定向长钻孔水力压裂技术，促进特厚煤层瓦斯抽采—大佛寺煤矿应用案例

文摘 2024-10-09 22:01 重庆

导

读

我国大部分煤层具有高瓦斯、低渗透性的特征，这不仅会加大煤矿开采的难度，还会使瓦斯灾害更加严重。为实现瓦斯的有效治理，保证煤矿的安全高效生产，井下水力压裂技术因其增透效果好，成为目前煤矿最广泛应用的技术之一。其中，定向长钻孔水力压裂技术可适应性广，且瓦斯治理效果显著，十分值得推广。

前人针对定向长钻孔水力压裂增透技术已然展开大量研究，但针对大区域煤层增透与超前预抽方面的技术难题，仍需进一步研究。因此，进一步分析和优化煤层定向长钻孔分段水力压裂增透工艺技术显得尤为重要。本期推文以大佛寺煤矿瓦斯治理应用为案例，介绍定向长钻孔水力压裂在瓦斯抽采增透应用的实践情况。

矿井概况

大佛寺煤矿主采侏罗纪 4 号煤层，属特厚煤层，井田全区可采。2022 年瓦斯等级鉴定结果为高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为104.81 m³/min，相对瓦斯涌出量为 11.02 m³/t。40103 工作面是401采区东翼布置的第 7 个综放工作面，采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面走向长度1918 m，倾向长度200 m，平均煤厚15 m，4号煤层原始瓦斯含量为3.5～5.9 m³/t。工作面设计运顺、回顺 2 条巷道，沿煤层底板布置。

预计该工作面在掘进过程中各顺槽绝对瓦斯涌出量为 8～12 m³ /min，回采期间瓦斯涌出量为74. 25 m³ /min。常规钻孔抽采效率低、抽采达标周期长，矿井抽掘采接替紧张。

定向长钻孔水力压裂技术优势

技术优势

（1）提高煤层渗透率，改善煤层透气性。高压水力压裂过程中，煤体中原有的大量原生裂隙在高压水介质作用下不断循环起裂和扩展，不仅使原生裂隙的空间体积得到大幅扩展，同时也产生了众多新生裂隙，原生裂隙和新生裂隙的扩展延伸构成了对瓦斯运移十分有利的裂隙网，从而提高了煤层渗透率，促进瓦斯解吸。

（2）改变煤体物理力学性质。一方面，煤体本身蕴含大量弹性能，水力压裂过程中向煤体注入的水提高了煤层的含水率，煤体弹性能降低、塑性增加，减少了煤体突出所需要的能量供给；另一方面改变了煤体的应力分布，水力压裂影响范围内的煤体应力经过高压水的传递实现均匀分布，降低了局部应力集中诱发瓦斯突出的危险性，并且应力集中区域向煤层深部转移。

（3）竞争吸附驱替置换作用。瓦斯的主要成分是甲烷。煤基质对水分子的吸附能力要强于甲烷分子，随着水分不断注入煤体，在水力压裂影响区域内水分子将与煤体孔隙和裂隙中吸附的甲烷分子发生竞争吸附，使得在水力压裂影响区域内部分原本处于吸附态的甲烷分子被驱替置换出来。

水力压裂工程施工

压裂钻孔设计

压裂施工设计区域为40103工作面和 4 号煤层西部1号辅运大巷(40206工作面区段) ，共设计压裂钻孔4个。其中1#钻孔位于40103工作面回顺，距离40103工作面回顺顺槽平距65 m，根据地质勘察资料，沿工作面推进方向，该区域煤层倾角约1.2°～1.8°，水力压裂钻孔长度600 m 范围内煤层倾角为1.2°～1.5°。2#、3#、4#钻孔位于4号煤层西部1号辅运大巷千米钻场；1 # 钻孔设计长度为600 m，其余钻孔设计长度均为500 m，施工层位均为煤层。40103工作面压裂施工区域如图 1 所示。

压裂工艺设计

根据4号煤层力学特性和顺煤层定向长钻孔工程特点，设计采用“分段压裂延展裂隙 + 整体压裂沟通网络”的技术工艺。设计水力压裂段间距30～50 m、封隔器卡距10 m，单孔压裂段数不小于6段。地层破裂压力梯度0.78～1.22 MPa /100 m，压裂施工地点煤层埋深421.28 m，确定煤层破裂压力为5.14～8.60 MPa，水力压裂工具组合顺序及参数如图2所示。

图2 水力压裂工具组合示意

压裂施工设计

1#钻孔首先开始压裂施工，历时12d完成整孔7段压裂进入保压观测，每段压裂时间为177～553 min，总计压裂时间2149 min，平均泵注压力6.44～13.64 MPa，总计注水量为824 m³ ,1#钻孔分段压裂位置如图 3 所示，压裂施工参数汇总见表1，2#～4#钻孔接替施工。施工完成4个长钻孔压裂工程，压裂工程量2190 m、压裂30段、最大排量40.82 m³/h，最大泵注压力15.58 MPa，压裂液用量4535 m³，详见表 2。

图3 1#钻孔分段压裂位置示意

表1 1#钻孔压裂施工参数汇总

表2 特厚煤层水力压裂施工汇总

瓦斯抽采效果分析

抽采参数分析

以1#水力压裂钻孔瓦斯抽采实时监测数据进行分析，钻孔瓦斯抽采浓度范围在71.79%～92.67%，平均为81.6%，钻孔瓦斯抽采浓度相对稳定; 钻孔瓦斯抽采纯量为 0.4～1.8 m³ /min，平均为0.95 m³ /min，抽采量曲线整体表现为钻孔初始抽采纯量较大，随着抽采时间的增加呈现逐渐衰减的趋势，累计瓦斯抽采纯量88757.97 m³，瓦斯抽采参数曲线如图4所示。

图4 1#压裂孔瓦斯抽采参数曲线

2#压裂钻孔瓦斯抽采数据统计表明，钻孔瓦斯抽采浓度范围在24.60%~87.78%，平均为67.48%。钻孔瓦斯抽采纯量为0.61～2.55 m³/min，平均为1.73 m³/min，钻孔初始抽采量较大，随着抽采时间的增加呈现逐渐衰减的趋势，累计瓦斯抽采量177136.47 m³，瓦斯抽采曲线如图5所示。

图5 2#压裂孔瓦斯抽采参数曲线

抽采效果分析

（1）压裂施工对比常规钻孔效果分析

如图6所示，1#钻孔平均抽采浓度81.60%，百米钻孔瓦斯平均抽采纯量0.181 m³ /( min·hm)。2#钻孔平均抽采浓度67.48%，百米钻孔瓦斯平均抽采纯量0.320 m³ /(min·hm) 。3#钻孔平均抽采浓度58.83%，百米钻孔瓦斯平均抽采纯量0.285 m³/( min·hm) 。4#钻孔平均抽采浓度42.60%，百米钻孔瓦斯平均抽采纯量0.143 m³/( min·hm) 。相比常规钻孔，瓦斯抽采浓度提高了2.20～4.22 倍，百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了4.93～11.03 倍。

图6 压裂钻孔抽采效果

（2）压裂施工对邻近钻孔影响分析

以2#钻孔和3#钻孔为例重点分析钻孔经水力压裂后的瓦斯抽采效果，由图5可知，压裂钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量随抽采时间的关系曲线整体呈“上升—平缓—下降”的趋势。4#钻孔压裂作业过程中 2#、3#钻孔瓦斯抽采参数见表 3。

表3 4# 钻孔压裂作业过程中2#、3# 钻孔瓦斯抽采参数

据表3数据分析，4#钻孔压裂期间，2#钻孔平均瓦斯浓度为 68.32%，平均抽采纯量为1.74 m³/min。3#钻孔平均浓度为55.18%，平均纯量为1.35 m³/min。与抽采稳定期相比，2#、3#钻孔平均浓度分别降低4.69% 和7.89%，平均纯量分别减少0.15 m³ /min和0.22 m³/min。

结语

(1) 针对大佛寺煤矿特厚煤层提出了 “分段压裂延展裂隙 + 整体压裂沟通网络”的定向长钻孔水力压裂技术工艺，在40103工作面开展4个定向长钻孔分段水力压裂施工。

(2) 与未压裂的预抽钻孔对比，压裂后瓦斯抽采浓度提高了2.20～4.22 倍，百米抽采流量提高了4.93～11.03 倍。通过定向长钻孔水力压裂后煤层渗透特性增加，有效提升瓦斯抽采效果。

(3) 4#钻孔压裂期间，2#、3#钻孔平均浓度分别降低4.69% 和7.89%，平均纯量分别减少0.15 m³ /min和0.22 m³ /min。

(4) 水力压裂有利于煤层瓦斯长时间、高效率抽采，压裂钻孔在抽采衰减期，瓦斯纯量随抽采时间的增加呈负指数降低，常规抽采钻孔的衰减系数为0.03 d^-1，压裂钻孔的衰减系数为0.0023～0.034 d^-1，初步证实了定向长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术在大佛寺煤矿乃至彬长矿区中煤层的适用性。

参考文献

[1]缑晓锋,杨飞,窦成义,等.特厚煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采技术及应用[J].陕西煤炭,2024,43(02):65-69.

[2]王正帅.碎软煤层条带定向长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术研究[J].中国煤炭,2023,49(06):46-52.

作者丨牛云重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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