高压水力压裂技术在突出煤层井下应用分析

摘 要：针对平顶山矿区单一低渗透突出煤层透气性差、钻孔瓦斯抽放难的特性，研究分析了井下高压水力压裂钻孔壁四周应力分布、裂缝启裂机理。在压裂过程中，结合井下特殊生产环境的要求，优化设计清水重复压裂施工工艺，有效改善了压裂目标层的透气性能，使其钻孔瓦斯抽放流量成倍增加，增透效果明显。

关键词：高压水力压裂 低渗透性 煤与瓦斯突出 清水重复压裂

水力压裂技术是改造低渗透油、气储层使其达到工业性开采的经济有效的手段之一。20世纪70年代，该技术被引入到美国圣胡安盆地的煤层气开采中，取得了显著的效果，随后逐渐发展为煤层气储层改性的首选技术。同期国内一些煤矿（如抚顺龙风矿、湖南白沙红卫矿和里王庙矿、焦作中马村矿）也先后进行了水力压裂试验工作。目前水力压裂技术与其它学科交叉、渗透，建立了新的压裂与开发的理念和方法，由过去简单的水力压裂发展到当前的控制压裂，是广泛应用于改造低渗透石油、天然气、煤储层的常规技术。

平顶山矿区是我国重要的煤炭生产基地之一，矿区煤层瓦斯地质赋存条件复杂，瓦斯含量高，瓦斯压力大，煤层透气性差，是国内煤矿瓦斯灾害威胁最严重的矿区之一。由于矿区单一低渗透突出煤层分布广泛，瓦斯抽采难度很大。

近年来，为了有效改善单一低渗透突出煤层的渗透性，水力压裂增透技术也被引进到突出矿井的瓦斯治理工作中，已先后在矿区多对突出矿井进行了井下实验，取得了初步效果。本文综合分析平煤股份十二矿井下高压水力压裂技术的应用情况，期望在突出矿井的井下高压水力压裂技术研究工作方面进行有益探索。

一、试验地点概况

平煤股份十二矿己15-17200综采工作面位于矿井己七采区中部。工作面倾斜长度为230m，可采走向长度750m，可采储量73万t，煤厚3～3.5m，煤层容重1.31t/m3，煤层倾角15～30°，工作面煤层瓦斯压力2.85MPa、瓦斯含量20.3m3/t，属于严重突出危险工作面。

二、井下高压水力压裂技术应用

根据己15-17200综采工作面煤层瓦斯压力大、含量高、煤层透气性差的实际情况，为有效提高钻孔瓦斯抽采效果，经过对比分析确定采用井下高压水力压裂技术，最大限度提高煤层透气性，提高钻孔瓦斯的抽采能力。

1.压裂钻孔孔壁应力状态计算分析

水力压裂过程是流体与外力共同作用下，煤（岩）体内部裂隙（缝）启裂、延伸的过程。为简化分析，将煤层视为各向同性弹性材料，计算分析煤层在水压作用、地应力综合作用下的应力变化情况。

水力压裂过程中，钻孔内裂隙（缝）启裂前的孔壁四周应力分布由原始地应力场和孔内流体压力所构成，压裂孔周围应力状态可按照下图1进行分析计算。

图1 压裂孔壁四周应力分布计算图

依据弹性力学、叠加理论知识分析，压裂钻孔在水压和地应力综合作用下孔壁启裂压力最小临界值依下式计算：

式中：Rt煤抗拉强度MPa

侧压系数

H 埋深，n为常数、取0.3～0.5。

矿井突出煤层采深均在1500m以浅，侧压力系数 大于1，在计算原岩应力时中引入地层应力系数k。

2.压裂钻孔裂缝启裂压力计算分析

井下高压水力压裂试验小组在现场测取煤样及应力参数，经实验室分析计算出各参数如下表1。

表1 启裂压力计算中参数取值

依据压裂裂缝启裂压力临界值计算公式和表中各参数，计算出裂缝启裂压力临界值为22.82Mpa。

3.高压水力压裂设备布置

井下高压水力压裂设备由注水泵、水箱、压力表、专用封孔器、压裂埋管等组成，如下图2示。

图2 井下水力压裂系统布置示意图

4.压裂钻孔布置

在己15-17200运输巷上帮沿煤层倾向施工本煤层顺层水力压裂钻孔，压裂钻孔设计孔径89mm、孔深80m、孔间距为20m，采用水泥浆封孔、封孔段长度35～40m。

5.压裂工艺

5.1压力控制

现场实验表明，己15突出煤层松软，注水压力达18.0～20.0MPa时，煤层裂隙发生启裂并延伸。根据井下高压泵工作能力及生产环境要求，起始压力设定为15MPa，每次调压幅度不大于5 MPa，最高额定压力为25MPa。

5.2压裂时间控制

注水时间根据压裂过程中压力、流量的变化确定：压力下降幅度大于30%，持续加压时压力无明显上升，流量偏大；压裂孔及检验孔附近有水渗出。以此为标准控制压裂时间。

5.3清水重复压裂工艺

由于突出煤层较松软、煤的强度及坚固系数小，常规支撑剂强度及硬度高，支撑剂易嵌进煤层中，压裂后裂缝易闭合，难以发挥固缝作用。

现场进行多次对比实验后，优化设计了清水重复压裂工艺。首次压裂以造缝、沟通煤层裂隙网络为主；当钻孔瓦斯抽采浓度降低到5%以下时，进行重复压裂，压力控制在12.0～18.0MPa之间。

重复压裂的主要功能：疏通裂缝、携运瓦斯；增加煤层水分、降低煤尘；增加煤层弹塑性、提高煤层抗突能力。

三、应用效果分析

目标层在高压水作用下，内部裂隙启裂、延伸至相互贯通，在压裂区域内形成畅通的瓦斯通道，钻孔瓦斯抽放流量和浓度都有大幅度提高。

首次压裂后，现场实测钻孔日平均瓦斯抽放流量增加3.5倍、瓦斯抽采衰减周期由原来的7天左右延长到15天以上。

以3＃检验孔为例，压裂前后15天内瓦斯抽放流量随时间变化曲线如下图3示。

图3 3＃检验孔压裂前后瓦斯流量变化曲线图

由于压裂钻孔多采用水泥浆封孔，满足了清水重复压裂的工艺要求，单孔重复压裂次数一般为3～6次，钻孔瓦斯有效抽采时间增加幅度多达2～3个月。

四、结论

1.软煤层压裂裂缝启裂压力较小，瓦斯抽放流量衰减快，主要原因是软煤层无合适的支撑剂固缝、裂缝闭合较快。实验证明，清水重复压裂工艺是克服以上局限性的有效技术手段之一。

2.对于单一低透气性突出煤层，采用水力压裂技术，可以显著提高瓦斯抽采效果。

3.突出煤层的渗透性是有限的、多为构造煤，煤层渗透率受应力作用递减幅度大，从而限制了高压水力压裂技术的应用。研究适应于突出煤层结构特性的高压水力技术是进一步推进该技术在突出矿井发展的关键。

参考文献

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[3] 程平远 等.煤矿瓦斯防治理论与工程应用. [M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[4] 张福旺，张国枢，《矿井瓦斯灾害防控体系》中国矿业大学出版社，2009.8.

作者简介：仝艳军（1982-），男，工程师，中国平煤神马集团能源化工研究院瓦斯所，从事地质研究工作。