临涣煤矿穿层钻孔水力压裂技术应用研究.pdf

第 4 l 卷 第 1期 20 1 5年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n V0 1 ． 4l NO ． 1 J a n ．2 O 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 1 0 0 6 7 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n 。 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 7 蒋乾， 张瑞林． 临涣煤矿穿层钻孔水力压裂技术应用研究[ 刀． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 6 7 7 O ． 临涣煤矿穿层钻孔水力压裂技术应用研究 蒋乾 ， 张瑞林 1 ． 河南理工大学 安全科学与工程学院 ， 河南 焦作4 5 4 0 0 0 ； 2 ． 河 南工 程学 院 安 全工 程学 院 ， 河 南 郑 州4 5 1 1 9 1 摘 要 针 对 临涣煤 矿存 在 瓦斯抽 采 率低 、 打 钻数 量过 多且 瓦斯 抽 采周 期 短 的 问题 ， 提 出 了采 用 穿层钻 孔 实施 水 力压 裂 工艺的 方 法 。实验 结果表 明 ， 临涣煤 矿 实验 区瓦斯 标 况纯 量 平 均提 高 了 1 9倍 ， 瓦 斯抽 采 周期 延 长 了 3倍 多 ， 说 明此 次井 下水 力压 裂 实验基 本形 成 了适 用于 临涣煤 矿矿 井 的 穿层 钻孔 水 力压 裂工 艺 ， 该 煤 矿 适 宜通 过 水 力压 裂卸 压增透 ， 减 少打钻 钻孔数 量 。 关键 词 穿层 ；水 力压 裂 ；瞬 变 电磁 仪 ；卸压增 透 ；瓦斯抽 采 中图分 类号 TD 7 1 3 ． 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 1 0 5 1 6 3 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 O 1 5 O 1 O 5 ． 1 6 3 8 ． O 1 7 ． h t ml Ap pl i c a t i o n r e s e a r c h o f bo r e ho l e h y d r a u l i c f r a c t u r i n g t e c hn o l o gy f o r Li n hu a n Co a l M i n e J I ANG Qi a n ， ZHANG Ru i l i n 。 1 ． S c h o o l o f S e c u r i t y S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，He n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y，J i a o z u o 4 5 4 0 0 0，Ch i n a 2． Sc ho o l o f Sa f e t y Eng i ne e r i ng，H e n a n I ns t i t u t e o f Engi ne e r i ng，Zhe n gz ho u 45 1 1 91，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr ob l e ms of l o w r a t e of ga s e xt r a c t i o n，t o o m a n y dr i l l i ng a nd s h or t pe r i o d o f g a s e xt r a c t i o n i n Li nhu a n Coa l M i ne，a m e t ho d us i n g bo r e h ol e t o i mpl e me n t hyd r a u l i c f r a c t u r i ng t e c hn ol og y wa s pu t f or wa r d．The e xp e r i m e nt al r e s ul t s s ho w t h a t ga s s t a nd a r d c on di t i o ns a v e r a g e s c a l a r wa s i mpr o v e d 1 9 t i m e s i n e xpe r i m e nt a l a r e a of Li nhu a n Co a l M i ne，g a s e x t r a c t i o n c y c l e wa s e xt e nd e d m o r e t ha n 3 t i me s， i t i ndi c a t e d t ha t t he hy d r a ul i c f r a c t u r i ng t e s t f or ms b or e ho l e hy dr a u l i c f r a c t ur i n g t e c hn ol og y a pp l i c a b l e t o Li nhu a n Co a l M i ne．Li nhu a n Co a 1 M i ne i s s u i t e d t o us e hy dr a ul i c f r a c t ur i n g t o r e a l i z e p r e s s ur e r e l i e f a nt i r e f l e c t i o n a nd r e du c i n g dr i l l i ng ho l e a m o unt ． Ke y wo r d s b or e h ol e i n c oa l s e a m ；hy dr a u l i c f r a c t u r i ng；t r a ns i e n t e l e c t r o m a gn e t i c i ns t r ume n t；pr e s s u r e r e l i e f a nt i r e f l e c t i o n；ga s e x t r a c t i o n 0 引 言 在 我 国 ， 9 5 的突 出和 高 瓦 斯 矿 井 的 煤 层 开 采 属于低透气性煤层 ， 透气性系数在 1 O～1 0 mD 的数 量级 上 ， 也 由此造 成煤 矿 瓦斯抽 采 困难 ， 严重 威 胁 了煤 矿 的安 全生 产口 ] 。由此可 见 ， 提高 煤层 瓦 斯 抽采效果的难点就是提高煤层 的透气性， 这也是解 决 煤 矿瓦 斯 问题 的重 中之 重 。提高 煤层 透气 性 的方 法 有 成本 低 、 效 率 高 但 适 宜 条 件 复杂 的开 采 保 护 层 技 术 ， 安 全无 污 染 、 可 湿润 煤体但 实 施条 件复 杂且效 率低的水力割缝技术 、 效率高但操作复杂、 易产生有 害气体 且 比较危 险 的深孔 松 动爆破 技术 等 。 当今的煤炭科学技术在水力压裂方面的研究还 不 是很 深入 ， 主要 以 现场 应 用 中裂 缝 扩展 技术 研 究 为主 。对 于在煤 层 中通过 水力 压 裂措施 来提 高煤 层 透气性从而提高瓦斯抽采效果 的研究仍处 于尝试 阶段 。 临涣 煤矿煤 层 透气性 系数低 ， 瓦斯 抽采 效果 差 ， 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 - 0 8 ； 修回 日期 2 0 1 4 1 1 - ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科 学基金项 目 5 1 1 7 4 0 8 2 ； 河 南工程 学院博 士基金项 目 D 2 0 1 3 0 1 8 。 作者简 介 蒋 乾 1 9 8 8 一 ， 男 ， 河南 永城人 ， 硕士研究 生， 研究方 向为瓦斯灾 害防治理论与技术 ， E ma i l 8 4 2 2 7 0 3 8 0 q q ． c o m。 6 8 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 井下钻孔打孑 L 数量多且 抽采影响周期短 ， 严重制约 了煤矿 安 全 生 产 和 区 域 防 突 效 果 。为 解 决 这 些 问 题 ， 决 定选 用受 采 掘 工 作 影 响 较 小 的 I 1 3采 区 回风 大巷 做现场 应用 研究 。通 过穿 层钻 孔水 力压 裂技 术 实现 9煤层 9 1 3 4工 作 面 开 采 范 围 和 掘进 煤 巷 条 带 的煤 岩卸 压 ， 并 有效 增加 其煤层 瓦斯透气 性 ， 从而 强 化 区域煤 层瓦 斯预 抽 效 果 ； 同时 为煤 巷 掘进 和 工 作 面 回采作 掩护 ， 也希 望 这 能 使 7 ， 8煤 层 的对 应 范 围 实现一定的煤岩卸压 ， 以期超前抽采 9煤层及其邻 近层 的卸 压 瓦斯 。 l水 力压裂 原理 分析 高 压水 注 入 煤层 中分 2种 情况 ， 一 种 是 注 进具 有 弹性 的原生 结 构 煤 和碎 裂 煤 中 ， 一 种 是 注 进具 有 弹性 的碎粒煤 和糜棱煤 中 。碎粒 煤 和糜棱 煤都 属 于 塑性 煤 。高 压水 在 注入 具 有 弹性 的煤 体 中 时 ， 主要 受煤 体 的 弹性 作 用和 弱 面支撑作 用 影响 。而 在注入 塑性 煤 体过 程 中 ， 由于塑性 煤体 颗粒 的流 动 ， 极易造 成 裂 隙前端 的 封堵 。与此 同 时 ， 塑性 煤 体 受 封 堵 和 水 力压 实 的双重 作 用 ， 在 新 形 成 的裂 隙壁 上 会 形 成 一 层压 实带 ， 在 此处 瓦斯将 更难 导 出 ， 从 而导 致压 裂 受 影 响 ， 不适 用 于水力 压 裂l 5 ] 。 临涣 煤矿 煤 体 类 型 主要 以碎 裂煤 为 主 ， 根 据 井 下 的实 际条 件及 适 用 压 裂 的情 况 ， 本 次 压 裂 实 验 采 用 水力 压裂 技术 ， 将 压裂 钻孔施 工 至煤层 顶 板 ， 以研 究 压裂 工艺 的适 用情 况 。 2压 裂地 点及 钻孔 设计 因为 煤 矿井 下 煤 岩 层 出现 渗 水 现象 ， 本次 实 验 中压裂 孔 的封孔 工艺 采 用高分 子 反应材 料 马丽散 封 堵 ， 利用气动注浆泵双液注浆。为达到最大压裂效 果 ， 使 封孔 深度 到 达 9煤层 下方 即可 。同 时将 压 裂 注 水 管作 为后 续 的瓦斯 抽采 管 ， 达 到 “ 一 管 多用 ”的 目的 ， 以节省材料 ， 降低成本 ， 优化实验步骤 。 2 ． 1 试 验 地 点 根据 临涣煤矿开拓生产设计及瓦斯治理计划 ， 确定在临涣煤矿 9煤层 I 1 3 采区 回风大巷 中进行顶 板 水 力压 裂 实 验 。压 裂 点 位 于 I 1 3采 区 泵 房 口右 5 0 m 的I 1 3 采 区 回风 大巷 内 。 2 ． 2 钻 孔 设 计 在压 裂钻 场 内垂 直于 I 1 3采 区 回风 大 巷 中线 同 时朝着 9煤 层方 向施 工一 个 压 裂 孔 ， 为 2号 压 裂 孔 1 号孔有其他用途故此命名为 2号压裂孔 。本 次 实 验 的主要 目的是 对 9煤层 及 其 围岩 的 瓦斯 实施 强 化 预抽 和卸 压增 透 。由该 区域 地层综 合 柱状 图 中反 映的 9煤层 及其 邻 近层 的赋存 特 征 可 知 ，8煤层 直 接 顶 的细砂 岩层 是 细粒 结 构 ， 有 致 密 的硅 质 胶 结 和 层 问夹 泥岩 薄层 且 具水 平层 理 ， 所 以可 以作 为 上 部 条 件 良好 的封 闭层 ， 以阻 止高压 水 向顶部 过度 滤失 。 为防 止高压 水顺 着 煤 岩 层 过度 滤 失 ， 本 次 实 验 决 定 分 别 沿巷道 走 向方 向在 2号 压 裂 钻 孔 两 侧 各 5 0 m 的地 点施工 一 组煤岩 原 始裂 隙 封堵 钻 孔 图 1 。每 组 3 个 封堵 钻 孔沿 煤 层 倾 斜 方 向呈 扇 形 分 布 ， 见 煤 9煤层 点 相距 1 0 m； 每 个 钻孔 终 孔 位 置距 离 8煤 层顶 板 约3 ． 0 m， 封 孔 深 度 为 2 0 m， 之 后 高 压 2 0 MP a 注入 水 泥 浆 封堵 钻 孔 周 围煤 岩 中 的原 始裂 隙 ， 3个 钻 孔 基 本 可形 成 一 面 沿 倾 向控 制范 围 约 4 0 m 的扇 形 密 闭 墙 ， 以 此 防 止 沿 走 向上 高 压 水 顺煤 岩层 的过 度 滤失 。 8煤层 9煤层 风大巷 图 1 煤岩原始裂隙封堵钻孑 L 2 号 压裂 钻孑 L 终孔 位置 距 9煤 层顶 板约 0 ． 5 m； 封 孔位 置距 9 煤 层底 板 O ． 5 m。煤层 倾 角为 3 8 。 ， 方 位 角 为 3 3 3 。 ， 钻 孔 深 度 为 6 3 ． 2 m， 钻 孑 L 直 径 为 9 4 mm， 封 孑 L 深 度 为 5 8 I T I 。 3压 裂数 据分 析 压裂有 效 时 间为 2 h ， 总注入 水 量为 6 9 ． 4 8 1T I 。 。 图 2为压 裂瞬 时流量 数 据 。 4 00 3 0 0 磐 o o 基1 0 0 O 6 1 2 1 8 2 4 3 0 3 6 4 2 4 8 5 4 6 O 6 6 7 2 7 8 8 4 9 O 9 6l 0 2l O 8 1 1 41 2 0 时间／ mi n 图 2压 裂 瞬 时 流 量 数 据 图 3为 压裂 瞬 时压 力 数 据 。在 压 裂 开 始后 ， 注 水 压力 一 直持续 升 高 ， 在 1 5 mi n后 注水压 力 达到此 7 O 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 与沿 钻 孔延伸 方 向 一6 0 r n交 叉 处 。在 钻 孔 距 孔 口 5 8 ． 6 m 处 见 9煤 层 ， 煤 层 厚 度 为 2 ． 2 m， 封 孔 深 度 为 5 8 ． 5 m， 终孔深 度 为 6 3 ． 2 m。 对 比图 5 、 图 6可 知 ， 压 裂 后 沿 巷 道 走 向方 向 1 2 0 r n处 相 对含 水 性 开 始逐 渐 增 强 ， 并 渐 渐 与压 裂 前 的 相对含 水性 相 同 ， 说 明 压 裂对 此 处 已基 本无 影 响 。故判定 图 6中压 裂点 位置 以右 的压 裂有 效影 响 半 径 为 2 O ～ 3 0 m。 而 在 压 裂 后 沿 巷 道 走 向 方 向 6 0 8 0 m 处 有一 个积 水 区域 ， 在压 裂后 相 对含 水性 值 的大小 和面 积 明显 减 小 。说 明压 裂注 水 沟通 了此 处 的水流 流通 通道 ， 而此 处 往 左 的 相对 含 水 性 没 有 明显 变化 。故 判定 图 6中压裂 点 位置 以左 的压裂 有 效 影 响半 径为 2 O ～4 0 r n 。压 裂 后 沿 钻 孔 延 伸 方 向 一 8 O ～ 一 9 0 m 处 ，相 对 含 水 性 值 明 显 变 小 ， 一 9 0 m 之后 的区域 相 对 含 水 性 值 与 压 裂 前 没 有 明 显变 化 ， 故 判定 图 6中压 裂 点 位 置 以下 的压 裂 有 效 影 响半径 为 2 0 3 0 r n 。压裂 后沿 钻孔 延伸 方 向 0 ～ 一 6 0 m 的区 域相 对 含 水 性 都 明显 增 强 了 。故 判 定 图 6中 压 裂 点 位 置 以 上 的 压 裂 有 效 影 响 半 径 为 6 0 m 。 由此 可见 ， 本 次 实 验研 究 得 到 的 以压 裂 孔 为 中 心 的平均 有效 影 响半径 为 3 5 m。 应 用 瞬变 电磁 仪在 井 下 的探 测 ， 通 过 生 成相 对 含水 性 强弱 变化 图像 能直 观 地 了解 、 掌 握 压 裂泵 注 入 的高压 水沿 巷 道走 向方 向与钻 孔延 伸方 向的流动 方 向和 范 围。通 过此种 方 法一方 面 可 以比较 准确地 分析 、 判 定水 力压 裂 的有 效 影 响半 径 ； 另一 方 面 ， 还 可根 据 高压水 的流动 范 围和水 量大 小 ， 及 时调 整 、 优 化水 力 压裂 技术 工艺 ， 为 改善 、 提高 水力压 裂 卸压增 透效 果 提供参 考 和依 据 。 4 ． 2 抽 采 参数 对 比 临 涣煤 矿水 力压 裂抽 采数 据 的对 比主要 是对压 裂 条件 与未 压裂 条件 下不 同数 据 的对 比 。选 取矿 上 相 同时 期且 不受 压裂 影 响 的 2 1 号 抽采钻 孔 做 比较 ， 以抽采 瓦斯 的标 况 纯 量 作 为对 比依 据 ， 对 比结 果 如 图 7 所 示 。由图 7可知 ， 在考 察周 期 内 ， 临涣 煤矿 水 力 压 裂实 验 的瓦斯 标况 纯 量平 均 为 2 8 5 ． 6 8 L ／ mi n ， 最高 达到 7 2 4 L ／ mi n ， 最终 稳 定 在 3 2 L ／ mi n左 右 。 标况 纯量 比邻 近 的 2 1号抽 采钻孔 增 大 了 1 9倍 。所 以压 裂实 验 的卸压 增透 效果是 非 常 明显 的 。 宕 ● 删 赠 蜷 l 4 7 1 01 31 61 9 2 2 2 5 2 8 3 1 3 4 3 7 4 O4 3 4 6 4 9 5 2 5 5 5 8 6 1 6 4 6 7 天数 图 7瓦斯标况纯量数据 5 结 语 通过井下水力压裂实验研究 ， 引入瞬变 电磁仪 确 定 了临涣 煤矿 水力 压裂 的有 效影 响 半径 为 3 5 I T I 。 水 力 压 裂 后 经 抽 采 的 瓦 斯 平 均 标 况 纯 量 由 1 5 L ／ mi n增 大到 2 8 5 L ／ mi n ， 提 高 了 1 9倍 。无压 裂 条 件 的钻孔 瓦斯 抽 放 周期 很 短 2 4 d后 衰 减 为零 ， 有 压 裂条件 的钻孔 瓦斯抽 放 时 间延 长 ， 在 7 2 d后 依 然抽 采量很 大 ， 时 间延长 了 3 倍 多 ， 且浓 度稳 定 。说 明此 次井 下水 力压 裂实 验基本 形 成 了适 用 于临 涣煤 矿矿 井 的穿层 钻孔 水 力 压 裂 工艺 ， 在 实 际施 工 中可 以应 用此 工艺 先对 煤 岩 层 内 瓦斯 实 施 采 前 预 抽 ， 提 高煤 岩 层 的 卸 压 增 透 效 果 ， 为 煤 矿 安 全 生 产 做 出 贡献 。 参 考 文 献 [ 1 ] 国家发展 和改革 委员会 ， 国家 能源局． 煤层 气 煤 矿瓦 斯 开发利用 十二 五规划 [ R ] ． 北 京 国家 发展 和 改革 委 员会 ， 国家能源局 ， 2 O l 1 1 5 ． [ 2 ] 申宝宏 ， 刘见 中， 赵路 正． 煤矿 区煤层气 产业 化发 展现 状 与前 景[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 6 - l O ． E 3 3 王 国鸿． 水力 压 裂技 术 提 高煤 层 透气 性 研 究及 应 用 E J ] ． 煤矿现代化 ， 2 O l 1 5 2 8 3 0 ． [ 4 ] 蒲举． 水 域瞬 变电磁 法 的研 究 与应 用[ D ] ． 成都 成都 理 工 大 学 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ]谢长虹． 煤矿 井下穿层 钻孔 水力压 裂的现 场应用 研究 [ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 1 0 6 1 0 9 ． [ 6 ] 李文尧 ， 晏冲为 ， 邹振巍 ， 等． 瞬变 电磁仪研究进 展[ J ] ． 云南 大 学 学 报 自然 科 学版 ， 2 0 1 2 ， 3 4 增 刊 2 2 3 3 2 4】 ． 咖咖咖 咖0