穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

寧保平（安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院,安徽 淮南 232001）

?

穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

寧保平
（安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院,安徽 淮南 232001）

摘 要：通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)高瓦斯低透氣性煤層穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。利用相似模型對(duì)淮南13-1煤層建立2個(gè)模型進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水壓數(shù)據(jù)變化、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)變化以及電阻率測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出了試塊的初次破裂壓力、裂縫的張開(kāi)壓力以及壓裂過(guò)程中應(yīng)力的集中、應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新分布的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：低透氣性煤層；水力壓裂；卸壓增透；相似模擬

在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中，瓦斯一向是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一[1]。目前，通過(guò)瓦斯抽采，減少煤層中的瓦斯含量，是防治瓦斯災(zāi)害的重要舉措[2]。然而，煤層開(kāi)采深度的不斷增加，使煤層透氣性急劇性降低，從而使得瓦斯的抽采受到嚴(yán)重的影響。因此，如何提高煤層的透氣性成為實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的重要措施[3]。

本文主要針對(duì)水力壓裂增透機(jī)理研究上存在的問(wèn)題和不足，采用水力壓裂相似模擬試驗(yàn)[4]，著重研究壓裂過(guò)程中水的運(yùn)移軌跡，水壓對(duì)煤層頂?shù)装宓膽?yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律以及瓦斯的運(yùn)移軌跡等，探討水力壓裂影響的位置區(qū)段的“滲流場(chǎng)、瓦斯場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)”的重新分布的規(guī)律，完善水力壓裂的增透機(jī)理[5]。本論文選題對(duì)水力壓裂增透機(jī)理的研究以及壓裂工藝的改良具有理論指導(dǎo)的作用[6]。

1 相似模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為長(zhǎng)方體箱體，其四周壁面和底部是由10mm 的Q345鋼板焊接而成，箱體的內(nèi)部空間尺寸是長(zhǎng)500mm寬500mm高600mm，按照1:30的幾何相似比，該實(shí)驗(yàn)腔體可模擬15m×15m×18m范圍的現(xiàn)場(chǎng)煤巖體。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示：

如圖設(shè)計(jì)連接，同時(shí)將各數(shù)據(jù)線接入YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀。

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析

2.1 水壓數(shù)據(jù)分析

本次分為兩個(gè)類(lèi)型四次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，前兩次千斤頂未施加壓力進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)放水后再次進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，后兩次千斤頂施加壓力的同時(shí)進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)放水后再次進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)試塊水力壓裂過(guò)程中的水力壓裂孔水壓與隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開(kāi)始時(shí)水壓力迅速升高，在第78s 時(shí)，水壓力達(dá)到最大值1.0MPa，之后水壓短暫處于高峰值，水力壓裂孔位置開(kāi)始發(fā)生孔口破裂，并且由于孔口破裂破裂導(dǎo)致儲(chǔ)液空間開(kāi)始突然變大，水壓力出現(xiàn)急劇的下降，在短時(shí)間內(nèi)降至0.7Mpa。此后，維持在0.6MPa與0.5MPa之間來(lái)回變動(dòng)，水壓裂縫的每一次的拓展都會(huì)同時(shí)伴隨水壓力的對(duì)應(yīng)上升和下降。隨著水的繼續(xù)注入，達(dá)到儲(chǔ)液空間的壓力重新平衡后，水壓不會(huì)再繼續(xù)下降,開(kāi)始又一次升高，水壓裂縫進(jìn)一步開(kāi)始增加。水壓力到達(dá)最大之后出現(xiàn)下降直到一穩(wěn)定值，該壓力就是裂縫張開(kāi)的壓力，一直到注水結(jié)束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

第二次實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)試塊在經(jīng)過(guò)放水后，又重新進(jìn)行壓裂，水力壓裂過(guò)程中的水力壓裂孔水壓與隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開(kāi)始時(shí)水壓力迅速升高，在第62s時(shí)，水壓力達(dá)到最大值0.7MPa，水力壓裂孔位置開(kāi)始發(fā)生孔口破裂，并且由于孔口破裂導(dǎo)致儲(chǔ)液空間開(kāi)始突然變大，水壓力出現(xiàn)下降，在短時(shí)間內(nèi)降至 0.6MPa，之后維持一段時(shí)間。此后,水壓力維持在0.6MPa與0.5MPa之間來(lái)回變動(dòng)，之后在0.5MPa維持一段時(shí)間。水壓裂縫的每一次的拓展都會(huì)同時(shí)伴隨水壓力的對(duì)應(yīng)上升和下降。隨著水的繼續(xù)注入，達(dá)到儲(chǔ)液空間的壓力重新平衡后，水壓不會(huì)再繼續(xù)下降，開(kāi)始又一次升高，水壓裂縫進(jìn)一步開(kāi)始增加。水壓力到達(dá)最大之后出現(xiàn)下降直到一穩(wěn)定值，該壓力就是裂縫張開(kāi)的壓力，一直到注水結(jié)束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

第三次實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)試塊水力壓裂過(guò)程中的水力壓裂孔水壓與隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開(kāi)始時(shí)水壓力迅速升高，在第66s時(shí)，水壓力達(dá)到最大值1.7MPa，水力壓裂孔位置開(kāi)始發(fā)生孔口破裂，并且由于孔口破裂破裂導(dǎo)致儲(chǔ)液空間開(kāi)始突然變大，水壓力出現(xiàn)急劇的下降，在短時(shí)間內(nèi)降至 1.4MPa。此后，維持在1.3MPa 與1.2MPa之間來(lái)回變動(dòng)，后來(lái)在1.2MPa與1.1MPa之間來(lái)回變動(dòng)。水壓裂縫的每一次的拓展都會(huì)同時(shí)伴隨水壓力的對(duì)應(yīng)上升和下降。隨著水的繼續(xù)注入，達(dá)到儲(chǔ)液空間的壓力重新平衡后，水壓不會(huì)再繼續(xù)下降，開(kāi)始又一次升高，水壓裂縫進(jìn)一步開(kāi)始增加。水壓力到達(dá)最大之后出現(xiàn)下降直到一穩(wěn)定值，該壓力就是裂縫張開(kāi)的壓力，一直到注水結(jié)束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

第四次實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)試塊在經(jīng)過(guò)放水后，又重新進(jìn)行壓裂，水力壓裂過(guò)程中的水力壓裂孔水壓與隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開(kāi)始時(shí)水壓力迅速升高，在第44s時(shí)，水壓力達(dá)到最大值1.2MPa，之后水壓維持在1.2MPa，在第270s水壓力出現(xiàn)下降，降至 1.1MPa，此后在1.2MPa與1.1MPa之間來(lái)回變動(dòng)，之后在1.2MPa開(kāi)始維持一段時(shí)間。水壓裂縫的每一次的拓展都會(huì)同時(shí)伴隨水壓力的對(duì)應(yīng)上升和下降。隨著水的繼續(xù)注入，達(dá)到儲(chǔ)液空間的壓力重新平衡后，水壓不會(huì)再繼續(xù)下降，開(kāi)始又一次升高，水壓裂縫進(jìn)一步開(kāi)始增加。水壓力到達(dá)最大之后出現(xiàn)下降直到一穩(wěn)定值，該壓力就是裂縫張開(kāi)的壓力，一直到注水結(jié)束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

2.2 應(yīng)力和應(yīng)變的情況分析

第一次實(shí)驗(yàn)可以得出：煤層的應(yīng)變數(shù)據(jù)雖波動(dòng)較大，但整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，煤層形變逐漸變大，頂?shù)装宓膽?yīng)力數(shù)據(jù)有上升也有下降，可以看出在水力壓裂過(guò)程中，煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新分布。

第二次實(shí)驗(yàn)可以得出：煤層的應(yīng)變數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，整體維持在一個(gè)范圍波動(dòng)，煤層形變由于第一次壓裂已達(dá)到一定程度，并且由于前次的濕潤(rùn)，煤層彈性形變能力增大。頂?shù)装宓膽?yīng)力數(shù)據(jù)有上升也有下降，可以看出在水力壓裂過(guò)程中，煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新分布。

第三次實(shí)驗(yàn)可以得出：煤層的應(yīng)變數(shù)據(jù)雖波動(dòng)較大，但整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，煤層形變逐漸變大，頂?shù)装宓膽?yīng)力數(shù)據(jù)有上升也有下降，但整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，局部測(cè)點(diǎn)波動(dòng)中又出現(xiàn)正態(tài)分布的峰值，可以看出在水力壓裂過(guò)程中，煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力的集中、應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新分布。

第四次實(shí)驗(yàn)可以得出：煤層的應(yīng)變數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，整體維持在一個(gè)范圍波動(dòng)，但水力壓裂孔下方的測(cè)點(diǎn)在開(kāi)泵與停泵時(shí)隨水壓劇烈變化也出現(xiàn)劇烈變化。頂?shù)装宓膽?yīng)力數(shù)據(jù)有上升也有下降，可以看出在水力壓裂過(guò)程中，煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新分布。

2.3 裂隙發(fā)育情況及水的運(yùn)移軌跡分析

水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將煤層頂板去除，并且將煤層斷面剖開(kāi)后，對(duì)裂隙發(fā)育情況及水的運(yùn)移軌跡進(jìn)行分析。

水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在水力壓裂孔周?chē)梢钥吹矫黠@的裂隙分布，因?yàn)樗屑佑谢鬯运疂B透到的地區(qū)會(huì)留下明顯的白色痕跡。在煤層不同深度的切面，被滑石粉染色的程度差別很大，越靠近水力壓裂孔出水孔的位置被染色的程度越深。因此可以推測(cè)出水的運(yùn)移軌跡是以水力壓裂孔出水孔的位置為中心，往外不斷拓展。裂隙以水力壓裂孔為中心向外延伸，因此可以推測(cè)水力壓裂實(shí)驗(yàn)后煤層裂隙發(fā)育情況良好。

3 結(jié)論

通過(guò)煤層的水力壓裂卸壓增透相似模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)的研究和分析得出以下結(jié)論：

（1）水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，水滲透到的地區(qū)會(huì)留下明顯的白色痕跡。在煤層不同深度的切面，被滑石粉染色的程度差別很大，越靠近水力壓裂孔出水孔的位置被染色的程度越深。因此可以推測(cè)出水的運(yùn)移軌跡是以水力壓裂孔出水孔的位置為中心，往外不斷拓展。在水力壓裂孔周?chē)梢钥吹矫黠@的裂隙分布，裂隙以水力壓裂孔為中心向外延伸，同時(shí)結(jié)合電阻率測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析可以推測(cè)出水力壓裂實(shí)驗(yàn)后煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育情況良好。

（2）隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，水壓力迅速升高，水壓力達(dá)到最大值后短暫處于高峰值，隨后水力壓裂孔位置開(kāi)始發(fā)生孔口破裂，水壓力出現(xiàn)下降，之后水壓力開(kāi)始維持一段時(shí)間穩(wěn)定并開(kāi)始呈現(xiàn)周期性的上升與下降，水壓裂縫的每一次的拓展都會(huì)同時(shí)伴隨水壓力的對(duì)應(yīng)上升和下降。第一個(gè)水壓力的最大值即為試塊的初次破裂壓力，周期性的上升與下降的水壓力值即為裂縫的張開(kāi)壓力。

（3）結(jié)合電阻應(yīng)變磚和微型土壓力盒測(cè)得的數(shù)據(jù)，總結(jié)出煤體應(yīng)變?cè)诔醮螇毫褧r(shí)呈現(xiàn)整體增加的趨勢(shì)，之后煤體被濕潤(rùn)后煤體的彈性形變能力增大。同時(shí)總結(jié)出在水力壓裂過(guò)程中，煤層頂?shù)装宄霈F(xiàn)應(yīng)力的集中、應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和應(yīng)力的重新分布。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳東科,王璐,金龍哲等.煤礦防治瓦斯技術(shù)的發(fā)展特征[J].煤礦安全,2005,36(09):61-62.

[2]趙磐.鳳凰山礦15號(hào)煤層“U”型綜采工作面瓦斯治理研究與應(yīng)用[D].太原:太原理工大學(xué),2013:6-8.

[3]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1992:148-149.

[4]連志龍,張勁,吳恒安等.水力壓裂擴(kuò)展的流固耦合數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué),2008,29(11):3021-3026.

[5]閆金鵬,劉澤功,姜秀雷等.高瓦斯低透氣性煤層水力壓裂數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)安全科學(xué)生產(chǎn)技術(shù),2013,9(08):27-32.

[6]付江偉.井下水力壓裂煤層應(yīng)力場(chǎng)與瓦斯流場(chǎng)模擬研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2013,5-8.

作者簡(jiǎn)介：寧保平（1989-），男，安徽理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈V井瓦斯災(zāi)害防治。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.219