井下重复水力压裂技术在保安煤矿的应用

蔡永乐,赵满生

(1.山西工程技术学院矿业工程系，山西 阳泉 045000；2.山西煤炭运销集团保安煤业有限公司，山西 阳泉 045021)

我国煤储层具有低渗透性的特点，为了增加煤储层透气性，提高井下瓦斯抽采效果，目前，煤矿工作者采用了水力压裂[1-3]、水力割缝[4-5]、水力冲孔[6]、松动爆破[7-8]、CO2致裂[9-10]等增透技术。其中，水力压裂因其工艺相对简单、增透效果较好，在重庆市、山西省阳泉市和河南省焦作市等地得到广泛应用，成为近年来研究的热点之一。但水“欺软怕硬”的特点加之煤储层的非均质性导致水力压裂时容易形成一些改造盲区，进而影响了后期瓦斯抽放效果，同时可能增加煤与瓦斯突出的危险性。为了更好地解决这一问题，引入地面煤层气井重复压裂技术，阐述了井下重复水力压裂的技术原理和一般工艺流程。根据保安煤矿煤层及地质构造特征，进行了底板抽放巷道内重复水力压裂关键参数设计，并考察了现场重复水力压裂应用效果,以期为相似煤层及地质条件下井下重复水力压裂提供依据。

1 井下重复水力压裂增透原理及工艺流程

1.1 井下重复水力压裂增透技术原理

井下水力压裂的基本原理将压裂液(清水)高压注入煤岩层，克服最小主应力和煤岩体的破裂压力，使得煤层中原有的裂缝充分张开、延伸、相互沟通，达到导流的目的。

所谓重复水力压裂，就是在一次压裂完成后，间隔不太长的时间采用类似的工艺技术进行两次及以上的水力压裂。一次压裂时，把井下施工的钻孔作为一个密闭系统，采用高压泵作为主要动力装置，把事先准备好的液体以一定的排量通过高压管路注入钻孔中，钻孔的压力开始上升，当达到煤层的破裂压力时，在煤层中形成新的裂缝。继续注入，液体将沿着这些新的裂缝继续向前延伸。随着裂缝延伸距离的增加，施工阻力将增加，形成新的裂缝的难度加大。同时，煤裂隙中水量不能无限增加。当增加到一定程度时，压裂改造范围内煤裂隙中的水几乎达到饱和，继续施工失去了改造煤储层的意义，一次压裂结束。由于井下空间有限，一次压裂的液量相对较少，裂缝延伸不够充分；同时一次压裂后形成了新的裂缝，应力得到了部分释放，不同方向上裂缝形成大小的差异导致其应力释放大小的不同，进而导致煤层所受的最大、最小水平应力差的大小发生了一定的变化。间隔较短时间采用相似工艺压裂时，一方面可能促进裂缝进一步拓展延伸或新的裂缝形成，另一方面压裂形成的新裂缝方位发生一定的变化，进而扩大了水力压裂改造的范围。

1.2 井下重复水力压裂的一般工艺流程

井下重复水力压裂一般工艺流程见图1。

图1 重复水力压裂流程图

1) 井下钻孔施工。根据煤层空间展布、构造发育情况、现场施工条件等确定钻孔参数(开钻位置、钻孔倾角、方位角、孔深、孔径等)并打钻。

2) 瓦斯浓度监测。在施工钻孔地点下风口10～20 m处安装可自动记录瓦斯浓度的瓦斯探头。

3) 压裂设备地面检验。井下压裂设备在运移到井下前进行检验，确保压裂泵能满足正常工作所需的压力和流量，确保高压管路和供水管之间密闭完好。

4) 运送设备到井下指定地点。拆卸设备，运移压裂设备到施工作业地点。

5) 连接压裂设备。确保井下水、电能满足施工作业要求，连接压裂设备(压裂泵、水箱、封隔器、高压管路、注水管、电控柜、仪表、高压阀门等)；确保供水管路水能满足施工过程中供水要求。

6) 管路密封性检验。放置注水管、封隔器到孔内设计深度，并用孔口锚固装置固定，确保牢固，保证施工安全试压，确保各管路的连接口处密封完好。

7) 压裂施工并主要参数实时记录。当各项参数运行正常时，开启压裂设备，按压裂泵注程序进行施工,并实时记录压力、流量、瓦斯浓度值等。

8) 停泵。当注水量等主要参数达到设计值时，停泵。

9) 洗孔。把高压软管送到孔底，采用边洗边抽的方式进行整个压裂孔的冲洗。

10) 配置压裂液后二次压裂。配置所需的压裂液,然后连接管路试压后根据二次压裂设计要求，进行二次压裂。

11) 二次冲孔后封孔瓦斯流量监测。二次冲洗孔完毕后，用聚胺脂或其他封孔材料封孔，测瓦斯流量。为了对一次压裂效果和二次压裂效果进行对比，在一次压裂完成后，可进行瓦斯流量监测，以便与二次压裂对比。

2 保安煤矿井下重复水力压裂设计

2.1 保安煤矿地质概况

保安煤矿位于沁水煤田阳泉矿区西部，为煤与瓦斯突出矿井。初期设计生产能力0.9 Mt/a，主采太原组8#煤层、9#煤层、15#煤层，本次重复水力压裂作业巷道为15108底抽巷，目标压裂煤层为15#煤层。15#煤层位于太原组下部，上距9#煤层平均60.33 m，煤层厚度3.25～5.55 m，平均4.00 m。岩性综合柱状图见图2，15#煤层大多不含夹矸，局部含夹矸，夹矸厚度0.01～0.36 m，岩性为炭质泥岩、泥岩。顶板为K2灰岩，顶板灰岩不含水，对压裂影响不大。底板为泥岩及砂质泥岩。属稳定全区可采煤层。15#煤层自然成分甲烷77.77%～96.53%，甲烷含量4.97～12.00 m3/t。

图2 岩性综合柱状图

2.2 保安煤矿井下重复水力压裂关键参数设计

煤矿井下瓦斯抽采一般采用高位钻场和开设底抽巷两种方式进行。高位钻场一般可抽采空区和除本煤层外的临近煤层中的瓦斯；而底抽巷一般只抽采本煤层及临近煤层瓦斯。相比而言，前者抽采范围更广，但施工量大，建设、维护周期长；后者巷道掘进量少，施工见效快，对本煤层及临近煤层瓦斯抽采效果明显。本次主要对底抽巷内压裂钻孔进行设计。

压裂参数设计主要包括泵注压力设计、压裂设备的选型、注入液量设计等。

2.2.1 水力压裂参数设计

2.2.1.1 泵注压力的确定

在压裂中压裂泵的泵注压力Pb表示为式(1)。

Pbmax>Pb=Pg+Pz+Ps+Pmp(1)

式中：Pg为管路阻力，MPa；Pz为重力阻力，MPa；Ps为滤失压力，MPa；Pmp为煤层破裂压力，MPa。

其中管路阻力表达为式(2)。

(2)

式中：i为第i根通路；j为第j个接口或管喉；ρ为流体密度，kg/m3。

重力阻力表达为式(3)。

pz=ρg(h2-h1)(3)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；h1出水口标高，m；h2钻孔内最高点标高，m。

滤失压力可通过式(4)进行计算。

Ps=aPb(4)

式中：Ps为滤失压力，MPa；Pb为泵入压力，MPa；a为压力滤失系数，取3%。

考虑到煤层孔隙压力和上覆岩层压力，煤体的破裂压力可表述为式(5)。

p0>min(3-λ)p+Rt,(3λ-1)p+Rt+

p+η(p-pp)(5)

式中：pp为煤层孔隙压力，MPa；η为地层因数，MPa；P为上覆岩层压力，MPa；Rt为煤体的抗拉强度，MPa；λ为侧压系数。

岩石部分力学参数见表1。经初步计算，煤层起裂压力在25～30 MPa，泵注压力在35～40 MPa。

表1 岩石部分力学参数

2.2.1.2 压裂设备的选型确定

目前，井下压裂设备过大，搬迁比较困难，且受到井下作业环境的限制。为了满足压裂需要，同时能适应井下场地，本次水力压裂增透试验设备包括：3JKBYL400-70型泵组、压裂封孔管、高压胶管、高压阀门、高浓度光学瓦检仪、DGC瓦斯含量测定仪、钻机、压裂钻孔封孔水泥、DN15注浆管、DN100抽放管路、孔板、压差计、矿用电缆(泵组400 kW)、瓦斯抽采管等配套设备。其中3JKBYL400-70型泵组可进行拆卸组装，工序较简单，可操作性强，数据收集方便，可适应井下复杂多变的环境。

2.2.1.3 注入液量设计

根据压裂影响半径、煤层厚度、煤的孔隙度来计算所需注入液量，注入液量可表示为式(6)。

Q=πR2hω(6)

式中：h为煤层厚度，m；R为压裂影响半径，m；ω为煤体孔隙度。

其中，压裂影响半径为16～18 m，煤厚4 m，孔隙度2%。经计算，该次压裂孔煤层注水量为60～80 m3。

对于重复水力压裂，参考第一次水力压裂参数，并根据现场情况进行实时调整。

2.2.2 压裂钻孔布置

本次15108底抽巷沿中线掘进，并进行重复水力压裂施工。煤层露头存在起伏，该巷道与煤层露头垂直距离为20±3 m。压裂孔的压裂半径重叠，引起煤体过于松软，从而影响正常的采动以及采动过程中煤巷的支撑和维护，为了增大有效压裂半径的影响范围，结合该区域的地质资料及巷道布置情况，布置水力压裂试验钻孔，钻孔布置见图3，钻孔参数见表2。

图3 压裂钻孔布置图

孔号钻孔直径/mm方位角/(°)开孔位置倾角/(°)见煤长度/m终孔深度/m备注1#压裂钻孔95-90距15108底抽巷开435 m324651见煤5 m2#压裂钻孔9590距15108底抽巷开435 m313945见煤6 m修改3#压裂钻孔95-90距15108底抽巷开618.6 m324752见煤5 m

注：此处方位角为与巷道中心线夹角。

钻孔的开孔位置应尽量选择在钻场内；钻孔施工参数应严格按照设计执行，保证钻孔平直、孔形完整。钻孔进入煤层时必须干式作业，严禁用水打，并在巷道或钻孔口采取喷雾降尘措施。在钻孔施工中，应准确记录钻孔参数、钻孔见各煤层时的长度，钻孔在煤层中的长度，以及钻孔开孔时间、见煤时间及其它情况(包括喷孔煤量、瓦斯涌出量等)。随着后续压裂钻孔继续施工，由于压裂钻孔参数局限，在压风停风、断电等可控因素干扰下，出现钻头掉落现象，对施工进度造成一定影响，故在后续钻孔施工中须加强风电等动力供应。

2.2.3 封孔

水力压裂钻孔施工完成后，开始进行钻孔封孔，本次压裂钻孔封孔工艺采用多次封孔工艺进行压裂孔封孔。首先下放压裂铁管，压裂铁管前段为一根2 m、带堵头的筛管，后接2根1.5 m的筛孔管，筛孔管后下放26根1.5 m长的封孔铁管，各接头均使用管钳拧紧，孔口露出1 m左右。封孔铁管下放到位后，下放19根2 m/根的DN15无缝钢管，返浆管下放至煤层，孔口露出0.5 m。然后下放2根2 m/根的注浆管。下放到位后孔口使用聚氨酯进行封堵，待聚氨酯凝固30 min后，通过注浆管注入1袋水泥(水灰比0.8～0.9)。待水泥沉淀20 min后，打开注浆管孔口阀门，使水泥浆液面与注浆管保持水平。水泥浆凝固1 d后，通过注浆管向孔内注浆。注入5袋水泥后，压裂铁管开始返浆，注浆管并未返浆。返浆管前段并未加花管，由于钻孔成孔后钻孔内有岩粉，在返浆管下放过程中岩粉、煤粉堵塞返浆管。再次通过返浆管注入水泥浆时，预计注入返浆管25 m左右时，注浆泵不能继续向返浆管注入水泥，停止注浆，完成压裂孔封孔工作。

2.2.4 巷道加固

由于保安煤矿15108工作面底抽巷地压大，巷道围岩较为破碎，故在进行水力压裂前需要在压裂周边5 m范围内的应力集中区域内进行加固。注浆封孔工作完成后，开始对巷道进行加固。在巷道原有锚网索支护的前提下，在压裂孔沿巷道方向前后各5 m范围内采用补打锚索的方式加强支护，提高压裂孔周边的受力能力，见图4。

图4 巷道锚索加固剖面图

2.3 水力压裂过程

以3#钻孔压裂过程为例，说明重复压裂过程。在初次压裂过程中，泵注压力在16～34 MPa之间，15108底抽巷未出现瓦斯超限现象，顶板及加固锚索未出现滴水现象。整个压裂过程共持续4.25 h，注水量为67 t。35 d后，进行二次压裂，压裂过程持续4.6 h，泵注压力25～31 MPa，注水量为75 t。详细井下重复水力压裂施工参数见表3。

表3 井下重复水力压裂施工参数

2.4 重复水力压裂施工建议

重复水力压裂的主要目的是扩大压裂范围，提高压裂范围内煤的透气性。是否有进行二次压裂的必要，一方面取决于所压裂煤层的透气性是否已经达到了最大，另一方面取决于压裂的范围能否进一步扩大。当煤层的煤体结构以原生结构煤为主时，受压裂设备能力限制，一般情况下，一次压裂后煤层的透气性达不到最大。对于这类煤储层，建议进行重复压裂，使煤层进一步破裂，增加煤层的透气性。

当煤层主要为碎裂煤时，一次压裂后，在压裂孔口附近煤层的透气性几乎达到了最大，若要进行二次压裂，需要使压裂管向孔底进一步运移，这样来改变压裂煤层位置，增加压裂改造范围。

当煤层主要为碎粒煤时，最好在围岩中进行压裂，实现卸围岩应力的目的。岩性应是泥质砂岩或砂岩，距煤层的距离一般不超过8 m。

当煤层主要以糜棱煤为主时，这类煤使用水力压裂效果可能不太好，建议不在这样的煤层中进行水力压裂。

当不会引起瓦斯超限时，重复压裂的时间间隔一般2～5 d，过长可能带来设备搬迁相对麻烦。一般情况下，二次压裂液量要略小于一次压裂液量。本次所用的压裂设备排量相对较小，今后应改进压裂设备，提高压裂时排量，效果可能更好。

3 应用效果评价

1) 水力压裂影响范围通过考察钻孔施工过程中煤样煤层含水率和煤层瓦斯含量测定。打钻过程中，采用孔口接粉的方式取煤样，使用DGC型瓦斯含量直接测定装置测试煤样的瓦斯含量。采用同样的瓦斯含量快速测试方式，在原始煤体取样测得煤层瓦斯含量为15 m3/t，经过水力压裂后，距离压裂孔30 m位置处煤层瓦斯含量降低了3～5 m3/t，水力压裂后距离压裂孔35 m位置处钻孔含水率达到9.5%，含水率明显提高。据此判断水力压裂影响范围达到35 m以上。

2) 压裂区域与未压裂区域单孔抽采纯量和抽采浓度对比曲线见图5。从图5中可看出：在60 d抽采时间内，未压裂区域单孔瓦斯抽采纯量和抽采浓度平均为0.0024 m3/min和6.2%，压裂区域平均为0.0051 m3/min和11.2%，分别提升1.13倍和0.81倍，瓦斯抽采效果提升显著。

图5 压裂区域与未压裂区域单孔抽采纯量和抽采浓度对比曲线

3) 未压裂煤体透气性系数为0.007861 m2/(MPa2·d)，压裂后为0.317582 m2/(MPa2·d)，提高40倍以上。

4) 水力压裂后百米流量衰减系数由原始煤体百米流量衰减系数0.024减小到0.021，降低了12.5%。

4 结 论

1) 通过保安煤矿井下重复水力压裂试验，形成了适用于该矿底板抽放巷的重复水力压裂关键技术与流程。

2) 现场实施重复水力压裂试验表明，煤层水力压裂影响半径达到35 m以上；煤层透气性系数提高40倍以上；瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量分别提高1.12倍和0.81倍。试验表明重复水力压裂能够有效提高井下瓦斯抽采效果，值得煤矿瓦斯灾害防治中推广应用。

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