四川川煤华荣能源股份有限公司小宝鼎煤矿 四川攀枝花 617000
一、探索的目的
掌握小宝鼎煤矿的瓦斯赋存规律，针对矿井煤层赋存条件，运用水压预裂技术，采用新型高强封孔剂和封孔工艺，成为小宝鼎煤矿提 高瓦斯抽放率、防止瓦斯事故的一种常规手段之一，并形成水压预裂 提高低透气性煤层瓦斯抽采率技术。
二、区域性煤体水压预裂增透抽采瓦斯工艺探索
（一）煤体水压预裂增透机理 1、煤体水压预裂基本原理
煤体水压预裂的基本原理是用泵将液体以高压大排量向煤岩体注入时，由于注入速率大于煤岩体吸收速率，而在储层内部产生张应力， 当这个力超过某一方向的轴应力时，煤岩体本身在这个方向上所受到的轴应力完全被液体所传导下来的外来力所克服，此时，随着外来力 量的增加，在克服了煤岩体本身破裂时所需要的力量后，煤岩体在最 薄弱的地方开始破损，裂缝延伸，煤岩体的渗透率得到改善。煤体水 压预裂的压力- 时间曲线反映了煤岩体的水力压裂过程。
在煤岩体内采用钻孔水力压裂时，首先在煤岩体内形成钻孔，而后压注高压水。钻孔在高压水的作用下，孔壁发生破裂，压力水随着 裂缝面的扩展和延伸，便进入到煤体内部。这样的一个过程可以分成 三个部分：起裂阶段，高压水形成裂缝阶段，高压水注入煤岩体阶段。 第一阶段主要是高压水浸润钻孔周围煤岩体，改变煤岩体的力学
性能，最终实现钻孔失稳而形成裂缝。这个过程，需要一定的时间， 最终使得高压水压裂弱面并扩展裂缝。
第二阶段主要是高压水对煤岩体的劈裂作用，并迅速形成主裂缝， 主裂缝在高压水的作用下将继续扩展。
第三阶段主要是煤岩体注水阶段，在这个阶段高压水在裂缝内将通过裂缝壁面向煤岩体内注水，并形成次生裂缝。
2、煤体水压预裂抽采瓦斯工艺
煤体的结构类型是水力压裂成功的关键，因此煤体水压预裂工艺 取决于煤体结构，同时也受到煤矿井下施工条件和对瓦斯抽采要求的 制约。煤体水压预裂增透抽采瓦斯工艺依次包括以下几个步骤：(1) 选取压裂地点；(2) 根据煤体结构类型、巷道布置和构造发育程度来确定压裂类型，即本煤层水力压裂 ( 包括穿层和顺层 ) 和虚拟储层压裂 ( 顶底板顺层和穿层) 两种；(3) 确定压裂钻孔施工参数( 孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角等 )；(4) 水力压裂设计：包括封孔参数、注水压力、注水流量和压裂液选择等；(5) 排水；(6) 压裂效果检验；(7) 并入抽采管路进行抽放。煤体水压预裂抽采瓦斯工艺的具体流程如图 1 所示。
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（1）煤体水压预裂泵
煤体水压预裂泵是水力压裂的关键设备，用以提供高压水对煤 储层实施压裂改造，与地面煤层气井水力压裂车相比，煤矿井下空间有限，供电条件苛刻，且要求严格防爆，可采用 RBYB160/31.5、 BRW200/31.5、BRW400/31.5 等矿用乳化液泵。本次水力压裂试验采用的是 RBYB160/31.5 矿用乳化液泵，其参数如下。①最大排量：160L/ min；②最高压力：31.5MPa；③可调排量和压力；④泵出口有流量计和压力表，便于观察；⑤配有限压功能电控柜。
（2）封孔方式及深度
煤体水压预裂就是利用高压水在钻孔内“憋压”，促使煤储层破 裂和裂缝延伸实现增透，虽说高压水提供动力源，但是钻孔封孔质量 的密实性是提升水压的关键。目前主要有封隔器封孔与水泥砂浆封孔 两种方式可供选择。
①对于顺槽钻孔 ( 工作面抽采 )、穿层钻孔，主要采用水泥砂浆或化学浆进行封孔，封孔深度在 30 m 以上。穿层钻孔时，封孔深度尽量接近煤层。优点在于对钻孔的质量要求不高，实现压裂与抽采一体化。
②在掘进工作面进行钻孔时，主要采用胶囊封隔器进行封孔。胶 囊封隔器要求抗压强度达到 40MPa 以上，扩张系数大于 150%，单节胶筒长度不小于 0.8 m，但不宜过长，方便下入和取出，循环使用。
（3）高压管汇
煤矿井下的空间有限，压裂泵不易频繁搬运，一般是固定在一个位置，对附近的工作面或掘进迎头等全部实施压裂后再考虑移泵。同时， 为了水力压裂的施工安全，压裂泵距离施工钻孔必须有一定的安全距离，危险区内要撤人并设警戒，防止出现伤害事故。因此随着不同钻孔与压裂泵距离的变化，高压管路是联接高压泵和压裂钻孔的必备设施，满足：①抗压能力：35MPa；②接扣：快速接头。
（二）煤体水压预裂效果评价 1、泵注参数记录
泵注参数是判断水力压裂过程最直接的参数，反映了裂缝扩展与 延伸及施工顺利与否的重要证据。泵注参数包括泵入压力、排量、总 液量和时间等数据，其中压力 - 排量 - 时间三者关系是煤层破裂和裂缝延伸的间接反映。
2、煤体水压预裂前后参数测试
①压裂前后瓦斯参数变化。主要包括瓦斯含量、钻孔瓦斯流量、钻孔流量衰减系数、煤层透气性系数、K1 值、钻屑量、a、b、△ P、f。
②压裂前后压裂孔两侧巷道的形貌变化。尤其是较为发育的构造 附近及煤体裂缝发育地带，观察煤壁是否出水、巷道变形等，确定压
本煤层水力压裂、虚拟储层压裂
孔长、开孔高度、孔径、倾角、方位角
裂效果与压裂半径。
③瓦斯抽采参数变化。将压裂孔和观测孔进行封孔并联网抽采， 测试压裂后压裂孔和观测孔的瓦斯抽采量、负压、浓度等参数。对比 邻近区域未压裂钻孔的抽采数据，考察压裂效果。
④测试煤体含水量变化。在水力压裂前后采用打钻，测试钻屑含
施工钻孔
注水压力、注水流量、压裂液选择
水量，对比压裂前后煤体水分的变化。
⑤大地电位法。利用压裂液体与地层之间电性差异所产生的电位 差，在地面布置测点，通过分析压裂前后参数变化即可圈定井下水力 压裂的影响范围。
三、探索总结
1、煤体水压预裂分为三个阶段：起裂阶段，高压水形成裂缝阶段， 高压水注入煤岩体阶段。
2、煤体水压预裂技术实施的具体步骤包括七个方面。
3、煤体水压预裂技术参数确定：①煤体水压预裂泵：流量：
3、煤体水压预裂设备及参数要求
为实施煤矿井下钻孔煤体水压预裂增透抽采瓦斯，须配备水力压裂泵、水箱和高压管路等，水力压裂装备的连接依次为输水管→压裂 泵→高压水管→钻孔内部管路，附属设备包括截止阀、压力表、流量 表柜等，如图 2 所示。
160L/min；压力：31.5MPa；可调排量和压力；泵出口有流量计和压
力表，配有限压功能电控柜；②封孔深度 40m 以上；抗压强度 40Mpa 以上；③高压管路是联接高压泵和压裂钻孔的必备设施，抗压能力： 35MPa；接扣：快速接头。
4、通过对未受水压预裂影响钻孔与受水压预裂影响钻孔的单孔抽放参数进行比较，未受水压预裂影响的单孔抽放浓度最小18.65%，最大 42.36%，瓦斯浓度普遍在 30% 左右；流量最小 0.026m3/ min，最大为 0.64m3/min，其单孔流量普遍在 0.04 m3/min 左右。受水压预裂影响的单孔抽放浓度最小 36.56%，最大 98.32%，瓦斯浓度普遍在 70-90% 间；流量最小 0.058m3/min，最大为 0.104m3/min，其单孔流量普遍在 0.06-0.08m3/min 之间。可以得出结论水压预裂工艺能够提高瓦斯抽放浓度、单孔流量，并且瓦斯抽放浓度能提高 2-3 倍，单孔流量能提高 1.5-2 倍。
论文作者:徐永军
论文发表刊物:《建设者》2019年21期
论文发表时间:2020/3/11
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