南桐礦業公司魚田堡煤礦
穿層鑽孔定向水力壓裂煤層增透技術
報告（初稿）
二〇一一年三月
防止煤與瓦斯突出在煤礦安全上一直是世界性的難題。在近年來重慶發生的煤礦安全重大事故中，瓦斯突出佔了很高的比例。隨著採深的不斷增加，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力在不斷增加，瓦斯問題日益凸顯。
為解決重慶地區瓦斯治理難題，重慶能源投資集團科技****聯合重慶大學開展了定向水力壓裂增透技術相關研究，並在松藻煤電有限責任公司逢春煤礦和南桐礦業有限責任公司魚田堡煤礦進行了應用研究。在理論研究和實驗室實驗研究的基礎上，在南桐礦業公司魚田堡煤礦34區-350m東抽放道實施了水力壓裂並取得了以下成果：
通過2011-1-8日的實驗得出，在魚田堡煤礦34區-350m東抽放道5#煤層起裂壓力為23mpa，延伸壓力為19mpa。實驗共進行了40min，注水量為6.9m3。
經現場檢視，發現壓裂孔東側10m考察孔出口處壓力表讀數為15.6mpa，上方、西側考察孔壓力均超過壓力表量程（10mpa），下方壓力表沒有讀數，但有水流出。可以判斷，魚田堡5#煤層在40分鐘以內其有效壓裂範圍能夠達到10m以上。
分別在在4個考察孔附近鑽進4個抽放孔進行瓦斯抽放考察壓裂後瓦斯抽放引數。並於2011-01-26開始接抽，截止到2011-02-17，壓裂孔平均抽放濃度為95.4%，平均抽放純量為0.
0673m3/min；抽放孔1#平均抽放濃度為25.6%，平均抽放純量為0.0147m3/min；抽放孔2#平均抽放濃度為33.
1%，平均抽放純量為0.02m3/min；抽放孔1#平均抽放濃度為25.6%，平均抽放純量為0.
0147m3/min；抽放孔3#平均抽放濃度為33.4%，平均抽放純量為0.0177m3/min；抽放孔4#平均抽放濃度為36.
1%，平均抽放純量為0.0192m3/min。壓裂範圍內平均抽放濃度為44.
72%，平均抽放純量為0.1389m3/min；相比同一抽放道普通鑽孔抽放濃度（13.28571%）提高了3.
37倍，抽放純量（0.00796 m3/min）提高了17.45倍。
共抽放23天，5個孔共抽放瓦斯純量為4725m3，相比同一抽放道5個鑽孔瓦斯抽放純量（368m3）提高了12.83倍。
目錄摘要 i
1 前言 1
2 穿層孔定向水力壓裂理論分析 2
2.1 穿層孔定向壓裂提高煤層透氣性定性分析 2
2.2 穿層孔定向水力壓裂裂縫控制研究 4
3 穿層孔定向水力壓裂技術裝備及工藝 6
3.1 穿層孔定向水力壓裂技術裝備 6
3.2 穿層孔定向水力壓裂工藝流程 6
3.3 封孔工藝 7
4 魚田堡煤礦穿層孔定向水力壓裂試驗 9
4.1試驗地點概況 9
4.1.1 礦井概況 9
4.1.2 試驗地點概況 10
4.2 第一階段試驗 11
4.2.1 鑽孔布置 11
4.2.2 壓裂過程 12
4.2.3 方案修正 13
4.3 第二階段試驗 14
4.4 第三階段試驗 14
4.4 第四階段試驗 16
4.5 試驗資料分析 17
5 結論與建議 19
1 前言
防止煤與瓦斯突出在煤礦安全上一直是世界性的難題。在近年來重慶發生的煤礦安全重大事故中，瓦斯突出佔了很高的比例。隨著採深的不斷增加，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力在不斷增加，高瓦斯礦井和突出礦井的數量還會不斷的增加。
解決高瓦斯突出煤層開採過程中的瓦斯問題的常規措施之一是瓦斯抽放。通過瓦斯抽放，不僅可以有效地減少煤層開採過程中的瓦斯湧出，確保煤礦生產的安全性，同時，所抽出來的高濃度瓦斯又可加以利用，實現雙能源開採，一舉兩得。但是，由於松藻礦區煤層屬於低透氣性煤層，常規的瓦斯抽放方法難以發揮作用，主要存在的問題是：
鑽孔有效影響範圍小，工作面鑽孔施工工作量大，抽放效率低，這就必須在抽放瓦斯前對所抽煤層區域採取卸壓增透方法，擴大抽放鑽孔有效影響範圍，提高煤層瓦斯抽放效果。
高瓦斯低透氣性突出煤層的卸壓增透技術可分為兩大類，一類是煤層層內卸壓增透技術，另一類是煤層層外卸壓增透技術。層外卸壓增透技術如開採保護層技術已經應用得相當成熟，並取得良好的效果。對於不具備保護層開採條件的高瓦斯突出煤層，特別是低透氣鬆軟煤層，就目前區域防突措施技術水平而言，採用層內卸壓增透技術較為合理且效果較好。
層內卸壓增透的難點在於煤層透氣性差，而瓦斯抽採效果主要取決於煤層的透氣性係數。增大煤層層內瓦斯抽採流量，主要採取的措施是增加煤層透氣性。
但由於防突措施工序複雜，使得煤巷掘進速度緩慢，造成採掘比例嚴重失調。嚴重突出礦井更是採掘效率低，經營狀況舉步維艱。目前，大多數嚴重突出礦井煤層巷道掘進速度大都在30~40m/月。
現有防突技術裝備不能滿足現場實際要求，在一些條件特殊的礦井採用常規防突措施又很難取得預期效果。因而，開發一種可行的高效防突裝置及技術措施，提高防突效果和工作面進尺，改善防突現狀，是煤與瓦斯突出礦井實現安全、高效生產的迫切需要。
高壓水射流割縫已經被證明能夠有效快速的提高煤層透氣性，但其影響範圍相對較小。水力壓裂隨能夠達到較大的影響範圍，但因其昂貴的裝置、複雜的工序，遏制了其推廣應用。針對以上問題，結合高壓水射流割縫及水力壓裂的優點，重慶大學提出煤層定向壓裂增透技術，即在高壓水射流割縫的基礎上，對煤層實施水力壓裂，以達到卸壓增透的目的。
穿層孔定向壓裂是採用高壓水射流在煤層中割縫，在煤層中形成一定的卸壓區域，擴大鑽孔周圍塑性區範圍。之後對鑽孔進行封孔，向煤層中注入高壓水，促使煤層裂隙擴充套件，增大煤層透氣性。為此，需明確定向壓裂提高煤層透氣性機理、高壓水射流切縫後煤層塑性區特性，以及塑性區內裂縫起裂和擴充套件機理。
2.1 穿層孔定向壓裂提高煤層透氣性定性分析
通過煤及煤層的形成過程可以了解到，煤分層中含有大量的原生微裂隙，而煤層中分層之間存在著層理弱面，同時受地質構造的作用，在煤分層和煤層內部將產生與層面成一定角度的構造裂隙，這種構造裂隙有可能只存在於煤分層之中，也有可能貫穿於分層之間，故將其統稱為切割裂隙。
由於層理、切割裂隙、以及原生微裂隙的分割作用，在煤層內部將其分割成一些單獨的塊體，而在塊體內又分布著大量孔隙。
當採用水力壓裂提高煤層的滲透率時，高壓水對煤層的結構破壞過程不同於實驗室中單軸壓縮條件下破壞過程。單軸壓縮作用下煤的破壞是煤體在外力作用下的破壞，而煤層注水壓裂破壞是借助流體水在煤層各種弱面內對弱面兩壁面的支撐作用，使弱面發生張開、擴充套件和延伸，從而對煤層形成內部分割。這種分割過程一方面通過弱面的張開和擴充套件增加了裂隙等弱面的空間體積，另一方面通過裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之間的連通，從而形成乙個相互交織的多裂隙連通網路。
正是由於這種裂隙連通網路的形成，致使煤層的滲透率大大提高。
由於煤層在原始狀態下其內部層理、切割裂隙、原生微裂隙、孔隙存在的規模和尺度存在差異，以及這些弱面所在平面與原岩應力場中主應力方向之間的空間位置關係不同，導致壓力水在侵入其中的順序和在其中的運動狀態上也不一樣。在順序上表現為先從張開度大、聯接能力弱的一級弱面開始，然後到二級的弱面，最後到分層中的原生微裂隙和孔隙中。而壓力水在煤層內的運動狀態上可依次分為滲流、毛細浸潤和水分子擴散三種狀態。
在滲流狀態下，水首先沿著規模大的層理或切割裂隙流動，保持滲流工作狀態的乙個特點是壓力水的最大壓力不應超過某一極限值，當水的注入壓力很高時，和滲流狀態時一樣，塊體並不發生破壞，而表現為水在壓力作用下提高層理或切割裂隙的張開度和導液性上，表現出該弱面的擴充套件和延伸。
在層理或切割裂隙張開度增大的過程中。其張開壁面的切向拉應力增加，當在某位置的切向拉應力大於與此相連的次級弱面的壁面之間的聯結力和相應切線方向的原始應力之和時，將在該位置處發生次級弱面起裂，水在壓力作用下將進入其中，同樣發生上一級弱面所經歷的擴充套件延伸過程。依此規律反**展下去，直至達到煤分層中的微裂隙，水便達到對煤層的逐級分割作用。
需要說明的是，無論是在哪乙個級別的裂隙弱面發生擴充套件和延伸的過程中，均會伴隨有水的擴散和毛細浸潤過程。
根據以上的分析、壓力水在煤層內的運動過程可表示為圖2–1。
圖2-1 壓力水流動次序示意圖
通過以上定性分析可知，壓力水對煤層的壓裂破壞過程，是通過對各級裂隙弱面產生內壓，從而導致裂隙弱面在空間上發生擴充套件和延伸來實現的，是建立在原始裂隙弱面的基礎上的擴充套件延伸以至相互貫通的分解過程，並不是產生新的裂隙而對煤體產生壓裂分解的過程。
總之，通過上面的定性分析可以得出以下幾點結論：
1) 壓力水在煤層中的流動壓裂過程是有一定順序的，即由張開度比較大的層理或切割裂隙等一級弱面開始，而後是二級裂隙弱面，依次下去，直到煤分層的原生微裂隙；
2) 水在煤層內的運動狀態具有滲流、毛細浸潤和水分子擴散三種狀態，且在滲透過程中伴隨有毛細浸潤和水分子擴散過程；
3) 壓力水的壓裂分解作用是通過水在裂隙弱面內對壁面產生內壓作用下，導致裂隙弱面發生擴充套件、延伸、以至相互之間發生聯接貫通過程來完成的，該過程是建立在原始各級弱面的基礎上的變化過程；
4) 正是通過壓力水對煤體的以上壓裂分解過程，導致內部裂隙弱面的擴充套件、延伸、以及相互之間貫通，才形成了相互交織的貫通裂隙網路，從而達到了提高煤層滲透率的目的。
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