂效果的影响因素研究

1.1 储层透气性对效果的影响

在进行煤矿井下瓦斯抽采时，煤储层透气性是衡量煤层抽采难易程度的重要指标，通过对样本数据的分析(图1)，煤层透气性与抽采量具有较好的线性相关性。在压裂设计时，应把压裂目标区域的透气性作为主要考虑的因素之一。

图1 储层透气性与抽采纯量的关系

1.2 煤层埋深对产能的影响

煤层埋深不仅是控制煤层含气量的重要因素，还决定着地应力的大小，继而对破裂压力产生影响。但煤矿井下受采掘影响，地应力已经发生相当大的变化，煤层埋深对地应力的控制作用减弱。对样本数据分析(图2)知，线性相关性为0.006，说明煤矿井下水力压裂和地面油气的水力压裂区别较大，在压裂设计过程中对煤层埋深只作适当考虑。

图2 煤层埋深与抽采纯量的关系

1.3 煤体结构对产能的影响

煤体是极其复杂的空间集合体，存在大量不规则的裂隙(包括割理)和基质块，煤体结构在一定程度上反映煤储层透气性。按照焦作矿院四分法对煤体结构分类，把同一煤体结构的样本的抽采纯量取平均，做出煤体结构和抽采纯量的关系如图3所示。煤体偏硬的压裂效果较好，线性相关性较好。因此在压裂设计时应优先选择Ⅰ、Ⅱ类煤(硬煤)，若不可避免Ⅲ、Ⅳ类煤(软煤)，可选择顶底板压裂，以适应不同情况的压裂需求。

1.4 煤层厚度对产能的影响

煤层是瓦斯(煤层气)最主要的储集源，煤层厚度影响目标区域的瓦斯总量。但从长期的压裂实践，特别是从样本数据来看，煤层厚度与压裂之后的瓦斯产能相关性很小，说明在压裂设计时，优化布孔方式可以弥补煤层厚度的不足。

图3 煤体结构与抽采纯量的关系

图4 煤层厚度与抽采纯量的关系

1.5 煤层瓦斯含量与瓦斯压力对产能的影响

煤矿井下水力压裂实质上解决“有没有”和“能不能”这两个问题，瓦斯含量表征有没有气的问题，瓦斯压力影响着煤层瓦斯的解析速率。瓦斯含量和瓦斯压力与抽采纯量的关系如图5所示。

图5 煤层瓦斯含量和瓦斯压力与抽采纯量关系

1.6 布孔方式对产能的影响

对于煤矿井下不同的地质和井工条件，为提高压裂效果，在压裂布孔时，采取顶底板、本煤层和穿层的方式。目标煤层为软煤时，一般采用顶底板布孔方式进行压裂，或者采用穿层布孔，在压裂孔周围布置卸压孔排水排渣，使煤层卸压，增加煤层透气性。目标煤层为硬煤时，一般采用顶底板或者本煤层布孔方式，压裂形成裂缝体系，增加抽采效果。通过研究布孔方式与抽采纯量的关系(图6)，得知顶底板和穿层布孔效果相对较好，本煤层因封孔困难或直接压裂对煤层要求条件较高，效果相对较差。

图6 布孔方式与抽采纯量的关系

1.7 注液量和注液压力对产能的影响

注液量与抽采纯量的关系见图7，注液压力与抽采纯量的关系见图8。压裂效果的好坏和压裂液注入量、注入压力并没有直接的关系。所以，在煤矿井下水力压裂设计时，并不需要追求大注入量和超高压力，这样既降低了对压裂设备的要求及压裂成本，又增加了压裂过程的安全性和抽采效果。

图7 注液量与抽采纯量的关系

图8 注液压力与抽采纯量关系

1.8 其他因素对产能的影响

通过大量现场数据的统计分析，钻孔长度、泵注程序对产能并无规律性的影响，在压裂设计过程中，应结合具体情况考虑。水力压裂过程中，通过压裂孔周边卸压排水排渣量的多少对储层透气性和产能的影响较大，通过对ZT-01孔和ZM-01井分别排渣16.6 t和6.1 t，从每月产能分别为89 000 m3和22 123 m3来看，排渣越多，煤层卸压越充分，抽采效果也会越好。

2 结论及建议

(1)储层透气性、煤体结构、布孔方式等因素是影响煤矿井下水力压裂产能的主控因素。

(2)在压裂设计过程中，特别是高应力地区，应尽可能考虑压裂时邻近孔排渣，以使目标煤体充分卸压，增加抽采效果。

(3)上述是单因素分析的结果，事实上，产能可能受多因素影响。但本文的单因素分析，仍可对煤矿井下压裂设计提供重要参考。

(4)煤矿井下水力压裂目前还处在研究的初级阶段，还面临压裂影响区域无法精确判定等问题，需要进一步研究。

[1] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社,1989.

[2] 李同林.煤岩层水力压裂造缝机理分析[J].天然气工业,1997,17(4)：53-56.

[3] 赵岚，冯增朝，杨栋，等.水力割缝提高低渗透煤层渗透性实验研究[J].太原理工大学学报,2001,32(2)：109-111.

[4] 赵阳升，杨栋，胡耀青，等.低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究[J].煤炭学报,2001,26(5)：455-458.

[5] 傅雪海，秦勇，姜波，等.多相介质煤岩体力学实验研究[J].高校地质学报,2002,8(4)：446-452.

[6] 乌效鸣.煤层气井水力压裂裂缝产状和形态研究[J].探矿工艺，1995(6)：19-21.

[7] Logan T L.Improving Dynamic Open-hole Completion Techniques in the San Juan Basin[J].Quarterly Review of Methane from Coal Seams Technology，1994，11(3，4):13-18.