构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用

1、构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用I目录1 引言 .11.1 选题依据 . 11.2 国内外研究现状 . 21.3 研究内容及目标 . 31.4 技术路线与创新点 . 32 研究区瓦斯地质条件分析 . 52.1 煤层煤质 . 52.1.1煤层厚度及其变化 . 52.1.2构造煤孔隙特征 . 62.1.3瓦斯的吸附解吸特征 . 72.1.4煤体的透气性系数（渗透率） . 102.1.5煤体的物理力学性质 . 122.2 地质构造及地应力 . 142.2.1地质构造特征 . 142.2.2地应力大小的计算 . 152.2.3最大主应力方向分析 . 192.3 煤层瓦斯含量 . 232.4

2、煤层瓦斯流动状态 . 253 研究区水力压裂工艺优化 . 293.1 水力压裂基本原理 . 293.2 压裂钻孔参数优化 . 303.2.1压裂孔方位角 . 303.2.2压裂孔倾角 . 303.2.3压裂孔施工参数 . 313.3 水力压裂泵压的优化 . 333.3.1破裂压力的计算 . 333.3.2摩阻的计算 . 373.4 压裂液的选取 . 403.4.1清水压裂的优缺点 . 413.4.2清水压裂的适用性 . 42II3.5 压裂孔间距优化 . 433.5.1水力压裂综合滤失系数的计算 . 433.5.2水力压裂裂缝几何尺寸的计算 . 453.5.3压裂孔间距的计算 . 483.6

3、压裂孔封孔深度的计算 . 494 水力压裂现场效果考察 . 504.1 研究区概况 . 504.2 21121 底抽巷水力压裂效果考察 . 514.2.1压裂过程 . 514.2.2压裂效果分析 . 524.3 21141 底抽巷水力压裂效果考察 . 604.3.1压裂过程 . 604.3.2压裂效果分析 . 604.3.3水力压裂施工曲线的应用 . 684.4 研究区水力冲孔效果分析 . 694.4.1水力冲孔射流压力及摩阻的分析 . 694.4.2水力冲孔现场效果考察 . 724.5 水力压裂与水力冲孔效果对比 . 794.5.1基于 AHP 模型的效果对比 . 794.5.2经济效益对比

4、 . 835 结论及展望 . 855.1 结论 . 855.2 展望 . 85豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用11 引言1.1 选题依据瓦斯是矿井五大灾害之一，是煤矿安全的第一杀手。瓦斯通常能引起瓦斯燃烧、 瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出，其中危害最大也是最难防治的是煤与瓦斯突出。煤与瓦 斯突出是煤层瓦斯、地应力和煤体的物理力学性质三者综合作用的结果，其中，瓦 斯压力、地应力是突出发生的动力，要防止突出的发生，减小瓦斯压力、卸压是最 有效的方法，这也是防突措施的根本出发点。按照防治煤与瓦斯突出规定（20092009）,区域防突措施有开采保护层和预抽煤 层瓦斯两类。对不具备开采保护层条件的

5、矿井来说，主要采取预抽煤层瓦斯的方法。 豫西矿区主要开采二i煤，由于其特殊的地质条件，形成了特有的“三软”不稳定 煤层，大多矿井属单一煤层开采，而且煤层为全层构造煤，煤类达到WV类，透 气性极低，透气性系数一般在 0.0004720.0004720.0467m0.0467m2/ /（MPaMPa2.d.d）之间，属极难抽采煤层, 常规的预抽瓦斯技术虽然能解决一定的问题，但抽采效果不理想，抽采后突出危险 性仍然很高，必须采取一定的卸压增透措施来提高煤层的透气性系数，进而保证较 高的瓦斯抽采效率。低透气煤层的卸压增透技术主要分为两个方向。一是自煤层外卸压增透，如开 采保护层等，这个技术已经发展的较

6、成熟，有着较好的应用；对于不具备开采保护 层的，在煤层内进行卸压增透，也是一种有效的方法。由于煤层瓦斯的抽采主要受 煤层透气性的控制，只有改变煤层透气性才能提高抽采效率，如水力压裂、水力冲 孔、水力割缝、深孔松动爆破、深孔控制爆破等，但不同的卸压增透措施有不同的 适用范围及局限性，如水力冲孔适用于煤质松软（f0.5f4.04.0%，朗格缪尔体积随煤级的增加而减 少。孔隙结构。煤对气体的吸附能力与孔容、比表面积呈正相关关系，但煤级不豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用9同，不同孔径段的不同孔隙结构参数的影响程度也不同。其他。煤的化学组成、 煤岩学组成及水分含量等对煤的吸附型也有一定的影

7、响。大平煤矿为突出矿井，瓦斯压力及瓦斯含量较高。通过对大平煤矿煤体的等温 (25(25C) )吸附实验(图 2-52-5)知，吸附常数 a a 在 2121 采区较大，在 26.326.328.8m28.8m3/t/t 之 间，吸附常数 b b在 1.5031.5031.576MPa1.576MPa 之间，且镜质组反射率越大，煤的变质程度越 高，瓦斯吸附量越大。表 2-3 大平矿煤层等温(25C)吸附曲线表煤体瓦斯的临界解吸压力，指解吸与吸附达到平衡时对应的压力，即压力降低 使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始解吸时的压力。其与煤储层含气量及吸附、解 吸特性呈函数关系。其计算公式如下：(2-3(2

8、-3)大平矿 2121 采区煤层原始瓦斯含量平均在 9nVt9nVt 左右，根据公式 2-32-3 知，其临界 解吸压力为 0.306MPQ0.306MPQ 即当煤层内的瓦斯压力降至 0.306MPa0.306MPa 时，2121 采区煤体内的 瓦斯开始解吸。表 2-4 大平矿 21 采区煤层解吸率测定表埋深现场解吸量真空加热脱气量测定地点损失量/(m3/t)解吸率/%/m/(m3/t)/(m3/t)21101 底抽巷抽 1 测点西 10m3671.221.477.9225.3采样地点Roma/%朗格谬尔体积 V_/ m3/t朗格谬尔压力 pL/MPa2.126.31.50321 采区2.22

9、7.51.5412.2828.81.576302520151050压力(MPa图 2-5 大平矿 21 采区煤层等温吸附曲线豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用1021141 底抽巷 4#钻场524.50.20.518.647.621141 底抽巷回 2 测点510.50.330.588.669.5南 14m21141 底抽巷 6#钻场4870.721.410.1717.221181 底抽巷回风联551.20.621.2210.115巷21161 底抽巷 2#钻场519.50.931.259.7618.221141 底抽巷回 2 测点5060.430.616.2914.2大平矿 21

10、21 采区煤层解吸率较低，最大为 25.3%,25.3%,最小为 7.6%7.6%，其余基本在 15%15% 左右，结合煤体瓦斯临界解吸压力（0.306MP80.306MP8,可知 2121 采区煤层瓦斯较难解吸,要达到煤层瓦斯解吸的目的，排水降压可以达到目的。2.1.4 煤体的透气性系数（渗透率）煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志，是评价煤层瓦斯抽放难易程 度和瓦斯突出防治的重要技术参数。它对于煤层气开采、矿井瓦斯抽采设计、煤与 瓦斯突出危险性预测等都具有十分重要的作用。 因此，准确地测定煤层透气性系数， 不仅对矿井瓦斯流动的理论研究具有重要作用，而且对于瓦斯矿井的生产实践也具 有实

11、用价值。影响煤层渗透率的原因主要有以下几方面：（1 1）地应力对煤体渗透性的影响煤层渗透率对地应力很敏感，当应力增加时，煤体渗透率下降很快，有关实验 结果表明，渗透率与地应力的关系是幕指函数关系。矿井井下随着工作面的不断推 进，煤体前方依次分布着卸压区、应力集中区、原始应力区，在卸压区应力小，煤 层渗透率较大，瓦斯涌出量较大，在应力集中区，煤层渗透率极低，瓦斯涌出很少, 这也是矿井工作面有时瓦斯涌出量忽大忽小的原因之一。目前采取的防治瓦斯的方 法如开采保护层、水力压裂、水力冲孔、深孔松动爆破等都是以卸压为目的来达到 煤层渗透率大幅提高进而提高抽采效率的措施。（2 2）吸附性对煤体渗透率的影响煤

12、体对瓦斯的吸附对煤体渗透率具有重要影响。有关试验数据表明，煤体对气 体的豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用11吸附性越强，煤体渗透率越低。究其原因，煤体的渗透率与煤的孔隙、裂隙结 构密切相关，且只和中孔以上的孔隙有关，而煤体吸附瓦斯后，煤体膨胀变形，吸 附瓦斯量越多，变形越大，然而由于围压的作用，煤体无法沿径向产生变形，使得 煤体变形朝着微裂隙的方向发展，导致中孔以上的孔隙裂隙容积变小，也使得渗透 容积变小。总之，煤体对瓦斯的吸附将导致煤体渗透容积变小，进而影响煤体渗透 率。以上是影响煤层渗透率的两个最主要的因素，豫西矿区如大平煤矿煤层渗透率 普遍很低的原因也是以上这个因素的重要体

13、现。大平矿井位于新密矿区的西南部， 总体形态为一轴向近东西，向东倾伏的向斜构造，且断裂构造较发育，使得井田范 围内构造应力较高，加上一些采区埋深较深，如 2121 采区埋深 500500m m,使得煤层自重应 力也较高，两者综合起来的结果是本区地应力较大。 大平矿为煤与瓦斯突出矿井，煤体的吸附常数 a=30a=30 m m3/ /t t左右，b=1.5MPab=1.5MPa 左右，可见煤体对瓦斯的吸附能力很高， 也导致大平矿煤层渗透率极低，瓦斯抽采困难目前，我国广泛使用的是中国矿业大学周世宁院士提出的径向不稳定流动的理 论，并用相似准数将计算简化，得出煤层透气性系数与相关参数的关系。该方法准

14、确度较高，具有较高的可信度。在不受采动影响条件下，煤层内钻孔的瓦斯流量随时间呈衰减变化的系数称为 钻孔瓦斯流量衰减系数。研究表明，瓦斯流量随时间呈指数关系衰减，据此可求得 煤层的衰减系数。表 2-5 瓦斯抽采难易程度对照表透气性系数(nV MPa2.d )1衰减系数(d d )容易抽采 10 0.005可以抽采0.1 100.005 0.05难以抽采 0.05豫西煤田透气性系数一般在 0.000.00047204720.0467m/0.0467m/ MPadMPad 之间，衰减系数均在0.5d0.5d-1以上，对比表 2-52-5 可知，本区煤层瓦斯极难抽采，需采取卸压增透措施来提高 瓦斯抽采

15、率。2.1.5 煤体的物理力学性质构造煤和原生结构煤对比实验表明，其弹性模量和泊松比有着非常明显的差豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用12异，构造煤弹性模量大约为原生结构煤的1 1/3 3 左右，但泊松比却大大地高于原生结构煤。构造煤的单轴抗压强度、抗拉强度及坚固性系数值也都明显小于原生结构 煤，而原生结构煤的强度也仅有泥岩的几分之一，不足砂岩和灰岩的十分之一（表 2-62-6、表2-72-7 ）0表 2-6 原生结构煤与构造煤力学参数表力学参数（范围/平均值） 煤体结构类型 -弹性模量 E/MPa泊松比卩抗压强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 坚固性系数?I类6000V0.350

16、.150.464000.1755.130.2180.493W类V30000.3V2V0.15V0.2522000.3641.830.1060.172表 2-7 煤层及顶底板岩性力学强度岩性抗压强度/ MPa抗拉强度/ MPa抗剪强度/ MPa砂岩26.121.0519.39细砂岩11.980.8012.93砂质泥岩5.690.2710.90泥岩2.030.078.57块煤0.340.014.09据岩体力学有关理论，煤岩体的弹性模量对压裂后煤层的裂缝发育影响很大。 煤层的顶底板与煤层的弹性模量差，一定程度上对煤层压裂过程中裂缝的高度、宽 度等几何尺寸具有重要影响。当煤层与顶底板弹性模量相差较大时

17、，那么水力压裂 裂缝就不会突破煤层而向上下发展，对压裂效果较好。如当顶底板岩性为中粗粒砂 岩时，压裂后形成的裂缝就只能限定在煤层中而不会向上向下发展；而当煤层与顶 底板弹性模量相差不大时，如煤层顶底板为泥岩、砂质泥岩时，水力压裂裂缝就会 突破煤层而向上下发展，使得压裂效果受到一定的影响。同时，由裂缝宽度的计算 公式知，裂缝的宽度与弹性模量成反比，弹性模量越小，裂缝的宽度越大。豫西矿 区煤层顶底板普遍发育泥岩、砂质泥岩，煤层与顶底板弹性模量差距较小，使得压 裂时，裂缝很容易压串煤层向顶底板发展。因此，弹性模量对水力压裂裂缝的几何 尺寸有一定的控制作用。煤岩体的单轴抗压强度及抗拉强度， 是煤岩体在

18、单向受力条件下破坏时的压力 或拉力，其在一定程度上反映了地层破裂的难易程度。水力压裂产生裂缝要克服该 处的地应力及抗拉强度，因此，煤体抗拉强度对煤体破裂压力的大小有重大影响， 抗拉强度越大，煤体的破裂压力就越大。同时，煤层与顶底板的抗拉强度的差异， 也对裂缝的高度有控制作用，豫西构造软煤穿层钻孔水力压裂增透技术研究与应用13当煤层与顶底板岩层的抗拉强度相差不大时，裂缝有 可能突破顶底板而向上向下发展，一般情况下，煤层顶板最小水平主应力大于底板 最小水平主应力，因此，裂缝的发展主要在顶板；当两者抗拉强度相差较大时，裂 缝只能局限在煤层中发展，这样的煤岩层组合是水力压裂效果最好的。泊松比是反映在上覆岩层垂向应力作用下，煤岩层水平侧向应力大小的一个参 数，也就是说，该参数对水平应力的大小具有控制作用，而水平