煤矿井下水砂压裂瓦斯治理技术研究

贾永斌

(山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 045000)

1 提出问题

阳煤集团是全国最大的无烟煤基地，下属矿井多为高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，瓦斯赋存条件复杂，断层和褶曲等构造较多，且煤层透气性较低，特别是随着开采规模的扩大，盖山厚度增加，地应力加大，瓦斯含量和压力增加，抽采效果受限于煤层透气性，导致开采的难度愈来愈大。

因此，如何有效地增大煤层透气性，提高瓦斯抽采效率，进一步提高瓦斯治理能力，是摆在当前的一个非常重要的课题。

2 工艺原理

井下水砂压裂增透技术，就是压裂液和支撑剂压入煤层，克服最小主应力、煤岩的破裂压力和闭合压力，使得煤层中原有的弱面张开、延伸、相互沟通，达到导流的目的。具体就是使用专门的压裂装置，将高压的压裂液压入钻孔，钻孔内的压力升高，达到克服地层的地应力和岩石抗张强度时，岩石开始出现破裂，形成一条或数条裂缝。为了使停泵后裂缝不至于完全闭合，获得较高的导流能力，在注入压裂液的同时，再注入固体支撑剂(石英砂或陶粒等)，使之留在裂缝中，以保持裂缝内高的渗透率，提高煤层透气性，从而扩大瓦斯抽采的有效半径，达到增透和抽采效果。

该技术于2019年获得了国家发明专利(专利号ZL 2016 1 0792384.4)

3 压裂装置

阳煤集团与兰州机器厂合作，对地面煤层气的压裂装置进行认真地分析和研究，根据煤矿井下的特点，专门设计和研制了煤矿井下压裂装置，见图1。

1—压裂泵撬；2—混砂撬；3—储砂罐撬；4—水箱撬；5—配电柜撬；6—移动变压器撬；7—电缆；8—供液管线；9—高压管线图1 水砂压裂装置示意图

该装置于2014年获得了国家实用新型专利(专利号ZL 2014 2 0120252.3)。

(1)压裂泵撬

由压裂泵、离合器和电机组成，主要功能是压水和压砂。压裂泵工作时分为八档，最大压力为45MP，最大流量为90m3/h，电机功率为355kW。

(2)混砂撬

由输砂器、混砂泵、搅拌器和电机组成，主要功能是压裂液的配制和输送。最大压力为0.2～0.9MP，流量为45m3/h，电机功率为315kW。

(3)水箱撬

由水箱、阀门和输水管路组成，主要功能是储存水源。容量为6m3。

(4)储砂罐撬

主要功能是储放压砂，压砂由两种不同规格的石英砂组成。

(5)配电柜撬

主要功能是控制各种设备的启动、停止、变速等，满足井下的防爆要求。

(6)移动变压器撬

由防爆变压器和电缆组成，主要功能是解决设备变配电，电压10kV/1.14kV，容量为1600kVA。

4 压裂前准备

4.1 压裂设备的安装、调试及材料准备

水砂压裂装备由若干个设备列车组成，安装在井下的进风巷道中，距压裂地点不少于200m，且安装位置的巷道要有足够的空间和安全通道，巷道尽可能平缓。

在压裂施工前必须进行设备运转情况检查。关闭孔口管路阀门，对所有的施工管线进行最高限压试验。在最高限压下，压力稳定至少达到工艺设定要求的时间，系统设备没有渗漏，就说明设备和注入系统合格，可以进行施工，否则必须进行紧固或更换相关部件。施工前备足压裂所需的压裂液、支撑剂及设备操作工具。

4.2 压裂前观测及参数测试

为考察压裂效果，在压裂前可根据压裂地点不同，选择性测试百米钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数、钻屑量等相关参数。认真观测压裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带。同时，认真观测顶底板支护情况，严禁在空顶区进行压裂。

4.3 钻孔布孔方式及施工

根据压裂地点不同及治理瓦斯区域不同采用不同的压裂布孔方式，因岩巷段封孔效果要好于煤巷段，使用底板岩石预抽巷(岩巷)向工作面顺槽施工水砂压裂钻孔进行水砂压裂后再进行打钻抽放。

4.4 封孔

用胶囊封孔器或水泥砂浆进行封孔，胶囊封孔器要求抗压强度达到40MPa以上，扩张系数大于150%，单节胶筒长度不小于1m。施工项目设计最高工作压力在35MPa以下的作业暂定采用胶囊封孔的方式。当穿层钻孔若岩石段大于20m，且施工压力超过35MPa的施工作业，则采用水泥砂浆封孔。在岩孔中钻孔进行水泥砂浆封孔，水泥砂浆封孔段长度不小于20m。

5 压裂实施

5.1 压裂液的选取

压裂液的主要作用就是将压裂设备所形成的高压液体能量传递到煤储层中去，在煤储层中造成新的裂缝，撑开或扩大原有裂缝，然后把支撑剂加入到裂缝中去，当压力撤消后支撑剂保证裂缝不会闭合。在压裂过程中，压裂液压入煤层的程序分别为前置液、携砂液、顶替液。

压裂液选择的基本原则包括：

(1)与水源及煤储层的配伍性良好；

(2)滤失低、压裂液效率高，能造长缝；

(3)携砂能力强；

(4)摩阻低、稳定性良好；

(5)残渣低，容易返排；

(6)货源广，价格低。

通过对活性水压裂液、冻胶压裂液和清洁压裂液对比，得出不同压裂液的适应性，经综合考虑，选用活性水作为压裂液，其优点是配液简单、对煤层伤害低、成本低等。

5.2 支撑剂的选取

水力压裂的目的在于将汇集于井筒的径向流变成与井筒相连通的导流裂缝中的线性流，裂缝中的导流能力必须远远大于地层中的导流能力，要获得高渗透率的裂缝，必须加入支撑剂，支撑剂的作用在于支撑裂缝的两壁，以便在压裂施工结束后，井底压力下降到小于煤层裂缝闭合压力，压裂作业造成的通向井眼的导流裂缝依然保持张开。裂缝的导流能力至少要大到能消除井下的大多数径向流并允许线性流从储层进入到裂缝中，为达到这一目的，必须使支撑裂缝内的渗透率比储层渗透率大几个数量级。所用的支撑剂大致可分为三大类：天然石英砂、人造陶粒和树脂包层处理支撑剂。

(1)石英砂

石英砂是一种分布广、硬度大的天然的稳定性矿物，其主要化学成分为二氧化硅，主要产于沙漠、河滩或沿海地带，矿物组分以石英为主，石英含量一般在80%左右，国外优质石英砂中石英含量可达98%以上。石英砂颗粒相对密度约在2.65左右，体积密度约在1.75g/cm3。对于低闭合压力的储层，使用石英砂作为压裂用支撑剂已取得了一定的增产效果。石英砂的相对密度较低，便于施工泵送，且价格便宜，因而在浅井中至今仍被大量使用。

(2)陶粒

用电解或烧制均可制得，具有抗压强度大特点，主要用于闭合压力在34～59MPa内的压裂施工作业，能保证在高闭合压力下具有较高的导流能力。但相对密度也较大，对压裂液的性能(如粘度、流变性等)及泵送条件(如排量，设备功率等)都有更高的要求，另外陶粒的生产成本比较高。这两种因素引起陶粒的压裂施工成本昂贵，限制了它的广泛使用。

(3)树脂包层砂

针对天然石英砂抗压强度低、导流能力差而研制的支撑剂，采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面上，并经热固处理制成。一般它的颗粒密度为2.55g/cm3，比石英砂略轻。由于在砂子表面包裹了一层高强度树脂，使闭合压力分布在较大的树脂层的面积上，减少了点负荷，无树脂膜的颗粒其受力面积直径是颗粒直径的10%或更小，而有树脂膜的颗粒其受力面积直径接近颗粒直径的40%；用电子显微镜观测发现，可变形支撑剂的接触面积比易碎裂支撑剂的接触面积增大16倍。这样即使压碎了包层内的砂子，外边的树脂层仍可以将碎块、微粒包裹在一起，防止它们运移或堵塞支撑剂带的孔隙，使裂缝保持有较高导流能力。

树脂包层砂提高了砂粒的抗破碎能力，而且砂粒键合在一起，不仅形成了一条有渗透能力的过滤层，而且还防止了支撑剂吐出，减少了支撑剂嵌入地层的现象。由于每粒砂粒均有一层坚韧的树脂外壳，因此，若在一定的闭合应力下，砂粒被压碎，所产生的碎屑、细粉砂却包覆在树脂壳内，从而防止了碎屑、细粉砂的运移。因而即使在砂粒被压碎的情况下，该支撑剂仍有一定的导流能力。

具体使用何种支撑剂要根据施工项目的煤层结构、条件等因素经综合考虑进行施工设计，推荐选择使用石英砂(粒径分别有细粒、中粒和粗粒)作为支撑剂材料，其优点是性能适中、价格便宜和货源广等。

5.3 前置液注入

启动压裂泵后，将配置的活性水压裂液注入施工目标煤层，液体压力缓慢升压，当泵注压力达到破裂压力形成裂缝后，继续泵注，液体压力保持高压或出现若干次峰值，直至泵注量达到设计要求用量，约80～100m3，泵压会稍有降低并保持稳定。活性水压裂液按质量百分比计的配比为：活性剂0.04%～0.07%，增稠剂0.04%～0.07%，KCl 0.3%～0.7%，其余为清水。活性剂可选用低泡表面活性剂，增稠剂可选用水性增稠剂。

5.4 携砂液注入

注入前置液后期，地层裂缝形成后，开始注入携砂液，加入粒径为0.15～0.30mm石英砂，砂比为3%～5%。如果施工压力快速上升，停止细粒石英砂加砂，继续注入活性水压裂液，待施工压力下降至10MPa并保持稳定时，重新开始加砂。此时的石英砂粒径应为0.45～0.9mm的中粒石英砂，平均砂比为10%左右为宜。在注入携砂液后期，若施工压力快速上升，需进行停止加砂或冲洗。

5.5 顶替液注入

冲洗完毕后，开始注入顶替液，注入压力初步定为15～18MPa，以便使孔内残留的砂粒进入到压开的煤体裂缝中，不至于堵孔影响后期的抽采效果。注入液量为2～3m3。

5.6 洗孔

顶替液注入后，关闭井口，等到煤层压力缓慢释放后，用1～2MPa的高压水利用压裂孔进行洗孔作业。待只有少量煤粒或砂粒排出时停止洗孔，一般洗孔时间为5～8min。

5.7 排水

因在底板预抽巷所施工的压裂钻孔均为仰角孔，高压水可自煤孔中自由流出，需做好压裂孔所在区域的排水工作，必要时可施工专用排水渠进行排水。

5.8 数据录入

对压裂过程中的每一阶段，严格记录压裂泵排出压力、流量、液量、砂量、砂比、时间等数据，并填写在专门的记录表格内。

6 压裂结束

6.1 压裂后观测及参数测试

压裂之后测试与压裂前相对应的瓦斯参数，同时观测压裂后压裂孔左右100m巷道的形貌，尤其是较为发育的构造附近及煤体裂缝发育地带，观测煤壁是否有出水、巷道变形等情况。并与压裂前对比，初步确定压裂效果及压裂半径。如果需考察压裂半径，则在压裂范围区域内施工钻孔进行测试，比较压裂前的瓦斯参数，从而较为准确的确定压裂半径。

6.2 封孔联管抽采

压裂时若为胶囊封孔则需取出胶囊后按已有抽采钻孔封孔方式进行封孔，确保封孔合格，之后接入抽采管路进行抽采。同时在孔口抽采管上留有相应的接口可进行抽采浓度、流量等参数的测试；如果为水泥砂浆封孔，则通过变径接头接入已有抽采管路进行抽采。

6.3 抽采参数测试

详细记录压裂钻孔联管抽采之后的瓦斯浓度、抽采负压、抽采流量等相关抽采参数，对比相近区域未压裂钻孔的抽采情况，考察抽采效果。通过考察不同压裂钻孔的抽采情况，最终实现压裂参数与抽采效果的定性及定量化表达，为日后的压裂提供指导。