煤層水力壓裂過(guò)程“三場(chǎng)”演化規(guī)律特征

許昭勇，　宋大釗，　邱黎明，　王恩元,2，　馬亞飛，　何俊江

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116； 2.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

江蘇 徐州　221116； 3.永城煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)與信息中心， 河南 永城　450016)

?

煤層水力壓裂過(guò)程“三場(chǎng)”演化規(guī)律特征

許昭勇1，宋大釗2,3，邱黎明1，王恩元1,2，馬亞飛1，何俊江1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州221116； 2.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

江蘇 徐州221116； 3.永城煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)與信息中心， 河南 永城450016)

摘要：根據(jù)固液耦合方程與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，對(duì)煤層水力壓裂過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了煤層裂紋擴(kuò)展過(guò)程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和裂隙場(chǎng)(“三場(chǎng)”)的演化過(guò)程，結(jié)果表明，水力壓裂過(guò)程中“三場(chǎng)”連續(xù)動(dòng)態(tài)變化，水壓力是裂隙擴(kuò)展的動(dòng)力，裂隙的擴(kuò)展引起裂隙損傷增加、滲流場(chǎng)以裂隙為中心逐漸擴(kuò)大、應(yīng)力場(chǎng)逐漸分化出高應(yīng)力與低應(yīng)力區(qū)域，最終在主裂隙的垂直方向上形成低應(yīng)力-高滲透性區(qū)域，達(dá)到卸壓增透效果。

關(guān)鍵詞：煤層； 水力壓裂； 滲流場(chǎng)； 應(yīng)力場(chǎng)； 裂隙場(chǎng)； “三場(chǎng)”演化； 卸壓增透

0引言

隨著煤炭生產(chǎn)的高效集約化和礦井開(kāi)采深度的增加，煤礦瓦斯涌出量越來(lái)越大，煤與瓦斯突出威脅也越來(lái)越嚴(yán)重[1-3]。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)煤與瓦斯突出防治進(jìn)行了大量研究工作，提出了很多治理方法[4-5]。前蘇聯(lián)曾做過(guò)大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注水壓力達(dá)到一定值時(shí)，高壓水可使煤體沿內(nèi)部的固有裂隙起裂和擴(kuò)展，從而提高煤層的滲透性[6]。此后，很多學(xué)者對(duì)煤層水力壓裂問(wèn)題進(jìn)行了研究:文獻(xiàn)[7-9]研究了裂隙擴(kuò)展問(wèn)題，提出了裂紋起裂與擴(kuò)展所遵循的準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[10-12]深入研究了空隙結(jié)構(gòu)與滲透率的關(guān)系，認(rèn)為水力壓裂能夠有效改善巖體的滲透性。研究表明，水力壓裂能夠?qū)咚姑簬r體起到良好的卸壓增透效果，提高瓦斯抽采效率，目前已成為煤層卸壓增透的有效措施[13-14]。但由于對(duì)水力壓裂的卸壓增透機(jī)理尚缺乏深入研究，工程實(shí)踐中常出現(xiàn)壓裂參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)那闆r，無(wú)法保證水力壓裂效果[15]。深入研究煤層水力壓裂機(jī)理，特別是裂紋擴(kuò)展過(guò)程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與裂隙場(chǎng)(“三場(chǎng)”)的演化規(guī)律十分迫切。

本文針對(duì)煤層水力壓裂過(guò)程，建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬研究煤層水力壓裂裂紋的擴(kuò)展規(guī)律及“三場(chǎng)”的動(dòng)態(tài)變化特征。研究結(jié)果對(duì)揭示煤層水力壓裂卸壓增透機(jī)理以及工程應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。

1數(shù)值計(jì)算模型

水力壓裂涉及固液耦合問(wèn)題。根據(jù)Hooke 定律[14]，煤巖體在地應(yīng)力和空隙水壓力作用下發(fā)生彈性變形的階段滿足以應(yīng)力σij、應(yīng)變?chǔ)舏j和孔隙水壓力p表示的本構(gòu)方程：

(1)

式中：G為剪切模量，Pa；v為排水泊松比；δij為Kronecker符號(hào)(i=j時(shí)，δij=1；i≠j時(shí)，δij=0)；α為Biot系數(shù)，其值取決于介質(zhì)組分的壓縮性。

水力壓裂過(guò)程中，煤巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，當(dāng)損傷閾值判據(jù)F≥0時(shí)，巖石開(kāi)始發(fā)生損傷，F(xiàn)可表示為

(2)

式中：σ3為最小主應(yīng)力，Pa；fc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，Pa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；σ1為最大主應(yīng)力，Pa。

根據(jù)式(1)、式(2)，選擇具有固液耦合分析功能的有限元軟件RFPA2D-flow[15]進(jìn)行數(shù)值模擬。RFPA2D模擬程序考慮了材料的非均質(zhì)性，并以統(tǒng)計(jì)分布的形式結(jié)合到有限元算法中，依據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)破壞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠解決巖土工程中很多其他模擬軟件無(wú)法解決的問(wèn)題。

本文中數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，大小為2 m×2 m。煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。為模擬深部煤層地應(yīng)力，對(duì)該模型施加25 MPa水平應(yīng)力、15 MPa豎直應(yīng)力，壓裂孔直徑為0.15 m。

圖1　數(shù)值計(jì)算模型

均質(zhì)度彈性模量/GPa抗壓強(qiáng)度/MPa排水泊松比內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)/(m·d-1)31.6200.25300.5

模擬過(guò)程中，在壓裂孔內(nèi)注水增壓，初始水壓為2 MPa，每次增加0.2 MPa，演示煤巖體破壞的完整過(guò)程，并對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)變化規(guī)律展開(kāi)討論。

2模擬過(guò)程與結(jié)果分析

2.1滲流場(chǎng)模擬過(guò)程

滲流場(chǎng)變化過(guò)程如圖2所示。初始加載水壓為2 MPa，滲流場(chǎng)以壓裂孔為中心向周?chē)鷿B透，壓裂孔附近水壓梯度約為0.27 MPa/cm，如圖2(a)所示。水壓緩慢增大過(guò)程中，滲流場(chǎng)形態(tài)基本不變。當(dāng)水壓達(dá)到32.8 MPa時(shí)，在壓裂孔附近水平方向上出現(xiàn)較小的宏觀裂隙，滲流場(chǎng)仍以壓裂孔為中心向周?chē)鷿B透，壓裂孔附近水壓梯度約為0.48 MPa/cm，如圖2(b)所示。

產(chǎn)生宏觀裂隙后，裂紋開(kāi)始沿近水平方向快速擴(kuò)展，裂隙的長(zhǎng)度和寬度均隨之增加，濕潤(rùn)區(qū)域大幅度擴(kuò)展，滲流場(chǎng)影響區(qū)域不斷增加，滲流場(chǎng)以裂隙為中心向外滲流，中心水壓力逐漸增大。水壓梯度隨著裂隙的延伸而減小，壓裂孔附近的水壓梯度隨之減小。當(dāng)水壓達(dá)到35.2 MPa時(shí)，壓裂孔附近的水壓梯度為0.61 MPa/cm，如圖2(c)所示，表明煤巖體破裂后滲透性增強(qiáng)。當(dāng)水壓達(dá)到36.6 MPa時(shí)，裂隙到達(dá)模型邊緣(水壓達(dá)到36.8 MPa時(shí)，試樣完全破裂，認(rèn)為36.6 MPa為加載的最大水壓)，壓裂孔附近的水壓梯度增大到0.68 MPa/cm，如圖2(d)所示。水力壓裂過(guò)程中滲流場(chǎng)的演化過(guò)程表明，煤巖體內(nèi)部滲流場(chǎng)分布與裂隙的擴(kuò)展直接相關(guān)，裂隙起裂前，煤巖體內(nèi)部滲透性變化較小，與水壓大致呈線性相關(guān)關(guān)系；裂隙起裂后，在水壓的作用下，迅速擴(kuò)展，裂紋周?chē)畨禾荻妊杆僭黾?，滲透性增強(qiáng)。

(a) 水壓為2 MPa

(b) 水壓為32.8 MPa

(c) 水壓為35.2 MPa

(d) 水壓為36.6 MPa

2.2應(yīng)力場(chǎng)模擬過(guò)程

參考文獻(xiàn)[13]認(rèn)為裂隙寬度與剪應(yīng)力存在線性關(guān)系，因此本文研究剪應(yīng)力場(chǎng)變化過(guò)程，如圖3所示。加載開(kāi)始時(shí)，距離壓裂孔較遠(yuǎn)處，剪應(yīng)力分布均勻，平均值為10.75 MPa；壓裂孔附近剪應(yīng)力偏大，如圖3(a)所示，表明在孔洞附近形成局部應(yīng)力集中區(qū)。

在裂紋擴(kuò)展之前，隨著水壓增大，剪應(yīng)力先減小，后增大。當(dāng)水壓達(dá)到32.8 MPa時(shí)，裂紋開(kāi)始起裂并擴(kuò)展，如圖3(b)所示，此時(shí)起裂位置的剪應(yīng)力為18.54 MPa，因此壓裂孔附近煤巖體內(nèi)部黏聚力約為18.54 MPa。

裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋的尖端剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部分應(yīng)力，表明在裂紋尖端產(chǎn)生了較強(qiáng)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展和剪應(yīng)力場(chǎng)變化，如圖3(c)所示。裂隙到達(dá)模型邊緣前，最大剪應(yīng)力已增加到51.24 MPa，分布于主裂紋和次級(jí)裂紋的尖端，如圖3(d)所示。裂紋開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)主要是主裂紋的延伸，水壓達(dá)到35.2 MPa后開(kāi)始出現(xiàn)宏觀次級(jí)裂紋，并隨水壓增大與主裂紋一起擴(kuò)展。主裂紋為近水平方向，次級(jí)裂紋方向不唯一。

(a) 水壓為2 MPa

(b) 水壓為32.8 MPa

(c) 水壓為35.2 MPa

(d) 水壓為36.6 MPa

裂紋的擴(kuò)展引起了剪應(yīng)力場(chǎng)的分化。水平方向上，在裂紋的前方形成高應(yīng)力區(qū)；豎直方向上，在裂紋的兩側(cè)形成一定區(qū)域的低應(yīng)力區(qū)，且隨著裂紋的擴(kuò)展，低應(yīng)力區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，對(duì)整個(gè)模型起卸壓作用。低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力小于高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力的1/3。

2.3裂隙場(chǎng)模擬過(guò)程

裂隙變化過(guò)程如圖4所示。裂隙起裂之前，煤巖體基本沒(méi)有破裂產(chǎn)生，如圖4(a)所示，表明煤巖體在原巖應(yīng)力及低水壓作用下，破裂損傷較小，無(wú)法引起裂隙起裂及擴(kuò)展。水壓增加到32.8 MPa時(shí)，在壓裂孔右側(cè)邊緣產(chǎn)生指向水平偏上方向的裂紋，如圖4(b)所示，表明其為此次裂紋擴(kuò)展的起裂點(diǎn)。多次模擬表明，壓裂孔一側(cè)起裂之后，在另一側(cè)對(duì)稱(chēng)位置會(huì)很快起裂，可能是一側(cè)的裂隙起裂后引起另一側(cè)的剪應(yīng)力集中導(dǎo)致的，表明圓形壓裂孔對(duì)對(duì)稱(chēng)位置的裂紋起裂有促進(jìn)作用。

(a) 水壓為2 MPa

(b) 水壓為32.8 MPa

(c) 水壓為35.2 MPa

(d) 水壓為36.6 MPa

隨著水壓增大，煤巖體破裂逐漸增多，數(shù)值增大，如圖4(c)所示，表明煤巖體損傷速度增加，這可能是尖端應(yīng)力集中或煤巖體滲透性增強(qiáng)引起的。水壓達(dá)到36.6 MPa時(shí)，模型邊緣處煤巖體破裂嚴(yán)重，如圖4(d)所示，標(biāo)志著裂隙擴(kuò)展到模型邊界，此時(shí)煤巖體損傷破裂速度很快。形成的主裂隙長(zhǎng)約120 cm，平均寬度約為4 cm。

3“三場(chǎng)”演化規(guī)律分析與討論

天然煤巖體介質(zhì)通常賦存于地下，周?chē)艿貞?yīng)力環(huán)境影響。當(dāng)人為采取水力壓裂措施時(shí)，將誘發(fā)煤巖體內(nèi)部微裂紋發(fā)生形變、擴(kuò)展和貫通，裂紋變化過(guò)程在影響煤巖體力學(xué)性能的同時(shí)，也會(huì)造成煤巖體滲透性能改變，而煤巖體力學(xué)性能和滲透性的變化又將影響煤巖體中應(yīng)力狀態(tài)和孔隙壓力的分布，導(dǎo)致煤巖體內(nèi)部裂紋進(jìn)一步發(fā)展，最終達(dá)到增加煤層透氣性的目的?；跀?shù)值模擬結(jié)果，本文就“三場(chǎng)”演化過(guò)程分析水力壓裂卸壓增透機(jī)理。

在實(shí)施水力壓裂措施時(shí)，由于水壓不大，煤巖體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，水力壓裂措施對(duì)于煤巖體裂隙發(fā)展和滲透率的影響不顯著。隨著水壓增加，在壓裂孔周?chē)_(kāi)始產(chǎn)生微裂紋擴(kuò)展，此時(shí)壓力水進(jìn)入微孔隙中，導(dǎo)致發(fā)生滲流，煤巖體中孔隙水壓力的存在，會(huì)在微裂紋面上引起發(fā)夾張拉應(yīng)力，從而加劇微裂紋的劈裂擴(kuò)展，同時(shí)水壓力的作用會(huì)減小有效圍壓；當(dāng)水壓力達(dá)到一定值(本文中為36.6 MPa)時(shí)，在壓裂孔周?chē)a(chǎn)生大量微裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展連接，煤巖體內(nèi)部發(fā)生顯著體積變形，煤巖體滲透系數(shù)迅速升高，周?chē)簬r體應(yīng)力將得到顯著釋放，起到卸壓增透作用。煤層水力壓裂過(guò)程中滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)“三場(chǎng)”演化過(guò)程相互滲透，相互影響，總體表現(xiàn)為壓力水最先進(jìn)入煤巖體原有微裂隙中，水壓力的增加導(dǎo)致煤巖體微裂隙的發(fā)展與連接和周?chē)簬r體應(yīng)力的變化。而壓裂孔周?chē)簬r體微裂隙的發(fā)展促進(jìn)壓力水的滲流和周?chē)簬r體應(yīng)力的釋放。

為了直觀分析水力壓裂的卸壓增透機(jī)理，統(tǒng)計(jì)了水力壓裂過(guò)程中主裂紋長(zhǎng)度及壓裂孔附近水壓梯度變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5　水力壓裂過(guò)程主裂紋長(zhǎng)度與水壓梯度變化

從圖5可看出，水力壓裂是以水壓為動(dòng)力引起煤巖體損傷破裂的，裂隙逐漸擴(kuò)展引起裂隙損傷增加，滲流場(chǎng)以裂隙為中心逐漸擴(kuò)大，最終在裂隙的垂直方向上形成低應(yīng)力-高滲透性區(qū)域，從而達(dá)到卸壓增透效果。卸壓增透效果受水壓影響，水壓越大，裂隙擴(kuò)展越長(zhǎng)，形成的低應(yīng)力-高滲透率區(qū)域面積越大。

4結(jié)論

(1) 根據(jù)固液耦合方程與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，模擬了煤層水力壓裂過(guò)程，結(jié)果表明，隨著水壓增大，裂隙逐漸擴(kuò)展，裂隙損傷增加，滲流場(chǎng)以裂隙為中心逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力場(chǎng)逐漸分化出高、低應(yīng)力區(qū)域。

(2) 水力壓裂是以水壓為動(dòng)力引起煤巖體損傷破裂的，壓裂過(guò)程中“三場(chǎng)”連續(xù)動(dòng)態(tài)變化，最終在主裂隙的垂直方向上形成低應(yīng)力-高滲透性區(qū)域，達(dá)到卸壓增透效果。施加水壓越高，主裂隙越寬且擴(kuò)展越迅速，卸壓增透效果越好。

(3) 模擬發(fā)現(xiàn)，水力壓裂過(guò)程中裂隙的擴(kuò)展在方向上具有一定的隨機(jī)性。如何控制裂隙形態(tài)，有效節(jié)省水壓，還需要進(jìn)一步研究。

[1]HUDECEK V H. Analysis of safety precautions for coal and gas outburst-hazardous strata[J]. Journal of Mining Science，2008，44(5)：464-472.

[2]LAMA R D, BODZIONY J. Management of outburst in underground coal mines[J]. International Journal of Coal Geology, 1998, 35(1/2/3/4): 83-115.

[3]袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004:7-9.

[4]黃炳香,程慶迎,劉長(zhǎng)友，等.煤巖體水力致裂理論及其工藝技術(shù)框架[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011,28(2):167-173.

[5]辛新平,高建良,馬耕.穿層孔吞吐壓裂水力強(qiáng)化抽采技術(shù)研究及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2014,31(6):995-1000.

[6]HANSON M E, SHAFFER R J. Some results from continuum mechanics analyses of the hydraulic fracturing process[J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1981, 20(2): 86-94.

[7]楊勇,楊永明,馬收,等.低滲透巖石水力壓力裂紋擴(kuò)展的CT掃描[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013,30(5):739-743.

[8]程遠(yuǎn)方,吳百烈,袁征,等.煤層氣井水力壓裂“T”型裂縫延伸模型的建立及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(8):1430-1434.

[9]李連崇,李根,孟慶民,等.砂礫巖水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué),2013,34(5):1501-1507.

[10]GASH B W, VOLZ R F, POTTER G,etal. The effect of cleats orientation and confining pressure on cleat porosity, permeability and relative permeability in coal[C]∥Proceedings of International Coalbed Methane Symposium, 1993: 247-256.

[11]LEVINE J R. Model study of the influence of matrix shrinkage on absolute permeability of coal bed reservoir[J]. Geological Society London Special Publications, 1996,109(1): 197-212.

[12]林柏泉,李子文,翟成.等.高壓脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011,28(3):452-455.

[13]杜春志.煤層水壓致裂理論及應(yīng)用研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008.

[14]李賢忠.高壓脈動(dòng)水力壓裂增透機(jī)理與技術(shù)[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2013.

[15]袁志剛.煤巖體水力壓裂裂縫擴(kuò)展及對(duì)瓦斯運(yùn)移影響研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

Regularity of three fields evolution of hydraulic fracturing process in coal seam

XU Zhaoyong1，SONG Dazhao2,3，QIU Liming1，WANG Enyuan1,2，MA Yafei1，HE Junjiang1

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, Ministry of Education,Xuzhou 221116, China; 3.Technology and Information Center, Yongcheng Coal and Electricity Holding Group Co., Ltd., Yongcheng 450016, China)

Abstract:Numerical simulation was conducted for hydraulic fracturing process in coal seam according to solid-liquid coupling equations and Mohr-Coulomb principle. The evolution of seepage field, stress field and fracture field (three fields) during process of crack propagation in coal seam was analyzed respectively. The results show that the three fields are changing dynamically during the process of hydraulic fracturing. The fracture is motivated to expand by pore water pressure, as a result of which, crack damage increases, seepage field centering to the fracture expands gradually, and high stress area and low stress area are developed from original stress field, and two regimes of low stress and high permeability field in a vertical direction of main fracture are ultimately formed. All of the above contribute to an effect of pressure relief and permeability improvement.

Key words:coal seam; hydraulic fracturing; seepage field; stress field; fracture field; three fields evolution; pressure relief and permeability improvement

中圖分類(lèi)號(hào)：TD713.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-07 15:17

作者簡(jiǎn)介：許昭勇(1990-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V山煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)，E-mail：heroxuzhaoyong@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304205)；教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(113031A)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M541982，2014T70678)。

收稿日期：2015-11-04；修回日期：2016-01-15；責(zé)任編輯：李明。

文章編號(hào)：1671-251X(2016)03-0039-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.009

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1517.009.html

許昭勇，宋大釗，邱黎明，等.煤層水力壓裂過(guò)程“三場(chǎng)”演化規(guī)律特征[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(3)：39-43.