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1、1水力压裂技术提高煤层透气性研究及应用王国鸿 （中平能化集团；平顶山；467000） 摘要：真对中平能化集团十矿煤层透气性系数低，瓦斯抽放效果差的现状，该矿在己15-24080工作面实施了水力中压提高煤层透气性技术，通过向煤层中打钻孔，注入高强压力水。使煤体内部组织受到破坏，深部原生裂隙扩张，延伸，从而增强煤层透气性，提高瓦斯抽放量，该项技术取得了很好的抽放效果。 关键词:水力压裂技术;提高煤层透气性;研究及应用Research and use of hydrofracture technology to improve coal-seam Permeability wang guo hong
2、(Zhong Ping Neng Hua Bloc ; Ping Ding Shan;467000 )abstractsabstracts : :according to zhongping energy Group first mountain mine coal-seam Permeability low gas suction effect worse present situation this mine at己15-24080 coal face Implementation waterpower middle pressure to improve coal-seam Permea
3、bility technology through drill_hole to drilling Injection middle pressure water to drill_hole made coal-body inside intructure was destroyed ,with middle-energy jet inner protogenesis crevice expand space become greater so that Enhanced coal-seam Permeability.improve pumping gas effect the technolo
4、gy be worth spread and exploitation.KeywordsKeywords：waterpower middle pressure；improve coal-seam Permeability；technology目前在水力压裂方面的研究只局限在油、油气藏、煤层气藏，以及地热井资源的开采中，主要以现场应用中裂缝扩展技术研究为主，只局限在地面钻井条件下，对于本煤层瓦斯抽放集中采用水力压裂措施来增大煤层的渗透率的机理研究上处于尝试阶段。中平能化集团首山矿大胆设想采用水力压裂技术提高煤层透气性系数，通过在己15-24080 工作面工业性试验，取得了良好的瓦斯抽放效果为我国
5、类似条件下使用该项技术提供借鉴。1 1、工作面概况、工作面概况十矿目前开采三组煤层为戊组、己组和丁组，戊、己两组煤层透气性差，透气性系数只有 0.0013mD(毫达西)，介于勉强和难以抽放煤层之间。在勉强抽放的煤层中往往需要很长的抽放时间和布置较多的钻孔，才能达到抽放目的。为增加煤层透气性，提高低透气性煤层钻孔瓦斯抽放浓度，在己15-24080 机巷进行煤层水力压裂增透。同时通过煤体注水，使煤体应力向深部转移和水含量增加，在一定范围内起到消突作用和降低开采过程中煤尘产生量。2己15-24080 采面（图 1-1 所示）位于十矿己四采区西翼第三阶段，该采区东靠己四轨道，西至 26 勘探线，南邻己
6、15-24060 采面，北部为未开采区。地面标高：+150+280m,工作面标高：-580-626m. 设计走向长度 1804 m，倾斜长度 180 m，煤层厚度 1.62.3m 之间，一般在 2m 左右。煤层结构简单，煤层倾角在采区东部较缓，一般在 10左右，中上部倾角较大，在 2530之间，西部一般在 20左右。采面地质构造比较简单，该煤层为突出煤层。 F己15-24080 偏外风巷己15-24080 风巷高抽巷轨道下山运输机下山瓦斯专回己15-24080 机巷图 1-1 工作面示意图2 2、水力压裂作用机理、水力压裂作用机理原生煤层内部具有很多微裂隙、多孔隙结构，瓦斯在煤体内以游离态或吸
7、附态两种状态存在，对于裂隙比较发育，煤体坚固系数较大的煤层透气性系数较大，便于瓦斯抽放，而对于煤质比较松软，裂隙发育不发达的煤层透气性系数较低，不便于瓦斯抽放，抽放效果差，采用水力压裂方法，使煤体深部原生裂隙扩张，延伸，空隙增大，从而提高煤层的透气性系数，使得原生裂隙相互沟通，在水力作用下，吸附状态的瓦斯从煤层表面逐渐剥离变成游离态的瓦斯，提高了瓦斯在煤体内部的流动性，从而提高瓦斯抽放效果，裂缝起裂受诸多因素的控制，裂缝起裂效果主要取决于时间效应和压力效应。研究表明，通过连续的高压水力渗透可以使煤层内部组织不断受到破坏，煤层原生裂隙扩大，达到提高煤层透气性能的效果，从而提高瓦斯抽放率。 3 3
8、、水力压裂技术措施、水力压裂技术措施 3.1 压裂设备与仪表注水系统由注水泵、水箱、压力表、专用封孔器等组成（见图 3-1） 。注水泵选用额定压力为 31.5MPa、额定流量为 400L 的 BRW400/31.5 型煤矿用乳化液3泵。为便于操作和控制，注水泵安装有压力表、水表及卸压阀门等附件，水箱容积 3m3。压力表采用 YHY60(B)矿用本安型数字压力计和 FCH32/0.2 矿用本安型手持采集器。高压管路选用 1 寸高压胶管。钻孔内采用优质无缝钢管，采用快速接头与封孔器和高压胶管相连接。无缝钢管外径 38mm，内径 27mm，壁厚 5.5mm，每节长 3m。钢管压裂段开孔，孔密 10
9、孔/m，钢管底部丝堵封口并开孔。水管连接管压力表水表卸压阀水 箱注 水 泵高压管线专用封孔器图 3-1 注水系统布置示意图3.1.1 封孔器及其参数钻孔封孔器选用专用封孔器，封孔器封孔长度 20m，封孔深度为 2535m。该封孔器由封孔胶囊、连接杆、出水嘴和注水头四部分组成，如图 3-2 所示。封孔器抗压强度不低于35MPa，外径 55mm，具有一定的内径以保证足够的流量，长度大于 10m，加压扩张系数40%。图 3-2 专注水头连接杆胶囊出水嘴煤层用水力自动封孔煤层注水器结构示意图3.1.2 注水压力选择根据数值模拟结果显示，当注入压力大于 28.8MPa 时，裂尖处开始起裂，当压力大于29
10、.8MPa 时，应变能完全释放。因此当注入压力超过 29.8MPa 即可满足在煤层中起裂的要求。结合现场高压泵的实际平稳供压能力，最终将压裂的压力保持在 30MPa。起始压力初4步设定为 15MPa，在钻孔周边煤体逐渐湿润后逐步加压。3.1.3 压裂时间控制压裂时间与注水压力、注水量等参数密切相关，注水压力、流速不同，相同条件下达到同样效果的注水时间也不同。注水过程中，煤体被逐渐压裂破坏，各种孔裂隙不断沟通，高压水在已沟通的裂隙间流动，注水压力及注水流量等参数不断发生着变化，注水时间可根据注水过程中压力及流量的变化来确定。根据以往的地面水力压裂和井下水力挤出试验经验，当注水泵压降低为峰值压力的
11、 30%左右，可以作为注水结束时间。压裂时采用动压，从开始注水到水力压裂措施结束大约需要 120min 时间。起始压力初步设定为 15MPa，每 5min 升压 2 MPa，泵压达到 30MPa 左右。若稳定一段时间后，压力迅速下降，并持续加压时压力无明显上升，或者检验孔附近瓦斯浓度明显升高或有水涌出时，即说明压裂孔和检验孔之间已经完成压裂，此时即可停泵，关闭卸压阀，压裂程序结束。压裂措施实施过程中，需连续记录注水压力和流量，根据现场实际情况，适时调整压裂参数。3.2 压裂情况 己15-24080 机巷本煤层进行了 5 次水力压裂试验，压裂孔顺煤层施工，孔深4050m，仰角 1115，孔径 6
12、6120mm，采用专用胶囊封孔器封孔，封孔器长度1520m，封孔深度 19 25m，泵站注水压力 2530MPa，注水量 21m3，压裂范围内抽放孔采用聚氨酯封孔并入机巷 8 寸抽放管进行抽放。3、3 瓦斯抽放情况 己15-24080 机巷抽放系统安装一趟 200mm 的抽放管路，与己四采区瓦斯抽放泵站联结并进行抽放。己四采区瓦斯抽放泵站共安装四台型号为 2BEC-42 的瓦斯抽放泵，单台额定抽放能力 150m3/min，整个采区抽放能力 450m3/min。己15-24080 机巷煤层瓦斯含量30m3/t 、瓦斯压力 2.4MPa。4 4、压裂前后抽放效果分析、压裂前后抽放效果分析4.1.正
13、常抽放孔 根据对几组没有进行压裂的抽放孔进行分析，钻孔抽放浓度普遍较低，最高为： 29.5%，最低：14%，平均：22%；抽放纯量：最高：0.0083/，最低： 0.0033/，平均：0.0063/。 4.2 压裂孔： 抽放瓦斯浓度最高：86%，最低：24%，平均：55%；5抽放瓦斯纯量：最高：0.0463/，最低：0.0073/，平均： 0.0263/； 4.3.分析比较 从以上数据及对比可得，抽放浓度高，流量大，效果好的为压裂孔，其次为，观测孔， 最差为无压裂孔，压裂孔的抽放浓度为正常抽放孔的 2.5 倍，为观测孔的 1.7 倍。抽放纯量 为压裂孔的的 4.3 倍，为观测孔的 2.2 倍。
14、5 5、结论、结论水力压裂提高煤层透气性技术通过在中平能化集团十矿的实施得到以下主要结论：1. 压裂后经抽放瓦斯压力由 2.4MPa 下降至 0.22Mpa，瓦斯抽放浓度得到了很大提高。2.压裂前所取单孔抽放总量达 19.881m3，平均流量达 0.00783m3/min ，压裂后所取单孔抽放总量达 883.44m3，平均流量达 0.0409m3/min ，同期分别增加 5 倍和 44 倍。压裂前钻孔瓦斯抽放周期很短（最短 7 天衰减为零），压裂后钻孔瓦斯抽放时间长，浓度稳定，延长了瓦斯抽放周期。3.在一定范围内起到消突和消除冲击地压的作用，确保安全生产。使瓦斯抽放浓度有较大提高，并得到充分利
15、用，减少瓦斯对大气排放造成的污染，达到节能减排，保护环境的目的。同时压裂后煤体内水含量增加，减少了在开采过程中粉尘产生量，改善职工作业环境。 参考文献：参考文献：1 叶青,李宝玉,林柏泉.高压磨料水力割缝防突技术J.煤矿安全,2005,36(12):1114.2 张永吉,李占德,秦伟瀚,等.煤层注水技术M.煤炭工业出版社，2001 年.3 程伟.煤与瓦斯突出危险性预测及防治技术M.中国矿业大学出版社,2003 年.4 冯增朝,康健,段康廉.煤体水力割缝中瓦斯突出现象实验与机理研究J.辽宁工程技术大学学报,2001,20(4):443445.5 王魁军,王偌安,许昭泽,等.交叉钻孔预抽本煤层瓦斯J.煤矿安全,2003(34):7881.作者简介王国鸿 男 1977 年 2 月出生，本科， 毕业于中国矿业大学安全工程专业，中平能化集团职工，发表论文多篇。电话：15994028622 油箱：
