水力压裂增透技术的应用分析

高 标,柏云飞,吴 伟

(淮南矿业集团公司顾桥煤矿, 安徽淮南232174)

水力压裂增透技术的应用分析

高 标,柏云飞,吴 伟

(淮南矿业集团公司顾桥煤矿, 安徽淮南232174)

采用水力压裂增透技术,是为了增加煤层的透气性,增强瓦斯的流动,提高低透气性煤层钻孔瓦斯抽采量,保障抽采钻孔的抽采效果;通过实践对比,采用水力压裂技术,增大了煤层透气性及瓦斯涌出量,大大提高了钻孔的有效抽采半径,增加抽采浓度和抽采量,最大程度上消除瓦斯危害。

水力压裂; 透气性; 增透

1 引言

淮南矿区多为松软低透煤层群开采,主要采取开采保护层和穿层钻孔预抽区域瓦斯治理措施。其中穿层钻孔预抽单孔浓度低,且衰减较快,抽采流量小,瓦斯抽采效果较差。

水力压裂增透工艺可以改变预抽煤岩体的物理力学特性体以及本身的结构,致使煤岩体强度减弱,塑性增加,以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加,因此煤层中储存的可恢复弹性能减少,起到消除冲击地压的作用,增加煤层透气性,提高低透气性煤层钻孔瓦斯抽采量。水力压裂后,降低了支撑应力峰值,峰值点位置也转移向煤壁深部,并且游离瓦斯向压裂孔两侧及纵深转移,在一定范围和程度上起到防突作用,煤体湿润,增加了煤体含水量,大大降低了煤层开回采过程中的煤尘浓度。因此,水力压裂增透,提高煤层的透气性对有效开展煤矿瓦斯治理工作的重要技术保障,对煤矿瓦斯治理具有重要的意义。

2 水力压裂工艺流程

2.1 压裂前瓦斯参数测试

为了对比水力压裂的效果,确定注入水量、压裂半径、钻孔深度的关系,增强井下钻孔水力压裂的实用性和适用性,在压裂前后需进行以下的参数测试:煤层瓦斯含量、钻孔瓦斯自然流量、抽采流量和单孔浓度、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数、水分、△p、f值等相关参数。

2.2 压裂半径参数选取

为了确定水力压裂有效半径,在北一13-1轨道下山施工的压裂钻孔,如图1所示,压裂后施工半径分别为4 m、8 m、12 m、16 m、20 m的穿层检验钻孔,其中1个压裂孔、5个效果检验孔、4个抽采孔、2个抽采效果考察孔,共计12个钻孔。对压裂孔进行注水压裂直至压力表水压达到20 MPa后,注水压力下降30%以上或者巷道出水为止,最终施工检验孔确定压裂半径。

图1 北一13-1轨道下山施工的压裂钻孔

2.2.1 水力压裂半径的确定

采用20 MPa的高压水对压裂钻孔进行注水,后注水压力下降30%以上或者钻孔流水、巷道壁挂汗为止,然后施工1#、2#、3#、4#、5#考察孔,测定煤层的水分、自然流量、瓦斯含量、f值等参数,确定压裂半径。

2.2.2 抽采钻孔考察

确定压裂半径后,在压裂半径内4 m、8 m、12 m和16 m施工4个抽采钻孔,考察钻孔的自然流量、衰减系数、残存瓦斯含量、抽采浓度、单孔流量(抽采效果考察结束后打钻取煤样测定残存瓦斯含量)等参数。

2.2.3 抽采效果的考察

在距离压裂钻孔6 m和10 m处分别施工两个抽采效果考察孔,测定煤层的残存瓦斯含量、煤层水分、残余瓦斯压力等参数,考察压裂后抽采的效果。

2.2.4 钻孔参数及封孔工艺

钻孔参数及封孔工艺,见表1。

2.2.5 压裂钻孔封孔工艺

水力压裂钻孔采用三次注浆进行封孔,首先用Φ133 mm钻头施工8 m,下4吋套管,一端焊接高压法兰盘,注浆凝固24 h;用Φ94 mm钻头施工至距13-1煤法距1 m,进行二次注浆,待凝固24 h;再用Φ94 mm钻头施工至穿透13-1煤层1 m止,下1吋高压注水管至孔底,最前端1 m采用花管,进行注浆封孔,待凝固24 h后,注水压裂。

表1 钻孔施工参数

2.3 压裂效果对比

压裂前:在目标试验地点施工施工压裂钻孔测试单孔钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数等对比参数。

压裂后:在目标煤层压裂后测试并计算检验孔钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数、测定煤层的残存瓦斯含量、煤层水分等对比参数。

2.4 注水系统连接

水力压裂注水系统由乳化液泵、水箱、压力表、流量表、高压管路、阀门、接头等组成,如图2所示。

图2 水力压裂注水系统

乳化液泵选用无锡威顺煤矿机械有限公司产额定压力为35 MPa、额定流量为80 L/min的BRW80/35X4A型煤矿用乳化液泵。为便于操作和控制,乳化液泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件,水箱公称容量为640 L。

3 水力压裂前煤体瓦斯参数

注水前,对所试验煤体的瓦斯含量、瓦斯压力以及衰减情况进行了分析,见表2。注水前煤层的可解析的瓦斯量仅占煤层的瓦斯含量的21.3%,瓦斯压力上升的也比较快,但是可抽采游离态的瓦斯衰减十分迅速,每天衰减率达40%左右。两者的变化曲线分别如图3、图4所示。

表2 北一13-1轨道下山2#压裂孔瓦斯含量

图3 注水前瓦斯压力曲线

图4 注水前单孔瓦斯自然流量衰减曲线

4 水力压裂后煤体瓦斯参数

4.1 压裂孔注水参数表

试验过程中,当压裂孔注水至630 min时,巷道顶部及锚索眼开始渗水,但注水压力可以保持稳定,没有明显的衰减,当注水至800 min时,压裂孔周边至前后30 m的巷道壁出现掉浆皮,部分锚索眼有较为明显的淋水。具体参数见表3。

表3 北一13-1轨道下山2#压裂孔注水参数

4.2 水力压裂效果

4.2.1 压裂前后单孔抽采量的变化

在13-1轨道下山同样孔径、孔深的条件下,分别对水力增透前、后瓦斯抽采量随时间的变化情况进行对比。为了保证局部和整体效果,在考察范围内,分别选压裂前、后一个单孔和一组(7个)钻孔,在20 d内的抽放情况进行统计、分析对比,同时对考察的钻孔安设孔板流量计,每天派专人定时记录负压、流量、浓度,并根据公式:Q纯=1/9.81/2(k(Δhx)1/2)(其中Q为瓦斯纯量,k为孔板校正系数,Δh为流量压差Pa,x为瓦斯浓度)计算瓦斯抽采量,并绘制变化曲线,如图5所示。

图5 增透前、后单孔抽采量随时间变化曲线

4.2.2 增透前后单孔抽采量的变化

增透前单孔最大瓦斯浓度25%,瓦斯最大抽采量0.008 68 m3/min,20 d累计抽采量0.035 37 m3/min,衰减周期7 d左右。增透后单孔最大瓦斯浓度36%,最大瓦斯抽采量0.014 4 m3/min,20 d累计抽采量0.201 8 m3/min。如图6所示。

图6 增透前、后钻孔平均抽采量随时间变化曲线

4.2.3 增透半径、水分增加率变化

增透前通过打钻取样化验煤体原始水份含量为1.14,增透后距增透孔每8 m分别施工一个效检孔和抽采孔,送化验室化验水含量,根据数据得出水含量变化曲线如图7所示。

图7 水含量变化曲线

根据化验结果显示,煤体水含量在1.25～3.80之间,其中距压裂孔50 m处钻孔内煤体水含量为1.12,接近原始水份含量为1.14,而顾桥矿已测定的抽采半径为10 m,因此可以确定在24 MPa下进行压裂后的压裂半径为20～30 m。

5 结语

煤层通过水力压裂增大了瓦斯流量和提高浓度,从而提高抽采量。在压裂注水期间,煤体被破碎,裂隙沟通,游离瓦斯被高压水驱替,并随着水流沿孔隙向抽采钻自由空间涌出,瓦斯涌出量呈现增大的现象;水力压裂措施后,煤体破碎,煤中原有裂隙敞开并沟通,煤的透气性增加,瓦斯抽采量增加。其效果表现在:通过水力压裂,增大钻孔的抽采半径;通过水力压裂,增大煤层的透气性,提高抽采效率;通过水力压裂,提高钻孔抽采浓度,缩短抽采时间。

[1] 孟燕,蒋曙光,邵昊,等.煤层瓦斯压力测定方式及新的探索[J].能源技术与管理,2009(6): 63-65.

[2] 于不凡.煤和瓦斯突出机理[M].北京:煤炭工业出版社,1985.

[3] 曲荣飞,兰泽全.间接法测算煤层瓦斯压力现状[J].煤矿安全,2009(8):86-89.

[4] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

Application Analysis of Hydraulic Fracturing Anti-Reflection Technology

GAO Biao,BAI Yun-fei,WU Wei
(Guqiao Coal Mine,Huainan Minin g In dustry Group, Huainan Anhui 232174)

Hydraulic fracturing antireflection technique is applied to increase the gas permeability of coal seam,the flow of gas,and gas drainage volume when drilling in coal seam of low permeability,and to guarantee the drainage effect.By comparing different practice results,it is found that the application of hydraulic fracturing technique can increase the permeability of coal seam and gas flow,and greatly broaden the effective drainage radius of drilled holes,increase drainage intensity and volume,eliminate the harms of gas to the largest extent.

hydraulic fracturing; permeability; permeability increasing

TD712

B

1671-4733(2015)01-0001-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.01.001

2014-10-09

高标(1978-),男,安徽淮南人,助理工程师,从事一通三防管理工作,电话:13695546468。