D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.11.003 第34卷第11期 北京科技大学学报 Vol.34 No.11 2012年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2012 低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透 杨宏伟12)四 1)北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室，北京100083 2)煤炭科学研究总院沈阳研究院煤矿安全技术国家重点实验室，沈阳110016 ☒通信作者，E-mail:yanghongweil68@126.com 摘要通过数值分析和现场试验的手段分析了井下低透气性煤层分段点式水力压裂的原理和过程.井下分段水力压裂意 在改变传统压裂的受力方式，使煤体多点受力，相互作用，最后产生压裂的效果。经过在城山煤矿西二采区水力压裂孔的试 验，在压裂半径为5-7m条件下，得出了试验地点临界注水压力为14MPa,水压在14-20MPa进行分段点式水力压裂较为适 宜，试验过程简单易行，在现有条件下压裂可在5mn内完成，试验地点压裂后钻孔平均抽放瓦斯流量和体积分数明显提高. 关键词煤矿：开采：瓦斯：抽放：水力压裂：透气性 分类号TD712.6 Underground segmentation point hydraulic fracturing antireflection for low- permeability coal seams YANG Hong-ei,2☒ 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Coal Safety,Shenyang Branch of China Coal Research Institute,Shenyang 110016,China Corresponding author,E-mail:yanghongweil68@126.com ABSTRACT The principle and process of underground segmentation point hydraulic fracturing for low-permeability coal seams were studied by means of numerical analysis and field test.Underground segmentation hydraulic fracturing is intended to change the tradi- tional force way to make coal more force and interaction,and finally to produce the effect of fracturing.The hydraulic fracturing test at the west second mining area of Chenshan Coal Mine in northeastern China shows that when the fractured radius is 5 to 7m,the critical injection pressure is 14 MPa,and it is suitable for the hydraulic fracturing that the injection pressure is 14 to 20 MPa.The test proce- dure is so simple that the hydraulic fracturing can be completed within 5 min,and the average gas flow and volume fraction of gas drain- age are significantly increasing after the hydraulic fracturing. KEY WORDS coal mines:mining:coal gas:drainage:hydraulic fracturing:gas permeability 水力压裂技术作为一种卸压抽放瓦斯的手段， 裂还处于摸索期.井下分段水力压裂工艺改变 被广泛应用于地面和井下来增加煤层透气性-习 了以前水力压裂对煤层的单点受力模式，降低了水 1965年煤炭科学研究总院沈阳研究院（原煤科总院 力压裂的出水压力，整个压裂工艺趋于简单化，便 抚顺分院)在全国首次将水力压裂技术应用在煤层 捷化. 强化抽放瓦斯领域，通过地面钻孔或井下钻孔对煤 层实施压裂，并进行了现场试验同.由于当时的工 1井下分段点式水力压裂技术原理 艺复杂，所以该技术没有得到大面积推广和应用. 水力压裂就是利用高压水将煤体冲开，产生裂 分段水力压裂最早在地面油气井压裂中得到过应 隙.分段水力压裂主要是通过改变井下水力压裂措 用，效果明显：而井下低透气性煤层分段水力压 施的力作用方式，将整个钻孔分为数段，每一段设置 收稿日期：201108-11 基金项目：“十一五“国家支撑计划资助项目(2006BAK03B03)
第 34 卷 第 11 期 2012 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 11 Nov． 2012 低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透 杨宏伟1，2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室，北京 100083 2) 煤炭科学研究总院沈阳研究院煤矿安全技术国家重点实验室，沈阳 110016 通信作者，E-mail: yanghongwei168@ 126． com 摘 要 通过数值分析和现场试验的手段分析了井下低透气性煤层分段点式水力压裂的原理和过程． 井下分段水力压裂意 在改变传统压裂的受力方式，使煤体多点受力，相互作用，最后产生压裂的效果． 经过在城山煤矿西二采区水力压裂孔的试 验，在压裂半径为 5 ～ 7 m 条件下，得出了试验地点临界注水压力为 14 MPa，水压在 14 ～ 20 MPa 进行分段点式水力压裂较为适 宜，试验过程简单易行，在现有条件下压裂可在 5 min 内完成，试验地点压裂后钻孔平均抽放瓦斯流量和体积分数明显提高． 关键词 煤矿; 开采; 瓦斯; 抽放; 水力压裂; 透气性 分类号 TD712 + . 6 Underground segmentation point hydraulic fracturing antireflection for lowpermeability coal seams YANG Hong-wei 1，2) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High － Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Coal Safety，Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Shenyang 110016，China Corresponding author，E-mail: yanghongwei168@ 126． com ABSTRACT The principle and process of underground segmentation point hydraulic fracturing for low-permeability coal seams were studied by means of numerical analysis and field test． Underground segmentation hydraulic fracturing is intended to change the traditional force way to make coal more force and interaction，and finally to produce the effect of fracturing． The hydraulic fracturing test at the west second mining area of Chenshan Coal Mine in northeastern China shows that when the fractured radius is 5 to 7 m，the critical injection pressure is 14 MPa，and it is suitable for the hydraulic fracturing that the injection pressure is 14 to 20 MPa． The test procedure is so simple that the hydraulic fracturing can be completed within 5 min，and the average gas flow and volume fraction of gas drainage are significantly increasing after the hydraulic fracturing． KEY WORDS coal mines; mining; coal gas; drainage; hydraulic fracturing; gas permeability 收稿日期: 2011--08--11 基金项目: “十一五“国家支撑计划资助项目( 2006BAK03B03) 水力压裂技术作为一种卸压抽放瓦斯的手段， 被广泛应用于地面和井下来增加煤层透气性［1--2］． 1965 年煤炭科学研究总院沈阳研究院( 原煤科总院 抚顺分院) 在全国首次将水力压裂技术应用在煤层 强化抽放瓦斯领域，通过地面钻孔或井下钻孔对煤 层实施压裂，并进行了现场试验［3］． 由于当时的工 艺复杂，所以该技术没有得到大面积推广和应用． 分段水力压裂最早在地面油气井压裂中得到过应 用［4--6］，效果明显; 而井下低透气性煤层分段水力压 裂还处于摸索期［7--9］． 井下分段水力压裂工艺改变 了以前水力压裂对煤层的单点受力模式，降低了水 力压裂的出水压力，整个压裂工艺趋于简单化，便 捷化． 1 井下分段点式水力压裂技术原理 水力压裂就是利用高压水将煤体冲开，产生裂 隙． 分段水力压裂主要是通过改变井下水力压裂措 施的力作用方式，将整个钻孔分为数段，每一段设置 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.11.003
·1236· 北京科技大学学报 第34卷 一个高压喷水口，这些喷水口利用水封胶囊进行连 在前一个点压开煤层，后一个点的水压不会发生 接，每次注水将压力集中在一点上进行压裂，使煤体 变化. 力的作用范围由体变成点，达到高压、小流量压裂的 目的.在施工压裂孔的同时布置平行的控制孔，在 2分段点式水力压裂技术数值分析 压裂过程中建立人为设定松动圈，使作用范围内的 多点压裂具有同步性，即只有所有胶囊达到了 煤体发生一定量的位移，煤层裂隙得到扩张，从而增 封孔的压力，才能够将水压作用于煤体，因此数值分 加煤层的透气性，提高预抽率.由于作用点比较集 析单点的破裂情况具有代表性，暂不考虑多点的相 中，不仅压裂效果得到很好地改善，而且较小的流量 互作用情况.水力压裂是液体和固体相互作用的结 即可获得较好的压裂效果，从而降低对压裂水力系 果，将固、液两相介质耦合起来，分析水力压裂过程 统的要求，设备的体积大大减小，压裂施工成本大幅 中裂纹扩展更符合实际情况.本文采用边界耦合方 降低：同时分段水力压裂具有多个封孔胶囊、多个注 式计算固液耦合的相互作用，根据迭代方法求解数 水器和多个钻孔同时工作的特点，既方便快捷又能 值解.为了更好地求出数值解，提出以下假设条 达到大幅增加煤层透气性的要求.井下分段水力压 件00=0： 裂系统及封孔器结构如图1和图2.分段水力压裂 (1)煤岩体是均质、各向同性的弹性介质，煤岩 设备主要有高压注水泵、封孔器、注水器和高压注水 体的渗透性能低，在建立模型中可忽略： 管等组成.高压水通过高压密封胶囊后，通过减压 (2)裂纹的断裂扩展是一个准静态的过程，裂 阀将压力降低1MPa,再通过注水器注入钻孔，所以 纹张开和流体动量方程中都忽略惯性项： 高压密封胶囊的压力始终比注水压力大1MPa,起 (3)分段水力压裂不考虑各段之间的相互影 到了密封的作用，如果注水泵的压力始终保持不变， 响，对单段进行数值计算 钻孔出口减压阀 建立的裂隙扩展的水力学耦合数学模型 如下凶： 胶粪 胶囊 [(入+u)4+u:+F:=0, 图1井下分段点式水力压裂工艺系统 ag_aue=0, ax at Fig.I Underground segmentation point hydraulic fracturing system (1) g-品黑 lK≥Ke 巷道 式中，入和μ为拉梅弹性常数，F为外载荷，u为岩 高爪注水泵 封孔器 体节点的水平位移，q为沿裂纹长度的水通量，)为 猫 水的动力黏度，P为裂纹中的水压，心为裂纹的张开 度，，为裂纹的渗透系数，1为时间，K为材料的断 图2分段水力压裂封孔器结构 裂韧性，K为张开型裂纹应力强度因子.表1为城 Fig.2 Sealing device for the segmentation point hydraulic fracturing structure 山煤矿西二采区4"煤层力学特性和压裂参数 表1城山煤矿西二采区4*煤层力学特性和压裂参数 Table 1 Mechanical characteristics and fracture parameters of 4*seam in the west second mining area of Chengshan Coal Mine 孔间距/m 压裂孔长度/m 泊松比，y 垂直应力/MPa 单轴抗压强度/MPa自然饱水弹性模量/MPa 孔隙率/% 5 18 0.38 890 19.21 3829 7.35 根据所建数学模型进行数值计算，在压裂半径 增加.这在后面的实践中得到验证 为5m,注水压力分别为10MPa和12.8MPa时，裂 3分段点式水力压裂井下工业试验 隙半径随时间变化，如图3和图4.水力压裂初期裂 纹扩展迅速，5min内预裂孔就接近控制孔，之后扩 3.1试验钻孔的布置 展缓慢，说明在压裂初期，水头压力很重要，与注水 试验地点是鸡西城山煤矿西二采区4"右三下 时间不呈线性关系，随着注水压力的增加破裂半径 巷，煤层倾角14°，煤厚2.8m,此地段处于回风位
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 一个高压喷水口，这些喷水口利用水封胶囊进行连 接，每次注水将压力集中在一点上进行压裂，使煤体 力的作用范围由体变成点，达到高压、小流量压裂的 目的． 在施工压裂孔的同时布置平行的控制孔，在 压裂过程中建立人为设定松动圈，使作用范围内的 煤体发生一定量的位移，煤层裂隙得到扩张，从而增 加煤层的透气性，提高预抽率． 由于作用点比较集 中，不仅压裂效果得到很好地改善，而且较小的流量 即可获得较好的压裂效果，从而降低对压裂水力系 统的要求，设备的体积大大减小，压裂施工成本大幅 降低; 同时分段水力压裂具有多个封孔胶囊、多个注 水器和多个钻孔同时工作的特点，既方便快捷又能 达到大幅增加煤层透气性的要求． 井下分段水力压 裂系统及封孔器结构如图 1 和图 2． 分段水力压裂 设备主要有高压注水泵、封孔器、注水器和高压注水 管等组成． 高压水通过高压密封胶囊后，通过减压 阀将压力降低 1 MPa，再通过注水器注入钻孔，所以 高压密封胶囊的压力始终比注水压力大 1 MPa，起 到了密封的作用，如果注水泵的压力始终保持不变， 图 1 井下分段点式水力压裂工艺系统 Fig． 1 Underground segmentation point hydraulic fracturing system 图 2 分段水力压裂封孔器结构 Fig． 2 Sealing device for the segmentation point hydraulic fracturing structure 在前一个点压开煤层，后一个点的水压不会发生 变化． 2 分段点式水力压裂技术数值分析 多点压裂具有同步性，即只有所有胶囊达到了 封孔的压力，才能够将水压作用于煤体，因此数值分 析单点的破裂情况具有代表性，暂不考虑多点的相 互作用情况． 水力压裂是液体和固体相互作用的结 果，将固、液两相介质耦合起来，分析水力压裂过程 中裂纹扩展更符合实际情况． 本文采用边界耦合方 式计算固液耦合的相互作用，根据迭代方法求解数 值解． 为了更好地求出数值解，提出以下假设条 件［10--11］: ( 1) 煤岩体是均质、各向同性的弹性介质，煤岩 体的渗透性能低，在建立模型中可忽略; ( 2) 裂纹的断裂扩展是一个准静态的过程，裂 纹张开和流体动量方程中都忽略惯性项; ( 3) 分段水力压裂不考虑各段之间的相互影 响，对单段进行数值计算． 建立 的 裂 隙 扩 展 的 水 力 学 耦 合 数 学 模 型 如下［12］: ( λ + μ) uj + μui + Fi = 0， q x － w t = 0， q = － ω3 12η ·p x ， KI≥KIc ． ( 1) 式中，λ 和 μ 为拉梅弹性常数，F 为外载荷，u 为岩 体节点的水平位移，q 为沿裂纹长度的水通量，η 为 水的动力黏度，p 为裂纹中的水压，w 为裂纹的张开 度，ω3 12η 为裂纹的渗透系数，t 为时间，KI为材料的断 裂韧性，KIc为张开型裂纹应力强度因子． 表 1 为城 山煤矿西二采区 4# 煤层力学特性和压裂参数． 表 1 城山煤矿西二采区 4# 煤层力学特性和压裂参数 Table 1 Mechanical characteristics and fracture parameters of 4# seam in the west second mining area of Chengshan Coal Mine 孔间距/m 压裂孔长度/m 泊松比，γ 垂直应力/MPa 单轴抗压强度/MPa 自然饱水弹性模量/MPa 孔隙率/% 5 18 0. 38 890 19. 21 3 829 7. 35 根据所建数学模型进行数值计算，在压裂半径 为 5 m，注水压力分别为 10 MPa 和 12. 8 MPa 时，裂 隙半径随时间变化，如图 3 和图 4． 水力压裂初期裂 纹扩展迅速，5 min 内预裂孔就接近控制孔，之后扩 展缓慢，说明在压裂初期，水头压力很重要，与注水 时间不呈线性关系，随着注水压力的增加破裂半径 增加． 这在后面的实践中得到验证． 3 分段点式水力压裂井下工业试验 3. 1 试验钻孔的布置 试验地点是鸡西城山煤矿西二采区 4# 右三下 巷，煤层倾角 14°，煤厚 2. 8 m，此地段处于回风位 ·1236·
第11期 杨宏伟：低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透 ·1237· 首先将注水胶管、注水铁管、注水胶囊、注水器和注 水泵进行连接形成一个高压注水系统，整个系统在 地面上进行漏水和强度试验，之后将注水器放入钻 3 孔当中，并将注水器进行固定，可以连接多个封孔器 和注水器进行多点压裂.试验中三点同时进行水力 压裂，全部连接工作完成之后，在注水泵处进行远距 离操作，由于是高压注水，所以需要做好安全防范工 003579山8579212325 作.本次试验结果见表2和表3. 水力压裂时间min 表2控制孔和压裂孔参数 图3注水压力为10MPa时水力压裂时间与裂隙半径关系 Table 2 Parameters of control holes and fracturing holes Fig.3 Relationship of hydraulic fracturing time and crack radius when the injection pressure is 10 MPa 孔号类别孔深/m倾角/(）方位角/()间距/m孔径/mm 1控制孔19.5 0 70 > 75 2压裂孔20.0 0 70 5 75 3控制孔21.5 0 70 15 4压裂孔16.6 0 70 5 75 5控制孔23.0 0 70 75 6压裂孔18.0 0 号 7 75 7控制孔21.0 0 90 234567891011121314 表3压裂孔压裂情况 水力压裂时间min Table 3 Situation of fracturing holes 图4注水压力为12.8MPa时水力压裂时间与裂隙半径关系 Fig.4 Relationship of hydraulic fracturing time and crack radius 孔段/ 压裂时 开裂压 最终稳定 孔号 效果 m 间/min 力/MPa 压力MPa when the injection pressure is 12.8 MPa 18.0 60.0 8.5 未压开 置，工作面尚未回采，适宜安装试验设备.试验钻孔 16.0,14.5 20.0 16 10.0 压开 的布置如图5，压裂孔和控制孔相隔布置，间距为 14.0 10.0 一 6.0 未压开 5m或7m. 10.0 5.2 14 20.0 压开 16.0 5.2 15 20.0 压开 14.0 14.0 14 20.0 水力设备 6 压开 12.0,10.5 14.0 14 20.0 压开 封孔器 3.3注水压力变化分析 图6~图11为现场试验结果.可见试验地点煤 层的初始压裂压力为14MPa以上，即试验地点煤体 压裂区 压裂点 点压裂的临界压力为14MPa.操作中必须有足够的 初始压力，否则靠时间和水量无法达到目的，2号孔 18m处用8.5MPa的压力压裂1h也没有起到效果， 说明需要初始压力使煤体破裂到一定程度，后续水 压裂孔 控制孔 压裂孔 控制孔压裂孔 量才能使裂隙继续扩展.另外，钻孔需要用水冲洗， 图5分段点式水力压裂试验钻孔布置 否则容易使胶囊产生点破裂，2号孔在试验过程中 Fig.5 Drilling arrangement of segmentation point hydraulic fractu- 出现过密封胶囊破裂现象.试验证明分段水力压裂 ring test 方便快捷，一般能够在5min内完成压裂过程.胶囊 3.2试验过程 封孔是否漏水与钻孔成孔的程度有密切关系，否则 在施工完控制孔和压裂孔之后，进行注水试验， 容易产生短路现象，即压力水从压裂孔直接流出，无 主要考察水是否从控制孔流出，以及流出量的大小. 法达到使煤体破裂的临界压力，有些封孔段压力无
第 11 期 杨宏伟: 低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透 图 3 注水压力为 10 MPa 时水力压裂时间与裂隙半径关系 Fig． 3 Relationship of hydraulic fracturing time and crack radius when the injection pressure is 10 MPa 图 4 注水压力为 12. 8 MPa 时水力压裂时间与裂隙半径关系 Fig． 4 Relationship of hydraulic fracturing time and crack radius when the injection pressure is 12. 8 MPa 置，工作面尚未回采，适宜安装试验设备． 试验钻孔 的布置如图 5，压裂孔和控制孔相隔布置，间距为 5 m或 7 m． 图 5 分段点式水力压裂试验钻孔布置 Fig． 5 Drilling arrangement of segmentation point hydraulic fracturing test 3. 2 试验过程 在施工完控制孔和压裂孔之后，进行注水试验， 主要考察水是否从控制孔流出，以及流出量的大小． 首先将注水胶管、注水铁管、注水胶囊、注水器和注 水泵进行连接形成一个高压注水系统，整个系统在 地面上进行漏水和强度试验，之后将注水器放入钻 孔当中，并将注水器进行固定，可以连接多个封孔器 和注水器进行多点压裂． 试验中三点同时进行水力 压裂，全部连接工作完成之后，在注水泵处进行远距 离操作，由于是高压注水，所以需要做好安全防范工 作． 本次试验结果见表 2 和表 3． 表 2 控制孔和压裂孔参数 Table 2 Parameters of control holes and fracturing holes 孔号 类别 孔深/m 倾角/( °) 方位角/( °) 间距/m 孔径/mm 1 控制孔 19. 5 0 70 7 75 2 压裂孔 20. 0 0 70 5 75 3 控制孔 21. 5 0 70 5 75 4 压裂孔 16. 6 0 70 5 75 5 控制孔 23. 0 0 70 5 75 6 压裂孔 18. 0 0 90 7 75 7 控制孔 21. 0 0 90 — 75 表 3 压裂孔压裂情况 Table 3 Situation of fracturing holes 孔号 孔段/ m 压裂时 间/min 开裂压 力/MPa 最终稳定 压力/MPa 效果 2 18. 0 60. 0 — 8. 5 未压开 16. 0，14. 5 20. 0 16 10. 0 压开 4 14. 0 10. 0 — 6. 0 未压开 10. 0 5. 2 14 20. 0 压开 16. 0 5. 2 15 20. 0 压开 6 14. 0 14. 0 14 20. 0 压开 12. 0，10. 5 14. 0 14 20. 0 压开 3. 3 注水压力变化分析 图 6 ～ 图 11 为现场试验结果． 可见试验地点煤 层的初始压裂压力为 14 MPa 以上，即试验地点煤体 点压裂的临界压力为 14 MPa． 操作中必须有足够的 初始压力，否则靠时间和水量无法达到目的，2 号孔 18 m 处用 8. 5 MPa 的压力压裂 1 h 也没有起到效果， 说明需要初始压力使煤体破裂到一定程度，后续水 量才能使裂隙继续扩展． 另外，钻孔需要用水冲洗， 否则容易使胶囊产生点破裂，2 号孔在试验过程中 出现过密封胶囊破裂现象． 试验证明分段水力压裂 方便快捷，一般能够在 5 min 内完成压裂过程． 胶囊 封孔是否漏水与钻孔成孔的程度有密切关系，否则 容易产生短路现象，即压力水从压裂孔直接流出，无 法达到使煤体破裂的临界压力，有些封孔段压力无 ·1237·
·1238· 北京科技大学学报 第34卷 法达到预定值，说明封孔处的成孔效果不佳.当注 水压力达到20MPa以上时，长时间内水压降低不 大，而压力又加不上去，说明裂缝已经形成并且没有 10 扩大的趋势 5 0 20 0 出水 注水时间/min 10 图92号孔同时封孔16.0m和14.5m处压裂时间与注水压力 变化 06 出水点 Fig.9 Change of injection pressure with fracturing time at 16.0 m 0 1.0 1.11.21.31.42.0 3050赛点 and 14.5 m of No.2 hole 注水时间/min 图66号孔封孔16m处压裂时间与注水压力变化 Fig.6 Change of injection pressure with fracturing time at 16 m of No.6 hole 3 25 1 0 15 停泵点 0.1 注水时向/min 图104号孔14m处压裂时间与注水压力变化 0￥ 04113141出李点，51012停六 出水点 Fig.10 Change of injection pressure with fracturing time at 14 m of 0 No.4 hole 注水时问/min 图76号孔同时封孔12.0m和10.5m处压裂时间与注水压力 25 变化 Fig.7 Change of injection pressure with fracturing time at 12.0 m and 10.5 m of No.6 hole 5 14 0 山水点 停系点 01.02.02.22.32.43.04.05.05.2 注水时向/min 4 图114号孔10m压裂时间与注水压力变化 2 Fig.11 Changes of injection pressure with fracturing time at 10 m of 0 停泵点 No.4 hole 2 2.5 60 注水时向/min 表4井下分段点式水力压裂前后瓦斯抽放效果 图82号孔封孔18m处压裂时间与注水压力变化 Table 4 Effect of gas drainage before and after underground segmenta- Fig.8 Change of injection pressure with fracturing time at 18 m of tion point hydraulic fracturing No.2 hole 试验 单个钻孔 平均流量/ 平均体积 地点 抽放参数 (m.min-!) 分数/% 试验半径为5m和7m,胶囊的封孔半径为 压裂前 0.15 75mm,如果条件允许，可以加大压裂半径和初始压 4*右三下巷 压裂后 0.65 26 力，效果会更加明显 4效果考察 5 结论 西二采区4"右三下巷水力压裂孔在实施压裂 (1)整个水力压裂系统简单快捷，压裂时间在 之后进行了封孔，随后进行瓦斯抽放工作.与同一 5min内完成，可以进行多点水力压裂.本试验进行 采区其他未进行压裂试验地区相比较，瓦斯抽放流 了三点水力压裂试验，取得理想效果，较适合试验地 量和体积分数都得到大幅度的提高，煤层的透气性 点的条件 增加了多倍，说明压裂效果较明显，见表4. (2)试验地点煤体点压裂的临界压力为
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 法达到预定值，说明封孔处的成孔效果不佳． 当注 水压力达到 20 MPa 以上时，长时间内水压降低不 大，而压力又加不上去，说明裂缝已经形成并且没有 扩大的趋势． 图 6 6 号孔封孔 16 m 处压裂时间与注水压力变化 Fig． 6 Change of injection pressure with fracturing time at 16 m of No． 6 hole 图 7 6 号孔同时封孔 12. 0 m 和 10. 5 m 处压裂时间与注水压力 变化 Fig． 7 Change of injection pressure with fracturing time at 12. 0 m and 10. 5 m of No． 6 hole 图 8 2 号孔封孔 18 m 处压裂时间与注水压力变化 Fig． 8 Change of injection pressure with fracturing time at 18 m of No． 2 hole 试验半 径 为 5 m 和 7 m，胶囊的封孔半径为 75 mm，如果条件允许，可以加大压裂半径和初始压 力，效果会更加明显［13--15］． 4 效果考察 西二采区 4# 右三下巷水力压裂孔在实施压裂 之后进行了封孔，随后进行瓦斯抽放工作． 与同一 采区其他未进行压裂试验地区相比较，瓦斯抽放流 量和体积分数都得到大幅度的提高，煤层的透气性 增加了多倍，说明压裂效果较明显，见表 4． 图 9 2 号孔同时封孔 16. 0 m 和 14. 5 m 处压裂时间与注水压力 变化 Fig． 9 Change of injection pressure with fracturing time at 16. 0 m and 14. 5 m of No． 2 hole 图 10 4 号孔 14 m 处压裂时间与注水压力变化 Fig． 10 Change of injection pressure with fracturing time at 14 m of No． 4 hole 图 11 4 号孔 10 m 压裂时间与注水压力变化 Fig． 11 Changes of injection pressure with fracturing time at 10 m of No． 4 hole 表 4 井下分段点式水力压裂前后瓦斯抽放效果 Table 4 Effect of gas drainage before and after underground segmentation point hydraulic fracturing 试验 地点 单个钻孔 抽放参数 平均流量/ ( m3 ·min － 1 ) 平均体积 分数/% 4# 右三下巷 压裂前 0. 15 8 压裂后 0. 65 26 5 结论 ( 1) 整个水力压裂系统简单快捷，压裂时间在 5 min 内完成，可以进行多点水力压裂． 本试验进行 了三点水力压裂试验，取得理想效果，较适合试验地 点的条件． ( 2 ) 试验地点煤体点压裂的临界压力为 ·1238·
第11期 杨宏伟：低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透 ·1239· 14MPa,在现有的试验条件下，水压在14~20MPa Development Process about Hydraulic Fracture in Mining-coal Bed 进行点式水力压裂较为适宜. [Dissertation].Fuxin:Liaoning Technical University,2004 (3)试验地点分段水力压裂后煤层的透气性增加 (张国华.本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究[学 位论文].阜新：辽宁工程技术大学，2004) 了数倍，瓦斯抽放流量和体积分数都有很大的提高，这 [8]Li T L.Mechanism of coal seam hydraulic fracturing.Nat Gas 为低透气性煤层瓦斯抽放提供了一种可行的手段 lnd,1997,17(4):53 (李同林.煤岩层水力压裂造缝机理分析.天然气工业，1997， 参考文献 17(4):53) [1]Xu Y G.Some new developments of hydraulic fracturing.J Xian 9] Martynyuk P A.Features of hydraulic fracture growth in the com- Pet Inst Nat Sci,1998.13(4):51 pression field.J Min Sci,2008,44(6):544 (胥元刚.水力压裂的几个新进展.西安石油学院学报：自然科 [10]Leng X F,Tang C A,Yang T H,et al.Numerical simulation 学版，1998,13(4)：51) and analysis on heterogeneous and pemmeable rocks under hydrau- 2]Zhou S N,Sun J Z.Theory and application of coal-seam gas flow. lic fracturing.J Northeast Unir Nat Sci,2002,23(11):1104 J China Coal Soc,1965,2(1):24 (冷雪峰，唐春安，杨天鸿，等.岩石水压致裂过程的数值模拟 (周世宁，孙辑正.煤层瓦斯流动理论及其应用.煤炭学报， 分析.东北大学学报：自然科学版，2002,23(11)：1104) 1965,2(1):24) [11]Shen J,Zhao Y S,Duan K L.Numerical simulation of hydraulic 3]Guo YY,He X Q,Lin B Q.Research and Progress of Strategy of fracture in low permeable coal and rock mass.China Coal Soc, Coal Mine significant Disaster Prevention.Xuzhou:China Univer- 1997,22(6):580 sity of Mining and Technology Press,2003:46 (申晋，赵阳升，段康廉.低渗透煤岩体水力压裂的数值模拟 (郭勇义，何学秋，林柏泉.煤矿重大灾害防治战略研究与进 煤炭学报，1997,22(6)：580) 展.徐州：中国矿业大学出版社，2003：46) [12]Duan K L,Zhao Y S,Hu Y O.A study on consolidation deform- 4]Du CZ,Mao X B,Bu W K.Analysis of fracture propagation in ation of coal caused by pore water pressure.I China Coal Soc, coal seams during hydraulic fracturing.JMin Saf Eng,2008,25 1995,20(2):139 (2):231 (段康魔，赵阳升，胡耀青.孔隙水压引起煤体固结变形的研 (杜春志，茅献彪，卜万奎.水力压裂时煤层缝裂的扩展分析， 究.煤炭学报，1995,20(2)：139) 采矿与安全工程学报，2008,25(2)：231) [13]Yang H W,Fu X,Zhang J J,et al.Research of drainage pumps 5]Yang X F,Liu X S,Chen M,et al.Simulation of hydraulic frac- testing in working condition.Saf Coal Mines,2008(11):37 ture geometry at home and abroad development status.West China (杨宏伟，富向，张晋京，等.工作状态下多瓦斯抽放系统性 Explor Eng,1997,9(6):8 能测试.煤矿安全，2008(11)：37) (杨秀夫，刘希圣，陈勉，等.国内外水压裂缝几何形态模拟研 [14]Zhang G H,Ge X.Analysis of start-split characteristic of hydrau- 究的发展现状.西部探矿工程，1997,9(6)：8) lic fracture bore.J Liaoning Tech Univ,2005,24(6):789 [6]Zhang P,Zhao JZ,Guo D L,et al.Numerical simulation of hy- (张国华，葛新.水力压裂钻孔始裂特点分析.辽宁工程技术 draulic fracturing of crack extension.Oil Drill Prod Technol,1997, 大学学报，2005,24(6)：789) 19(3):53 [5]Jeffrey R G,Enever J R,Ferguson T,et al.Small-scale hydrau- (张平，赵金洲，郭大立，等.水力压裂裂缝三维延伸数值模拟 lic fracturing and mineback experiments in coal seams /Pro- 研究.石油钻采工艺，1997,19(3)：53) ceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium. ]Zhang G H.The Study of Induce-crack Mechanicals and Cranny s Birmingham,1993:79
第 11 期 杨宏伟: 低透气性煤层井下分段点式水力压裂增透 14 MPa，在现有的试验条件下，水压在 14 ～ 20 MPa 进行点式水力压裂较为适宜． ( 3) 试验地点分段水力压裂后煤层的透气性增加 了数倍，瓦斯抽放流量和体积分数都有很大的提高，这 为低透气性煤层瓦斯抽放提供了一种可行的手段． 参 考 文 献 ［1］ Xu Y G． Some new developments of hydraulic fracturing． J Xi'an Pet Inst Nat Sci，1998，13( 4) : 51 ( 胥元刚． 水力压裂的几个新进展． 西安石油学院学报: 自然科 学版，1998，13( 4) : 51) ［2］ Zhou S N，Sun J Z． Theory and application of coal-seam gas flow． J China Coal Soc，1965，2( 1) : 24 ( 周世宁，孙辑正． 煤层瓦斯流动理论及其应用． 煤 炭 学 报， 1965，2( 1) : 24) ［3］ Guo Y Y，He X Q，Lin B Q． Research and Progress of Strategy of Coal Mine significant Disaster Prevention． Xuzhou: China University of Mining and Technology Press，2003: 46 ( 郭勇义，何学秋，林柏泉． 煤矿重大灾害防治战略研究与进 展． 徐州: 中国矿业大学出版社，2003: 46) ［4］ Du C Z，Mao X B，Bu W K． Analysis of fracture propagation in coal seams during hydraulic fracturing． J Min Saf Eng，2008，25 ( 2) : 231 ( 杜春志，茅献彪，卜万奎． 水力压裂时煤层缝裂的扩展分析． 采矿与安全工程学报，2008，25( 2) : 231) ［5］ Yang X F，Liu X S，Chen M，et al． Simulation of hydraulic fracture geometry at home and abroad development status． West China Explor Eng，1997，9( 6) : 8 ( 杨秀夫，刘希圣，陈勉，等． 国内外水压裂缝几何形态模拟研 究的发展现状． 西部探矿工程，1997，9( 6) : 8) ［6］ Zhang P，Zhao J Z，Guo D L，et al． Numerical simulation of hydraulic fracturing of crack extension． Oil Drill Prod Technol，1997， 19( 3) : 53 ( 张平，赵金洲，郭大立，等． 水力压裂裂缝三维延伸数值模拟 研究． 石油钻采工艺，1997，19( 3) : 53) ［7］ Zhang G H． The Study of Induce-crack Mechanicals and Cranny s Development Process about Hydraulic Fracture in Mining-coal Bed ［Dissertation］． Fuxin: Liaoning Technical University，2004 ( 张国华． 本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究［学 位论文］． 阜新: 辽宁工程技术大学，2004) ［8］ Li T L． Mechanism of coal seam hydraulic fracturing． Nat Gas Ind，1997，17( 4) : 53 ( 李同林． 煤岩层水力压裂造缝机理分析． 天然气工业，1997， 17( 4) : 53) ［9］ Martynyuk P A． Features of hydraulic fracture growth in the compression field． J Min Sci，2008，44( 6) : 544 ［10］ Leng X F，Tang C A，Yang T H，et al． Numerical simulation and analysis on heterogeneous and permeable rocks under hydraulic fracturing． J Northeast Univ Nat Sci，2002，23( 11) : 1104 ( 冷雪峰，唐春安，杨天鸿，等． 岩石水压致裂过程的数值模拟 分析． 东北大学学报: 自然科学版，2002，23( 11) : 1104) ［11］ Shen J，Zhao Y S，Duan K L． Numerical simulation of hydraulic fracture in low permeable coal and rock mass． J China Coal Soc， 1997，22( 6) : 580 ( 申晋，赵阳升，段康廉． 低渗透煤岩体水力压裂的数值模拟． 煤炭学报，1997，22( 6) : 580) ［12］ Duan K L，Zhao Y S，Hu Y Q． A study on consolidation deformation of coal caused by pore water pressure． J China Coal Soc， 1995，20( 2) : 139 ( 段康廉，赵阳升，胡耀青． 孔隙水压引起煤体固结变形的研 究． 煤炭学报，1995，20( 2) : 139) ［13］ Yang H W，Fu X，Zhang J J，et al． Research of drainage pumps testing in working condition． Saf Coal Mines，2008( 11) : 37 ( 杨宏伟，富向，张晋京，等． 工作状态下多瓦斯抽放系统性 能测试． 煤矿安全，2008( 11) : 37) ［14］ Zhang G H，Ge X． Analysis of start-split characteristic of hydraulic fracture bore． J Liaoning Tech Univ，2005，24( 6) : 789 ( 张国华，葛新． 水力压裂钻孔始裂特点分析． 辽宁工程技术 大学学报，2005，24( 6) : 789) ［15］ Jeffrey R G，Enever J R，Ferguson T，et al． Small-scale hydraulic fracturing and mineback experiments in coal seams / / Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium． Birmingham，1993: 79 ·1239·