综合水力压裂技术在丁集矿的应用分析

陈二瑞　赵 磊　陈彦平.安徽理工大学 .陕西彬长大佛寺矿业有限公司



综合水力压裂技术在丁集矿的应用分析

陈二瑞1赵 磊2陈彦平1
1.安徽理工大学 2.陕西彬长大佛寺矿业有限公司

【摘 要】水力压裂技术被广泛应用于煤层增透及煤岩体结构改造。针对常规水力压裂注水压力大、压裂操作时间长等问题，提出综合水力压裂技术，先对穿层钻孔的煤层段进行高压旋转水射流割缝扩孔，再对扩孔后的钻孔进行水力压裂。阐述了水力压裂的过程及机理，介绍了综合水力压裂的工艺流程。现场应用表明，相对于常规水力压裂，综合水力压裂能够缩短压裂所用时间降低裂隙起裂压力，对提高瓦斯抽放效果具有一定的促进作用。

【关键词】煤层增透；水力压裂；水射流割缝；瓦斯抽放

矿井瓦斯是威胁煤矿安全生产及井下工作人员生命安全的主要自然因素之一，高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井占国有矿井总量的50%左右[1]。我国高瓦斯突出煤层透气性低，瓦斯抽采效果差，平均抽采率仅有23%[2]。大量试验结果表明，煤层透气性系数随着开采深度的增加而减小，这在很大程度上制约着煤层瓦斯的抽采效果[2]。针对此问题，目前主要采取区域卸压增透技术来提高煤层透气性，主要采取水力割缝、水力冲孔、水力压裂、深孔松动爆破等[3]。水力压裂增透技术具有操作成本低、现场试用简单等特点，且卸压增透效果显著，能大大提高瓦斯抽采效率[4]。文章阐述了综合水力压裂技术，以降低水力压裂泵注压力及缩短压裂时间为出发点，为煤矿井下水力压裂的顺利进行提供技术支持。

1　综合水力压裂基本原理

1.1 水力压裂基本原理

煤体是一种多孔介质，具有大量的原生裂隙和孔隙，同时由于地质构造等的作用在煤层内部生成了一系列构造裂隙。水力压裂过程中，钻孔周围煤岩体应力降低，煤体原生裂隙弱面在高压水流的作用下发生起裂、扩展和延伸[5]。弱面的扩展增加了原生裂隙的空间体积同时由于原生裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，打通了瓦斯的运移通道致使煤层渗透率大大提高[6]。

1.2 高压旋转水射流割缝扩孔基本原理

当高压水射流接触到煤岩体后，在较短的时间内，由于水射流的倾斜冲击对煤岩体表面产生拉伸作用，煤岩体表面在拉伸应力的作用下发生损伤。首先，出现一环形裂隙带，该环形裂隙带的直径随高压旋转射流切向速度与轴向速度比值的增大而增大。随着射流的冲击，裂隙逐渐积累并汇聚，煤岩快速的在径向和轴向发展，且径向的发展速度大于轴向[7]。

2　综合水力压裂技术工艺

首先在煤岩体中施工一个小直径钻孔，以便于

割缝喷头的推进，然后通过高压旋转水射流钻杆带动割缝喷头沿钻孔轴向方向向前推进。小直径钻孔的施工，使其周围一定范围内的煤体发生塑性破坏，增加了煤岩体的裂隙，这为后续的水力割缝创造了条件。

钻孔完成后，当周围的应力超过煤体的弹性极限时，钻孔周围就会产生塑性区，随着载荷的继续增加，塑性区的大小也随之增加。

图1　钻孔周围破坏区示意图

由于煤岩自重，钻孔周围会产生应力集中，如果在应力集中区域外取出一个矩形区域，此矩形区域的边界上可以设为不受煤岩体内开孔的影响（如图1所示），其周边所受的力为煤岩体中的原始应力（初应力），于是钻孔周围的变形问题转化为如图1中所示的矩形区域圆孔问题。

为了使问题简化，当钻孔不受地质构造等地质灾害影响时，假设Px=Py，那么该问题就转化为等应力的弹塑性问题，根据弹性力学的相关理论，计算得塑性区的半径可表示为：

式中：

λp—塑性摩擦系数；

εcp—煤岩体的塑性粘性。

可以看出，在埋深及煤岩自身性质等各力学参数一定的条件下，钻孔周围塑性区的半径随着钻孔半径的增大而增大。因此，通过高压旋转水射流扩大钻孔直径，可以扩大钻孔周围煤体的卸压范围。

3　煤岩体压裂效果主要影响因素

3.1 地应力

地应力是影响煤矿井下水力压裂效果的关键性因素，制约着裂缝起裂压力大小、起裂点位置及裂缝扩展形态。大量试验结果表明，随着水平和垂直地应力差值的增加，起裂压力随之降低，差值越大，越易产生较为平直的裂缝，差值越小，裂隙通常沿径向以网状形式扩展，差值为零时，裂缝扩展趋于复杂化[8]。

3.2 煤岩体力学性质

力学性质主要包括弹性力学特性和破坏特性两方面。弹性力学特性包括弹性模量、泊松比及密度等，袁志刚等经过大量测试指出：煤岩体的弹性模量较低，泊松比高[9]；破坏特性包括内摩擦角、压拉比及均质度等，门晓溪等通过数值模拟指出：模型的层理角度越大，其破坏所需的压力也越大，煤岩体强度越低，所受层理面的影响越小[10]。

3.3 天然裂隙

宋晨鹏等经过模拟发现：扩展裂隙与天然裂隙相遇后会出现两种情况，一种是扩展裂缝直接穿过天然裂缝沿最大水平主应力方向继续扩展，一种是扩展裂隙与天然裂隙延伸方向一致，但最后仍然后沿最大水平主应力方向扩展[11]。

4　工程实例

试验选在11-2煤层，该煤层瓦斯压力为1.06MPa （-880m标高），瓦斯含量为3.63~7.13m3/t，瓦斯流量衰减系数为0.4061d-1，透气性系数为0.0071~0.0075 m2/（MPa2·d），抽采难易程度为较难抽采。试验共在西11-2运输大巷施工钻孔102个，其中综合水力压裂钻孔20个，其余的为效果考察孔，考察钻孔同时兼做水力压裂控制钻孔，每一个水力割缝及压裂钻孔和4~6个效果考察钻孔作为一组进行试验，通过比较试验前后瓦斯抽采量及抽采浓度的大小来衡量试验效果。试验以第19组钻孔为例，第19组钻孔包括水力割缝及压裂钻孔S19及四个考察钻孔K1、K2、K3和K4。各考察钻孔与试验钻孔见煤点距离均按13m施工，如图2。

图2　钻孔布置示意图

首先依次施工各考察钻孔K1、K2、K3、K4，待考察钻孔施工完成下入Φ50mm的封孔钢管并用水泥砂浆封孔。然开始施工综合试验钻孔S19，S19的前15m孔径为Φ133mm，后部的孔径为Φ113mm，且钻孔完成后前15m下入Φ108mm的无缝钢管，在钢管与钻孔之间注入水泥砂浆用以固定无缝钢管。一切准备就绪后，开始进行综合水力压裂并接入瓦斯抽采系统进行效果考察。

5　试验效果分析

S19组钻孔包括效果考察孔K1、K2、K3、K4。于12 月12日对钻孔S19进行了水力割缝试验，试验水压10MPa，持续时间40min，割出煤量约0.4t。12月16日进行了水力压裂试验，压力达到18MPa，持续时间约为5min，K2孔内有水流出，颜色为黑色并带有少量煤屑，持续压裂约10min，未见水量增加。将水压调至20MPa以后，K2孔内出水量明显增加，K3孔内有水流出，呈黑色带有煤屑，压裂半径为13m。试验钻孔S19在16天的考察期内瓦斯浓度始终维持在10%以上，最高浓度为56.3%，最大单日抽采纯瓦斯量为119.02m3，16天内抽采总瓦斯量为1039m3。试验钻孔S19在16天内抽采瓦斯量为其他钻孔单孔抽采量最大值的2.15倍，平均值的3.28倍。S19钻孔瓦斯抽采浓度及瓦斯抽采量情况，如图3。

图3　抽采效果图

6　结束语

（1）经过试验前后对比分析可得，综合水力压裂压裂时间明显减少，压裂半径也明显增大，较单纯的水力压裂平均提高近1.31倍；

（2）高压旋转水射流割缝过程中割出大量的煤，平均出煤量在0.91t，其中S19钻孔在割缝期间共出煤2504吨；

（3）综合水力压裂，在水力割缝期间，不仅扩大了钻孔直径，增加了煤层的暴露面积，同时还改变了煤层的应力状态，为降低煤与瓦斯突出危险性提供了一定的保障。

参考文献

[1] 张国枢.通风安全学[M].江苏:中国矿业大学出版社,2007

[2] 孙炳兴,王兆丰,伍厚荣.水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用[J].煤炭科学技术,2010,38(11):78-80

[3] 林柏泉,孟杰,宁俊,等.含瓦斯煤体水力压裂动态变化特征研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(1):107-110

[4] 史小卫,林萌,王思鹏.低渗煤层井下水力压裂增透技术应用研究[J].中国煤炭,2011,37(4):7-9

[5] 郭启文,韩炜,张文勇,等.煤矿井下水力压裂增透抽采机理及应用研究[J].煤炭科学技术,2011,39(12):60-64

[6] 覃道雄,朱红清,张民波,等.煤层水力压裂技术研究与应用[J].煤炭科学技术,2013,41(5):79-85

[7] 于洪,陆庭侃.高压水射流割缝提高瓦斯抽放效率的研究[J].煤炭科学技术,2009,37(4):44-46

[8] 林英松,周雪,韩帅.煤层气压裂裂隙起裂扩展规律研究[J].煤炭技术,2014,33(4):115-117

[9] 袁志刚.煤岩体水力压裂裂缝扩展及对瓦斯运移影响研究[D].重庆:重庆大学,2014

[10] 门晓溪,唐春安,马天辉.水力致裂作用下岩体参数对裂纹扩展影响的数值模拟[J].东北大学学报,2013,34(5):701-703

[11] 宋晨鹏,卢玉义,夏彬伟,等.天然裂缝对煤层水力压裂裂缝扩展的影响[J].东北大学学报,2014,35(5):756-760