低透气性煤层水力压裂增透技术应用.pdf

2 0 1 2年第 1期 煤炭 工程 低透气性煤层水力压裂增透技术应用 李全贵 ，翟 成 ，林柏泉 ，张萌博 ，李贤忠 ，倪冠华 1 ．煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州 江苏2 2 1 1 1 6 2 ．中国矿业大学 安全工程学 院，徐州 江苏2 2 1 1 1 6 摘 要 针对低透气性煤层 瓦斯抽 采效率低 、钻孔施工量大等问题 ，提 出了水力压裂增透技 术，研 究了水力压裂增透机理。分析 了水力压裂提 高煤层透 气性的过程，确定 了设备仪 器与压裂 X - 艺参数 ，完成 了高压钻孔 密封与现场水力压裂，并对瓦斯抽果效果和煤层透气性 系数变化进行 了考察。结果显示实施水力压裂后 ，瓦斯抽采量提高了7 ． 2倍 ，水力压裂影响区域 内煤层透 气 性系数提高了7 9～ 2 7 2倍 ，达到 了增大煤层透 气性 ，提高瓦斯抽采效率的 目的。 关键词 低透气性煤层 ；水力压裂；瓦斯抽采；增透技术 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 1 - 0 0 3 1 4 Ap pl i c a t i o n o f Hy dr a u l i c Fr a c t u r i n g a nd Pe r me a b i l i t y I mp r o v e me nt T e c h n o l o g y t o Lo w P e r me a b i l i t y S e a m L I Q u a ng u i ’ 一，Z HA I C h e n g ，I ,I N B a i q u a rt ，Z HA N G M e n g b o ，L i X i a nz h o n g ’ 一，N I G u a nh u a t 1 ． N a t i o n a l K e y L a b o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e t y Mi n i n g ，X u z h o u 2 2 l 1 1 6 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f S a f e t y E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e l o w g a s d r a i n a g e e ffic i e n c y o f t h e l o w p e r me a b i l i t y s e a m ， h i g h c o n s t r u c t i o n l o a d o f t h e b o r e h o l e s a n d o t h e r p r o b l e ms ， a h y d r a u l i c f r a c t u r i n g a n d p e rm e a b i l i t y i mp r o v e me n t t e c h n o l o g y w a s p r o v i d e d ． T h e h y d r a u l i c f r a c t u rin g a n d p e n n e a b i l i t y i mp r o v e me n t me c h a n i s m wa s s t u d i e d ． T h e p r o c e s s o f t h e h y d r a u l i c f r a c t u ri n g t o i mp r o v e t h e p e rm e a b i l i t y o f t h e s e a m w a s a n a l y z e d ． T h e p a r a r t i e t e r s o f t h e e q u i p me n t i n s t rume n t a n d f r a c t u ri n g w e r e d e t e rm i n e d ． T h e h i g h p r e s s u r e b o r e h o l e s e a l i n g a n d t h e s i t e h y d r a u l i c f r a c t u rin g wa s c o mp l e t e d ． T h e i n v e s t ig a t i o n wa s c o n d u c t e d o n t h e g a s d r a i n a g e e f f e c t a n d t h e s e a m p e r me a b i l i t y c o e ffi c i e n t v a r i a t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t a f t e r t h e h y d r a u l i c f r a c t u ri n g c o mp l e t e d， t h e g a s d r a i n a g e v a l u e w a s i mp r o v e d b y 7 ． 2 t i me s a n d t h e p e r me ab i l i t y c o e f f i c i e n t s o f t h e s e a m w i t h i n t h e h y d r a u l i c f r a c t u rin g i n fl u e n c e a r e a c o ald b e i mp r o v e d b y 7 9 2 7 2 t i me s ． T h u s t h e t a r g e t t o i mp r o v e t h e s e a m p e r me a b i l i t y a n d t o i mp r o v e t h e g a s d r a i n a g e e ffic i e n c y c o u l d b e r e a c h e d ． Ke y wo r d s l o w p e r me ab i l i t y s e a m ； h y d r a u l i c f r a c t u r i n g ； g a s d r a i n a g e ；p e r me ab i l i t y i mp r o v e me n t t e c h n o l o gy 我国煤层瓦斯具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特性， 8 0 ％以上的煤层是高瓦斯低透气性煤层。高瓦斯低透气性 煤层的开采往往伴随着大量瓦斯涌出，特别是随着煤炭生 产 的高效集 约化 和l丌采深度 的增加 ，瓦斯涌 出量越来 越大 ， 瓦斯爆炸和瓦斯突出危险的威胁越来越严重。随着开采深 度 的增加及 地质构 造复 杂化 、煤层 透气性 差 、瓦斯 抽采效 率低 、钻孔施工量大等问题的出现，当前防治煤与瓦斯突 出技术与装备越来越不能满足需要，严重影响了工作面回 采速度及安全生 产。为解 决低 透气性带 来 的瓦斯抽 采 困难 的问题 ，提 出了水力 压裂增 透技术 ，通 过实施 水力 压裂措 施 ，增大煤体透气性 ，扩大钻孑 L 影响半径，提高钻孔瓦斯 抽采效率 ，最终达到消除区域煤与瓦斯突出危险性的目的。 1 水力压裂增透机理分析 井 下水力压 裂增透技术是利用 高压 超过煤层覆盖层 的 岩层压力 、大流量 超 过煤层 的 自然 吸水 速度 的注 水 泵 将水压入到目标煤层，迫使煤层产生并发育裂隙，从而增 大煤层透气性 ，提高瓦斯抽采效果⋯。 当采用水力压裂提高煤层透气性时，高压水对煤层的 结构破坏过程不 同于实验室中单轴压缩条件下破坏过程。 收稿 日期 2 0 1 1 0 21 5 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 2 0 1 1 C B 2 0 1 2 0 5 ；国家 自然科学基金青年科学基金 5 0 8 0 4 0 4 8 ；中 国矿业大学青年科研基金 2 0 0 7 A 0 0 3 ；中国博士后科学基金 2 0 0 9 045 0 9 3 0 作者简介李全贵 1 9 8 6一 ，男，河南民权人 ，2 0 0 9年毕业于河南理工大学安全工程专业，现从事矿井瓦斯防治研 究工作。 31 煤炭 工程 2 0 1 2年第 1 期 单轴压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下的破坏， 煤层注水压裂破坏是借助流体水在煤层各种弱面内对弱面 两壁面的支撑作用，使弱面发生张开、扩展和延伸，从而 对煤层形成 内部分 割 这种分 割过 程一方 面通过 弱面 的张 丌和扩展增加 了裂隙等 弱面 的宅问体 积 ，另一方 面通过 裂 隙等 弱面 的延伸增 加 了裂隙之 间的连 通 ，从而 形成一 一 个 相 互交织 的多裂 隙连通 网络 。正是 南于这种 裂隙 连通 网络 的 形成，致使煤层透气性大大提高 ‘ 。 2 水力压裂现场实施 2 ． 1 钻孔设 计 此次水力压裂在大兴煤矿正在开采的 S v 7 1 9工作面实 施 ，该lT作 面丁 F 采 72煤层 ，根 据 72煤 层 的实 际赋存 情况及 S v 7 1 9丁作面巷道布置方式 ，提 出了采用本煤层顺 层钻孔 ，在运输巷分 别布 置水力压 裂孔 和瓦斯抽 采孔 ，通 过水力压裂，增大煤体透气性，提高瓦斯抽采效果。水力 压裂孔与瓦斯抽采孑 L 之 间间距 为 l O re，钻 孑 L 布置方式如 图 1 所示 ，钻孔参数见表 】 。 图 1 S v 7 1 9工作面水力压裂钻孑 L 布置平面图 表 1 S v 7 1 9工作面运输巷水力压裂孔及瓦斯抽采孔参数 2 ． 2 钻孑 乙 密{ 十 高质量的钻孔密封是顺利完成水力压裂的保证。结合 该矿封孔经验及文献 [ 5 ] ，确定水力压裂钻孑 L 密封长度为 l 5～1 8 m，瓦斯抽采孔为 l O re。封孔材料 采用 中 矿、 J 大学 研 发的高 压 钻 孔 密 封 P D材 料 。钻 孑 L 密 封 后 4 8 h后 开始 压裂。 2 ． 3设备 与仪 器 井 下水力压裂设备选用矿用乳 化液泵组 ，达 纠高压力 、 大流量、快速压裂煤体的效果。泵组通过 1 高， 胶管 与钻 孔 内压裂管连接 。压 裂管采 用优 质无缝钢 管 ，无缝 钢管 外 径为3 2 ram，内径为2 0 m m，壁厚为6 ra m，每节长为2 m。钢 管压裂段开孔 1 0-f L ／ m 。无缝钢管通过中问接头连接，加 装密封圈 ，保证其密封性 。 耐高压抗震 压力 表分 别 布置在 乳化 液 泵绀 和篱 路 l ， 显示实时压裂压 力。通过 调节 液压先 导式 溢流阀控 制水 力 压裂 中水流量的变 化。矿用耐 高压 流量计 记录进 人煤 体水 量。以上仪器保证 了水力压裂过程中压力、注水最、注水 时 间等重要参数 的读取 。 2 ． 4现 场压 裂 压裂实施前 ，需 要对注 水压 力 、流精 、往水 时 以 搜 压裂结束条件等主要参数进行估算。 1 压裂过程 中注水压 力的变化是压裂进行程 度的直观 反映。注水压力的主要影响因素包括煤层埋深、邻侧抽采 孔 布置间距两 个 因素 。根 据煤 层埋 深及 大 兴矿 压 裂经 验 ， 在 7 2层煤进行水力压裂，抽采孑 L 与压裂孔间距为 l O m 时，注水压力应控制在 1 8 MP a左右 ．． 2 压 裂时间与注水压 力、流量等参数密切相关 往 水 过程 中 ，煤体 被逐 渐 压裂破 坏 ，各 种 孔 裂隙 断沟 通 ， 高压水在 已沟通 的裂隙 问流动 ，注水压 力及流 鞋等 参数不 断发牛 着变化 ，注水 时间根 据注水 过程 中压 力及流毯 的变 化来确定，水力压裂伞过程一般需要 l ～ 3 h左 ． 3 压裂实施 过程 中 ，需连续 录注水压 力和时 『 日 】 ，根 据 现场 实际情 况 ，适时 调整压 裂参数 。表 2 录 _『四个水 力压裂孔现 场情况 最终参 数。根据 钻孔设 汁 ，此 次压 裂孔 与邻侧抽采孑 L 间距为 l O m。当压裂孑 L 邻侧抽采孔 现 高浓 度瓦斯或出水，或者持续注水泵压不再 } 丁 } ，或者i I { 现泵 压大幅回落时， 即停泵，压裂结束。而在压裂孔与邻侧 抽采孑 L 之间的区域既町以认定为水力压裂影响 表 2 水力压裂孔压裂参数表 3 效果考察 现场水力压裂实施完毕 2 4 h后，各压裂孔进行放水， 放至出现气体后，联人抽采管路进行瓦斯抽采。水力压裂 3 2 邻侧抽采孑 L 同时联人管路进行瓦斯抽采 3 ． 1 瓦斯抽 采 浓度及 抽 采流量 变化 水力压裂作为水力化防突措施，其抽采参数随着水的 2 0 1 2年第 1 期 煤炭工程 变化而变化。在煤体深部，水力压裂过后裂隙发育完成， 瓦斯通道形成，在抽采负压的作用下瓦斯陆续 由吸附状态 变成游离状态。随着水的逐渐排出和渗透 ，瓦斯的抽采浓 度和抽采量曲线呈现 “ 高一低一高” 的轨迹。而对于水力 压裂孔影响区，煤体内瓦斯由于受到高压水的驱赶，高浓 度瓦斯会积聚在钻孑 L 内，进行抽采时会出现大流量、高浓 度瓦斯 ，其变化曲线会表现出剧烈的 “ 高～低”变化。水 力压裂孔与邻侧抽采孔瓦斯抽采指标 变化曲线如 图 2所示 ， 由图 2可以看 出 1 4个水力压裂孔联入管路时起始浓度较为平稳 ，分 别为4 ％、4 0 ％、1 5 ％、2 0 ％，随着抽采时间的延续 以及 孔内水分逐渐排出和渗透 ，瓦斯浓度和流量在第 5天、第 7 天、第 1 7天出现回升 ，期问保持平稳 的变化，符合J - 述 “ 高一低一高”变化轨迹。 2 水力压裂影响区抽采孔在抽采之初便现小较高的抽 采浓度 和流量 ，起始浓度分 别为 6 0 ％ 、6 0 ％、8 0 ％ 、8 0 ％ 。 叠 9O 8 0 7 O 6 0 耋 ； 3 O 2 0 l O O 赵 歪 l 3 5 7 9 l l l 3 l 5 1 7 l 9 2l 2 3 25 2 7 2 9 3l 抽采时 J ／ d ㈨水力压裂孔扪聚浓度变化 随着时间延续，抽采孔出现衰减。与水力压裂孔不同的是， 抽采孔在抽采期间变化幅度不大，基本符合 “ 高一低” 的 变化趋势。另外 ，由于两侧均布置有水 力压裂孔，2 、3 抽采孑 L 抽采指标明显好于 1 、4 两个抽采孑 L 3 ． 2 对 比效果分 析 为了分析水力压裂后钻孔抽采效果 ，选择同一巷道其 他位 置的两个普通 抽采 孑 L 进行对 比。两种 钻孑 L 抽 采指标 对 比曲线如 图 3所示 。从图 3可以看 1 普通孔 瓦斯 抽采 时，衰减速度 快 ，衰减 程度严 重 ， 在抽采 4 d后浓度、流量迅速下降，而水力压裂孔在对比观 测的2 0 d内均保持较高水平，且水力压裂孔多次 现浓度、 流量 回升 。 2 在观测的2 0 d内，普通孑 L 最大抽采浓度为4 0 ％，平 均抽采纯 流量为 0 ． 0 2 9 m ／ m i n ，水力压裂钻孑 L 最大抽采浓度 为8 0 ％，平均抽采纯流量为 0 ． 2 1 8 m ／ ra i n 。相对于普通孔， 水力压 裂孑 L 瓦斯抽采量提高 了 7 ． 6 倍 。 f 宴 晕 量 E Ⅲ 瑚 曩 一O ． 6 ．曼O ． 5 噍0 ． 4 要 0 ． 3 趔0 ．2 0 1 毫0 l 3 5 7 9 1 l 1 3 l 5 l 7 l 9 2l 2 3 2 5 2 7 2 9 3t 抽采时 ， d b 水力曜裂孔 采纯流 量变化 l 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 l 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 3l 1 3 5 7 9 J 1 1 3 1 5 1 7 1 9 21 2 3 2 5 2 7 2 9 31 抽采时间， d 抽采时问， d c 压裂影响医扪采孔扪采浓度变化 c I 压裂影响区} lf I 采孔打 I 】 果纯流鼋变化 图2 水力压裂孔与邻侧抽采子 L 瓦斯抽采指标变化 曼 拿 g g 栅 蟋 歪 0 ， 7 0 l 3 5 7 9 1 l 1 3 l 5 1 7 1 9 1 3 5 7 9 l 1 1 3 1 5 1 7 l 9 抽采时问／ d 抽采时f ． ] ／ d a 水 』 压裂孔与普通孔批采浓度变化埘比 b 水 J 压裂孔与皆通孔抽采纯流蕾变化埘比 图3 两种钻孔抽采指标对比 下转第3 6页 3 3 如 踟 加∞ 如 加 如加 0 ∞舳 加 ∞ ∞ ∞ 如 加 0 煤炭工程 2 0 1 2年第 1期 顶部锚索 图 3 巷道支护示意图 n l l n 定 ，保持在 1 5 m m的离层值，说明支护方式和支护参数的 选择很合理．很好的控制了顶板的离层。 2 巷道掘进后高帮的移近量一直呈现递增的趋势， 3 0 0 d后高帮变形稳定，移近量达到 3 2 0 mm。巷道低帮的变 形趋势 与高帮一致 ，最终巷道低帮总的移 近量 是 8 0 ra m。 3 巷道掘进后顶板 移近量最 终稳定 在 4 5 m m，巷道 底 鼓 量很大 ，最 终巷道 的底鼓 量达到 了 3 2 0 ra m，顶 、底变 形 总体 上是 以巷 道底 鼓 为主。巷道 相对位 移 变化 曲线如 图 4 所示 。 7结语 传统的煤锚支护方式 南于支护材料材质，以及预紧力 不足等原因，不适合用于应力集中区的巷道的支护。但是， 量 暑 删 篱 捌 图 4 巷道相对位移变化 曲线 Ⅱ7 ， l 2孤岛一 [ 作面通过采用高强稳定型支护技术，有效的 增加 了巷道 围岩强度 ，提 高 了承载结构 性能 ，巷 道围 岩观 测 表明 ，巷 道顶 、底 板及 两 帮 的变形 得 到 了 良好 的控 制 ， 完全满足回采需要。 参考文献 [ 1 ] 马其华 ，王宜泰． 王家寨煤矿 小煤柱 沿空掘 巷技 术的实践 【 J J ．煤炭工程 ，2 0 0 9， 1 0 2 6 2 8 ． [ 2 ] 盂金锁 ．综放开采 “ 原位 ”沿空 掘巷探讨 [ J ] ．岩石力学 与工程学报 ，1 9 9 9，1 8 2 2 0 5～ 2 0 8 ． 【 3 ] 陈炎光 ，陆土 良．中国煤矿巷 道围岩控制 [ M J ．徐州 中 国矿业 大学 出版社 ，1 9 9 4 ． 【 4 ] 徐永圻．煤 矿开采学 [ M] ．徐州 中国矿 、j 大学 出版社 ， 2 0 0 4． 【 5 ] 钱呜高 ，石平 五．矿 山压力 与岩层控制 [ M] ．徐州 中同 矿、 I 大学出版卒 十 ，2 0 0 3 ． 责任编辑 郭继 圣 、 妒 上接第3 3页 3 ． 3 压裂影响区域煤体透气性 变化 通过压裂前后煤层 透气性 系数测试 分析 ，大 兴矿 7 2 煤层原始透气性系数为0 ． 0 0 3 6～ 0 ． 0 1 2 5 ro d。在实施水力压裂 区域内测定煤层透气性系数，测定结果为 0 ． 9 8 7 5 m D。凶此， 实施水力压裂后该 区域煤体透气性 系数提高 了 7 9～ 2 7 2倍。 4结论 1 通过理论研究分析了水力压裂增透 机理 ，设 计 了水 力压裂孑 L 及邻侧瓦斯抽采孔，完成了高压钻孔密封，确定 了设备仪器与压裂工艺参数，顺利实施了水力压裂，解决 了低透气性煤层瓦斯抽采效率低的问题，达到预期效果。 2 实施水力压裂后 ，水力压裂孑 L 抽采参数变化具有鲜 明的特点水力压裂孔抽采浓度及纯量随着煤体水分变化 而变化，变化曲线为 “ 高一低一高”的轨迹。 3 普通孔瓦斯抽采时衰减速度快 ，衰减程度严重，水 力压裂孔则保持较高的抽采水平。水力压裂钻孔最大抽采 浓度为 8 0 ％，平均抽采纯流量为0 ． 2 1 8 m ／ mi n ，相对于普 3 6 通孔瓦斯抽 采量提 高了 7 ． 6 倍 。 4 实施 水力压裂之后 ，水力压裂影响 域 内 瓦斯抽采 孑 L 保持较高抽采水平 ，煤层透气性系数提高 7 9～ 2 7 2倍。 参考文献 [ 1 ] 湖南省红卫煤矿 ，辽宁省煤炭研究所 ．水力压 裂排放瓦斯防 止突出初步试验 [ J ] ，煤矿安全 ，1 9 7 3， 0 1 l ～l 0 ． [ 2 ] 王培义 ，李宗田 ，季龙华．水平井压裂裂缝形 成机理初探与 应用 [ J j ．石油天然气学报 ，2 0 0 8 ，3 0 1 1 4 8～1 5 0 ． 【 3 ] 姜瑞忠，蒋延学， 汪永利．水力压裂技术的近期发展及展望 [ j ] ．石油钻采工艺， 2 0 0 4 ．2 6 4 5 2～ 5 7 ． [ 4 ] 林柏泉．矿井瓦斯防治理论与技术 第二版[ Mj ．徐州 中国矿业大学 出版{ 叶 ，2 0 1 0 ． 【 5 ] 周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论 [ M] ．北京 煤炭工业出版卒 十，1 9 9 9 ，l 8 2 2 0 52 0 8 [ 6] 周军 民．水力压 裂增透技 术在突 出煤层 中的试验 J ] ．中 同煤层气 ，2 0 0 9 ，6 3 3 4～ 3 9 ． 责任编辑张宝优 O 0 0 0 O O O O 0 0 D 删 啪 姗