高压脉冲射流割缝—压裂增透技术应用研究

文摘 2024-11-20 22:00 重庆

导

读

近年来，我国在煤矿瓦斯动力灾害治理方面已经取得了显著成效，然而低透气性煤层瓦斯抽采问题一直是困扰煤矿安全生产的难题。对于低透气性煤层采用常规增透方法无法满足煤层增透的需要,特别是针对透气性系数较低、坚固性系数较大的煤层，问题尤为突出。

为了更好地解决这一实际问题，提出一种导向压裂的新型高压增透技术，即高压脉冲射流割缝导向压裂增透技术。增加原始煤层瓦斯抽采微通道，提高瓦斯抽采效率，缩短瓦斯治理时间，降低治理成本，减少瓦斯灾害事故的发生。

高压脉冲射流割缝导向压裂增透的机理

高压脉冲射流割缝导向压裂增透是一种联合压裂增透的技术，通过高压脉冲射流割缝产生圆盘状的缝槽，该缝槽能为高压水沿煤层压裂起到导向作用，实现煤层突出区域联合增透和卸压的目标。高压水射流冲击原始煤体的过程中，煤体主要受到滞止压力和水锤压力作用。高压脉冲射流切割原始煤体是利用自激振荡脉冲喷嘴产生连续的高压流体冲击作用破碎原始煤体，通过连续不断地切割煤体，最后在煤体中形成深度 1.8~2.5m、宽度 3~5cm 类似圆盘状的缝槽，之后，通过高压水力压裂进一步对原始煤体进行二次增透。高压水力压裂增透的试验区域一般是一个相对封闭的空间，有利于增压和保压，当高压水通过钻孔进入煤体时，首先沿着高压脉冲射流割缝导向孔隙不断地延伸和扩展，在完成煤层破碎压裂以后进行保压增透，超高压压裂水沿着弱面不断地延伸和扩张，使原始煤层的孔隙和裂隙得到二次扩展和延伸，形成错综复杂的贯通网络，如图 1 所示。

图1 高压脉冲射流割缝导向压裂增透机理示意图

当煤体受到二次压裂时，煤层得到二次卸压，煤层压力进行二次重新平衡，通过 2 次联合增透，原始煤层形成了错综复杂的贯通裂隙和孔隙，大大降低原始煤层突出危险性，能有效解决原始煤层地应力集中和卸压盲区的问题，同时解决瓦斯抽采效果差的难题。

试验工作面概况

本次研究对象为平关镇大坪煤矿182底板巷增透18采区的20号煤层，该煤层位于龙潭组中部，平均埋深为300m，平均厚度为2.64m，平均倾角为45°。实测20号煤层绝对瓦斯涌出量为5.198m³/min，相对瓦斯涌出量45.6m³/t，原始煤层的压力为0.92MPa，透气性系数为0.0525m²/(MPa²·d)，坚固系数为1~2，抽采瓦斯衰减系数为0.22~0.28d^-1，含夹矸 0~2 层，属较稳定煤层。20 号煤层顶底板以砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，地质构造比较复杂，原生构造裂隙不发育，区域内断层较多，局部区域不可采。综上所述，20 号煤层属于低透气性且为有突出危险性的煤层。

高压脉冲射流割缝导向压裂增透试验

试验方案

试验地点为平关镇大坪煤矿182底抽巷，为确定最优治理方案，设计了4种试验方案，见表 1。

表1 182 底抽巷增透试验方案

对以上4种方案进行抽采效果对比分析。每种方案布置5组钻孔，每组3个钻孔，终孔间距10m，总计15个钻孔。不同试验方案互不影响，182底抽巷瓦斯抽采试验方案钻孔布置如图 2所示。

图2 182底抽巷瓦斯抽采试验方案布置平面示意图

试验抽采孔施工工艺

采用ZYWL-2000Y 型钻机现场施工试验钻孔，配φ73mm的钻杆和φ94mm 的钻头，当钻杆穿过 20 号煤层顶板0.3m以后停止施工。高压水力压裂钻孔和高压脉冲射流割缝钻孔两端采用化学胶封孔，中间用白水泥和砂浆按照一定比例进行封孔，其他瓦斯抽采钻孔都采用砂浆水泥进行封孔，并且封孔长度不得小于13m，当返浆管有大量的黏稠浆液返出时，停止注浆。

高压压裂管采用直径60mm无缝钢管，压裂管前端筛管长度为2.5m，筛孔直径2.5mm，压裂管前端0.5m不开筛管并采用盲板封堵，返浆管埋至距离筛管0.5m处，返浆管长度为1.5m，两端采用化学胶进行封孔，中间采用质量比1∶3 的白水泥、砂浆混合物进行封孔，当前端的返浆管出现大量黏稠浆液返出时，停止注浆，14d以后进行高压水力压裂，采用压力70MPa、流量1000L/min的高压压裂泵进行压裂。

图 3 高压脉冲射流割缝导向压裂装置

试验研究区域瓦斯抽采效果监测方法

为了准确掌握本次试验增透效果，采用自动监测和人工监测相结合的方式对4种试验方案进行抽采效果监测。利用瓦斯流量监控系统监测瓦斯抽采流量，瓦检员定期人工测定瓦斯浓度，定期采用DGC对煤体残余瓦斯量进行检测。同时，对 4 种方案的抽采工效和影响半径进行对比分析。

瓦斯抽采效果对比分析

钻孔平均抽采瓦斯效果对比分析

4 种抽采方案钻孔平均瓦斯抽采效果如图4所示。

图4 4种抽采方案钻孔平均瓦斯抽采效果图

由图4可知，经过92d的抽采，4 种方案监测到的平均瓦斯浓度都是呈先增高后降低的趋势，抽采30d左右时，4种方案瓦斯抽采效率均为最佳。

经计算得出，方案Ⅳ平均每日抽采瓦斯浓度分别是方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ的3.01倍、1.41倍和1.67倍，因此方案Ⅳ效果最好。由于方案Ⅰ未采取任何增透措施，煤层透气性差，试验抽采效果最差；方案Ⅱ和Ⅲ采用局部增透和区域增透措施，试验抽采效果优于方案Ⅰ。方案Ⅳ同时采用高压脉冲射流割缝和水力压裂增透，高压脉冲射流割缝产生脉冲波不仅增大了煤层透气性系数，而且形成了高压水力压裂导向压裂孔；当高压水沿钻孔进入煤体，首先沿着高压脉冲射流割缝导向孔隙不断地延伸和扩展，使原始煤层的孔隙和裂隙得到二次扩展和延伸，形成错综复杂的贯通网络，煤体原始压力得到二次卸压。因此方案Ⅳ每日平均抽采瓦斯浓度最高。

抽采瓦斯区域的影响半径对比分析

为了确定4种试验方案抽采瓦斯区域的影响半径，在抽采的第10、20、30、40、50、60、70、80、90d 分别测定4种方案区域瓦斯含量的变化，以及残余瓦斯含量是否抽采达标，通过对大坪煤矿18采区瓦斯含量进行实测，判断4种方案抽采瓦斯区域的影响半径。4种试验方案抽采瓦斯区域的影响半径实测情况如图 5 所示。

图5 4种试验研究方案的瓦斯抽采区域的影响半径

4 种试验研究方案的瓦斯抽采区域影响半径都随着抽采时间的增加而不断增大，但试验区域影响半径增大的速率逐步降低。经过90 d区域抽采瓦斯影响半径的测试，方案Ⅳ区域抽采瓦斯影响半径为5.06 m，分别是方案Ⅰ、方案Ⅱ和方案Ⅲ的2.56倍、1.25 倍和1.29倍，这说明试验方案Ⅳ区域抽采瓦斯影响半径大于其他3种方案的，可以大幅缩短瓦斯治理达标的时间。

结语

1)高压脉冲射流割缝导向压裂增透钻孔平均抽采瓦斯浓度为75.8%，分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采瓦斯浓度的3.01倍、1.41倍和1.67 倍。

2)高压脉冲射流割缝导向压裂增透钻孔平均每日抽采瓦斯纯流量为0.113m³/min，分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采瓦斯纯流量的2.86倍、1.42倍和1.62倍；抽采90d以后，瓦斯抽采影响半径达到5.06m，分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂瓦斯抽采影响半径的2.56倍、1.25倍和1.29倍。

3)高压脉冲射流割缝导向压裂增透在 400m条带抽采瓦斯工程的施工时间，比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采工程的施工时间缩短了60%、32%和 20%，抽采区域瓦斯达标所需时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采达标时间缩短了70%、50%和 62%。

推文来源

秦江涛,覃俊,龙称心,等.低透气性煤层高压脉冲射流割缝—压裂增透技术应用研究[J].矿业安全与环保,2024,51(05):23-28

参考文献

[1]秦江涛,覃俊,龙称心,等.低透气性煤层高压脉冲射流割缝—压裂增透技术应用研究[J].矿业安全与环保,2024,51(05):23-28

[2]吉攀峰.低透气性煤层水射流瓦斯增透关键技术研究[J].西部探矿工程,2024,36(03):132-135.

编辑丨牛云重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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