煤层气井水力压裂对煤炭安全开采的影响

In China, more than 90% of existing CBM wells have been carried out hydraulic fracturing, so coal mining in coalbed methane hot-spots must face a very realistic and significant problem, whether the hydraulic fracturing of so much CBM wells will be disadvantageous to coal mining safety? Consequently, centring on the scientific issues of “Coalbed methane wells hydraulic fracturing effect on coal mining safety”, taking Sihe Mine in Qinshui Basin as the research object, morphological characteristics of fracturing fracture will be studied under different conditions on the basis of physical and numerical simulation of hydraulic fracturing. In two aspects of internal factors and external factors, main influence factors and mechanism for formation controlling on fracture extension are analyzed. According to the basic characteristic parameters such as fracture length, fracture height, fracture width and fracture density, the evaluation index system of degree of damage of hydraulic fracturing for coal seam and its roof and floor is put forward. Within the influence scope of coalbed methane well, geological model of hydraulic fracturing will be established, different zones of damaged level are divided. Within different zones, unfavorable factors for coal mining which may occur are elucidated, reasonable safety measures and models for coal mining are proposed and constructed.

我国现有的煤层气井中90%以上都经过水力压裂改造，这就使得煤层气开采热区的煤炭开采必须面对一个十分现实而又意义重大的问题，即数量如此之多的煤层气井的水力压裂是否会对煤矿安全生产造成不利影响？鉴于此，本项目拟围绕“煤层气井水力压裂对煤炭安全开采的影响”这一核心科学问题，选取沁水盆地寺河矿为研究对象，在煤层气井水力压裂物理模拟和数值模拟基础上，从内因、外因两方面入手，分析压裂裂缝主要影响因素及成因机制；依据裂缝长度、高度、宽度、密度等基本特征参数，提出水力压裂对煤层及顶底板的破坏程度评价指标体系；建立煤层气井水力压裂影响范围内的破坏程度地质模型，划分破坏程度分区；阐明不同分区内可能出现的影响煤炭开采的不利因素，提出合理的安全生产措施，分区构建煤炭安全开采模式。

以沁水盆地南部晋城矿区的寺河矿压裂直井为研究对象，综合压裂地面监测、井下观测、物理模拟及数值模拟，分析了煤层气直井水力压裂裂缝形态及裂缝延展的内在、外在影响因素；根据煤层及其顶底板的不同压裂破坏程度划定了水力压裂影响分区，建立了单井及井网水力压裂影响模型；针对不同影响区，提出了煤炭安全生产建议。研究发现煤层气井水利压裂裂缝整体呈垂直缝或水平缝，近井筒处可形成多裂缝、“T”型和“工”型缝。研究区以垂直缝为主，对称不等长发育，方向以北东为主，北西次之；裂缝宽度最大2~3cm，垂向上储层内最宽，横向上由井筒向远处变窄；裂缝形态受煤岩力学性质、地应力状态、构造、煤体结构、顶底板性质等内在因素和压裂施工设计等外在因素影响。内在因素中，地应力状态控制裂缝的整体形态，在不考虑构造应力的情况下，预测垂直缝与水平缝的转换深度约171m；煤岩力学性质及煤体结构影响裂缝长、宽、高等尺寸；顶底板性质影响裂缝垂向上的扩展并控制“T”型及“工”型等复杂缝的形成。外在因素主要是压裂施工的材料及参数，包括压裂液粘度、排量及射孔等对裂缝扩展的影响。在分析压裂对煤岩、围岩破坏特征基础上，提出了裂缝在煤岩界面扩展的四种基本形式；根据压裂裂缝条数、压裂液滤失影响程度、受裂缝延展的应力影响程度，建立了27种煤岩破坏类型，实际仅存在9种破坏类型，分别对应压裂影响范围内的—强烈影响区、一般影响区、弱影响区和无影响区四类区域；依据各压裂影响区的范围及特征，建立了煤层气单井及井网压裂影响区模型；针对不同压裂影响区，分析了水力压裂对煤炭生产可能造成的不利影响，并进一步提出了煤矿安全生产模式。.发表论文26篇，其中SCI收录15篇，EI收录1篇；出版专著1部；部分成果与他人联合，获奖励2项；获国家发明专利7项；培养研究生18名，含博士生6名，硕士生12名；培养博士后2名。