重复水力压裂技术在深井低透气性煤层中的应用

李喜员，孙 朋，王玉杰，唐建平，吕伟伟

(1.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000；2.中国平煤神马集团煤炭开采利用研究院瓦斯研究所，河南 平顶山 467000；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；4.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

瓦斯灾害是我国井下煤矿开采的主要灾害之一，采前预抽是解决瓦斯涌出超限的根本方法[1]。但我国的井下煤层渗透率普遍低于其他主要产煤国家，大多数煤层需要采取一定的增渗措施才能保证瓦斯抽采工作的进行，而水力压裂技术因其增透范围大、效果显著而普遍应用于各大井下煤矿[2-3]。渗透率是决定煤层瓦斯抽采效率的关键因素之一，随着煤矿开采深度的不断加大，煤层渗透率普遍降低，同时地应力及瓦斯含量亦同时增大。目前对于深井水力压裂存在的主要问题是当煤层停止进行压裂时，由于井下应力过大导致发生裂缝闭合现象，进而影响瓦斯的抽采效果，煤层裂缝的导流能力是瓦斯抽采难易程度的关键因素之一[4-6]。为了解决这一问题，在参考地面油气井重复水力压裂的基础上，阐述了井下重复水力压裂技术的原理。同时在十二矿己15-31040工作面煤层进行底抽巷重复水力压裂试验，考察重复水力压裂后的应用效果，为在相似条件下进行重复水力压裂提供技术支持。

1 重复水力压裂技术原理

利用高压泵产生一定的压力将液体注入到煤层中，在煤层内部产生一定的张应力，当张应力达到煤层本身破裂所需要的力后，煤层开始在其最薄弱的地方损伤，缝隙开始延伸，形成裂缝网络系统，通过改变煤的内部结构，使煤层的渗透率得以改善，进而提升瓦斯抽采效率[7-9]。

重复水力压裂是指在一次压裂完成之后，在同一个压裂钻孔以原先工艺进行二次或者二次以上的水力压裂。一次压裂时，一定量液态水在高压泵的作用下形成高压，通过高压管注入到煤层之中，压裂孔内压力迅速攀升，当注入的高压液态水达到煤层起裂压力时，在煤层形成缝隙[10-12]。当高压水持续不断注入时，高压液态水将会沿着这些形成的裂缝向前延伸。随着距离的延长，形成新裂缝的阻力也相应地增大。当到达一定程度时，压裂影响范围内的水达到了饱和，水力压裂增透范围将限定在这一区域内，将不会形成新的裂缝，继续注入高压水失去了意义。由于井下空间受限，一次压裂高压水相对较少，尤其对于千米深井，增透范围较小；再次在形成新的裂缝，应力得到了部分释放，而且在不同位置形成缝隙的差异会导致裂缝释放程度不同，容易造成压裂缝隙再次闭合的现象。在一次压裂完成之后，进行再次压裂不仅可以延伸原先裂缝，而且促进新裂缝的形成，进而扩大水力压裂增透范围[13-14]。

根据最小应力原理[15-16]，当煤层进行重复水力压裂后，裂缝的延伸方式仍然取决于煤储层的应力状态，第一次形成的压裂裂缝、气水两相流体压力的变化及煤储层弹性应力等都会变成新的诱导应力，它们的综合作用结果决定了煤层进行再一次水力压裂后裂缝的伸展规律。因此，当在压裂孔进行再一次水力压裂时，压裂孔附近可以改变裂缝方位，但是距压裂孔一定距离后，裂缝仍然沿着原来的方向扩展[17]。

2 十二矿己15-31040工作面煤层重复水力压裂试验

2.1 十二矿地质概况

平顶山天安煤业股份有限公司十二矿(以下简称“十二矿”)始建于1958年，位于平顶山矿区东部，距市区7.5 km，行政区划属平顶山市东高皇乡。矿井井田南北长约5 km，东西宽约3 km，井田面积15 km2。井田内批准开采煤层为己组和庚组，主采的己15煤层、己16-17煤层透气性低，抽采效果差，抽采达标时间长，造成矿井采掘接替紧张，严重制约了矿井的安全生产。己15-31040工作面位于矿井西翼三水平上部，东邻北山工业广场保护煤柱，南邻己15-31020工作面，西邻十矿和十二矿边界线，北部为未开采区域。工作面标高在-678～-715 m之间，地面标高为290 m左右，垂深928～977 m。工作面倾斜长度为215 m，可采走向长度725 m，平均煤厚3.3 m，煤层平均倾角10°。根据测定结果得出己15煤层平均原始瓦斯含量在10 m3/t左右，平均原始瓦斯压力在3 MPa左右，说明该区域煤层整体属于高瓦斯区段[18]。

2.2 十二矿井下重复水力压裂工艺流程及参数设计

井下重复水力压裂的工艺流程如图1所示。

图1 重复水力压裂工艺流程图

对于特殊煤层，为了增强压裂效果，可设计添加适当比例表面活性剂、阻燃剂，随同压裂液压入压裂孔。根据十二矿项目试验条件，本次试验不要求添加活性剂与阻燃剂。穿层水力压裂注水量V计算见式(1)和式(2)。

V煤层=π(R-r)2Hφ

(1)

V=V煤层+KV管

(2)

式中：R为预计压裂半径，此次取30 m；r为孔眼半径，m；H为煤层厚度，m；φ为孔隙度，%。

经初步计算得到十二矿煤层首次单孔总注水量为80～100 m3，现场压裂时根据现场实际情况随时调整注水量。

在压裂中压裂泵的泵注压力Pw计算见式(3)。

Pw=Pk-PH+Pr+Pf

(3)

式中：Pw为泵注压力，MPa；Pk为煤层起裂压力，MPa；PH为高程损失压力，MPa；Pr为局部压力损失，MPa；Pf为沿程压力损失，MPa。

根据式(3)计算得到十二矿水力压裂煤层起裂压力为20～25 MPa，泵注压力为25～30 MPa。

2.3 压裂钻孔布置

分别在己15-31040进风巷低位瓦斯治理巷内共布置2个压裂钻孔，钻孔间距100 m，设计孔深22 m，钻孔倾角为31°，1#压裂钻孔施工完成后，检验钻孔是否按照设计参数施工，验孔完成后采用多次注浆封孔工艺进行压裂孔封孔，封孔完成后待水泥浆凝固48 h后方可进行高压水力压裂试验。根据试验区域的地质条件本次压裂采用少量多次的注水方式，2#压裂钻孔采取一次压裂方式，钻孔工程量140 m，其中，岩孔116 m，煤孔24 m，设计孔径94 mm，封孔长度不小于15.4 m，为保证压裂安全要求对岩孔段进行全程封孔，为更好地记录压裂过程并考察压裂效果，各孔布置如图2所示。该区域水力压裂后进行己15煤层及邻近己16-17煤层水力压裂效果考察，1#压裂钻孔沿煤层走向方向孔间距为5 m设计了1-1～1-8共8个考察钻孔，为了防止两个压裂孔之间相互影响，1#压裂钻孔与2#压裂钻孔设置于边缘位置，2#压裂钻孔同样沿煤层走向方向孔间距为5 m设计了2-1～2-8共8个考察钻孔，分别测定压裂前和压后瓦斯含量和范围内的含水率。各压裂孔情况见表1。

泵组组装且调试完成后，连接长×宽×高(3 m×2 m×1.7 m)水箱、1级水流量计、Φ51 mm高压管路、60 MPa压力表等设备，连接示意图见图3。

图2 压裂钻孔平面布置图

表1 各压裂钻孔布置情况表

图3 设备及管路连接示意图

2.4 水力压裂过程

1#压裂钻孔注水压力为25～30 MPa，按照常规的压裂方式进行。己15-31040工作面并未出现瓦斯浓度超限，而且顶板亦无出现漏水现象，整个压裂过程保持3 h。2#压裂钻孔注水量为80 m3，而1#压裂钻孔采用总注水量相同，分3次压裂的工艺进行，首次注水量为30 m3，第二次注水量为30 m3，第三次注水量为20 m3，累计注水量亦为80 m3，每次压裂持续时间均为1 h，注水压力25～30 MPa。详细的施工参数见表2。

表2 己15-31040工作面煤层重复水力压裂施工参数

图4 重复压裂保压压力随时间变化曲线图

通过统计分析一次压裂、二次压裂、三次压裂1 h 后保压的压力变化情况得出：三次压裂后保压压力均随保压时间呈前20 min迅速降低而后缓慢降低随后逐渐趋于平缓，并且后期保压压力均有反弹现象；随着压裂次数的增加从初始到稳定后的保压压力逐步升高。这是因为压裂结束后在压裂水逐渐向煤体中渗透扩展过程中，为克服裂隙壁阻力、液体粘滞力、部分瓦斯压力和地应力导致部分压损，保压压力整体呈逐渐下降的趋势；随着压裂次数的增加压裂有效影响范围也随之增加，在压损增加的前提下为保证压裂水沿煤体中足够的渗透扩展，保压压力随着压裂次数的增加整体呈增加的趋势。

根据石油行业重复压裂的复压理论：复压的最佳时间应该是初次缝很长，复压缝进入地区的孔隙压力仍然很高的时期。结合重复压裂后保压的压力变化情况，复压的最佳时间定为70 min以后，一方面由于保压压力在70 min后逐渐趋于稳定，另一方面是由于保压压力在70 min后仍具有较高的压力，此时可保持复压缝扩展地区的孔隙压力仍然较高。最佳的复压时间可保证在沿初次缝基础上复压缝起裂-扩展-延伸，有利于初次缝与复压缝的贯通，可有效保证在压裂有效影响范围内微缝网的形成进而达到增透煤层的效果。

3 己15-31040工作面水力压裂效果考察

结合十二矿试验区域己15-31040工作面及邻近己16-17煤层瓦斯基本参数测定，在一次压裂和重复全部压裂结束并保压2 h后测试己15煤层、己16-17煤层的瓦斯含量、含水率及瓦斯流量，测定数据分布情况见图5～图9。以1#压裂钻孔为中心，沿煤层走向、倾向两个方向对压裂后试验区域瓦斯含量、含水率的变化情况进行如下分析。

水力压裂的效果可以用瓦斯含量来进行表征。使用DGC型瓦斯测定仪直接测定井下瓦斯含量，经过测定，己15-31040工作面瓦斯含量为5.41～12.86 m3/t，平均为8.60 m3/t，压裂后共施工18个考察钻孔现场取样测定了瓦斯含量，如图5所示。 沿煤层走向距1#压裂钻孔45 m范围内共9个钻孔(包含1#压裂钻孔)，测得瓦斯含量为2.88～7.36 m3/t，较原始平均降低4 m3/t左右，2#压裂钻孔区域煤层原始瓦斯含量为9.63～13.84 m3/t，平均为10.70 m3/t，如图5所示。沿煤层走向距2#压裂钻孔45 m范围内的9个钻孔(包含2#压裂钻孔)，测得瓦斯含量为5.57～9.92 m3/t，较原始平均降低2 m3/t左右，1#压裂钻孔、2#压裂钻孔、考察钻孔的压裂后的含水率如图8所示。对比两种不同的压裂工艺，在总注水量相同的情况下，在深部煤层中重复水力压裂的压裂效果较好。

与原始区域相比，压裂后抽采钻孔瓦斯含量下降明显，同时在总注水量一样的前提下，1#压裂钻孔经过多次重复压裂施工工艺后，有效地防止了深部煤层因为应力过大而出现裂隙闭合的情况，并且进一步沟通了煤层裂隙，瓦斯含量的下降量明显多于单次压裂工艺的2#压裂钻孔，压裂驱替瓦斯效果明显，各孔含水率总体上1#压裂钻孔多于2#压裂钻孔，且1#压裂钻孔的瓦斯流量大于2#压裂钻孔，说明在该深井中，重复压裂的施工工艺明显优于单次压裂施工。

图5 1#压裂钻孔己15煤层压裂前后瓦斯含量变化对比图

图6 2#压裂钻孔己15煤层压裂前后 瓦斯含量变化对比图

图7 1#压裂钻孔与2#压裂钻孔压裂之后区域瓦斯含量降低对比图

图8 己15煤层压裂前后含水率变化对比曲线

图9 1#压裂钻孔与2#压裂钻孔压裂之后瓦斯流量对比图

4 结 论

1) 通过理论分析及十二矿己15-31040工作面重复水力压裂现场试验，得出了“少注水，多次压裂”技术的可行性，并在现场应用过程中取得了较好的效果，由此可见，重复水力压裂作为一种新型水力压裂工艺，具有一定研究和应用价值。

2) 在现场实施的重复水力压裂试验表明，在同等条件下，与原始区域及一次压裂相比，煤层经过多次压裂之后瓦斯含量下降较为明显，而且不增加注水量及成本的情况下，重复压裂后煤层瓦斯含量降低幅度高于单次压裂，值得在深部较难进行瓦斯抽采的煤层进行推广使用。

3) 就目前而言，重复水力压裂技术还未形成一套完善的技术评价体系。在现有井下水力压裂的基础上，可结合煤层区域瓦斯含量、地质状况等，研究煤层实施重复水力压裂技术的可行性。