低透氣性煤層水力壓裂增透數(shù)值模擬研究

何福勝 畢建乙 王海東

(1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西省呂梁市，033602；2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201)

隨著煤礦開采進(jìn)入深部區(qū)域，煤層的地應(yīng)力、瓦斯壓力也在不斷升高，滲透率卻在下降，導(dǎo)致瓦斯抽采率低下、鉆孔施工周期長，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)和接替，因此高瓦斯低透氣性工作面的瓦斯高效抽采利用已成為關(guān)鍵性的技術(shù)難題，而卸壓增透是解決此問題的最佳途徑。

目前常用的卸壓增透技術(shù)有液態(tài)CO2預(yù)裂爆破、炸藥深孔控制預(yù)裂爆破增透、開采保護(hù)層及水力壓裂。液態(tài)CO2預(yù)裂爆破操作工序復(fù)雜、有效增透半徑?。徽ㄋ幧羁卓刂祁A(yù)裂爆破后存在殘爆現(xiàn)象，還易引發(fā)煤與瓦斯突出；開采保護(hù)層技術(shù)對煤層群具有良好的卸壓效果，但是對單一低透氣煤層卻無能為力；水力壓裂技術(shù)最開始應(yīng)用在開發(fā)石油中，在20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)開始在煤礦應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行卸壓增透試驗(yàn)研究，取得了良好效果。我國科研工作者也開展了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)：康紅普等采用理論分析和真三軸水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)研究水力裂縫擴(kuò)展規(guī)律，將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于神東補(bǔ)連塔煤礦和布爾臺(tái)煤礦、晉城王臺(tái)鋪煤礦、潞安余吾煤業(yè)公司堅(jiān)硬頂板弱化和高應(yīng)力巷道圍巖卸壓，取得了良好的壓裂效果；吳擁政等以余吾煤業(yè)公司S1206煤柱留巷瓦排巷為例，采用定向水力壓裂留巷卸壓技術(shù)來消除或減弱堅(jiān)硬頂板形成的懸頂效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬厚頂板煤柱留巷目的；梁文勖等在潘北煤礦開展本煤層點(diǎn)式水力壓裂試驗(yàn)，取得較好的增透效果，顯著增加瓦斯的抽采量，有效增大了的煤層透氣性系數(shù)；翟成等研究分析脈動(dòng)水作用下煤體的疲勞損傷破壞規(guī)律及高壓脈動(dòng)水楔致裂機(jī)理，并在鐵煤集團(tuán)大興礦Sv719工作面開展脈動(dòng)水力壓裂卸壓增透技術(shù)，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)水力壓裂比普通壓裂卸壓增透效果更好，鉆孔能保持高濃度、高流量抽采；孫炳興等通過李子亞楠二井開展壓裂試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)注水壓力為18 MPa時(shí)，鉆孔瓦斯自然流量增加127.6倍以上，在煤層走向方向上的影響半徑可達(dá)50 m以上。

以上科研工作者在壓裂機(jī)具設(shè)備與工藝、壓裂效果檢驗(yàn)方法與儀器等方面取得了一定研究成果，但在煤巖體鉆孔壓裂時(shí)裂隙裂紋的演化規(guī)律上所做試驗(yàn)研究不夠深入具體，使得現(xiàn)場施工時(shí)易發(fā)生壓裂參數(shù)設(shè)置不合適的現(xiàn)象，不能及時(shí)采取補(bǔ)救措施，導(dǎo)致鉆孔壓裂效果不理想。針對此情況，本文利用理論分析與RFPA2D-Flow數(shù)值模擬方法，揭示低透氣煤層水力壓裂時(shí)裂隙裂紋發(fā)育擴(kuò)展和應(yīng)力的變化規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況分析壓裂效果，為低透氣性煤層卸壓增透、強(qiáng)化瓦斯抽采奠定基礎(chǔ)。

1 水力壓裂增透技術(shù)機(jī)理

水力壓裂增透機(jī)理是借助水壓破壞煤體，裂隙以及各級(jí)弱面的邊緣部分由于受到水壓作用對各級(jí)弱面壁進(jìn)行支撐，進(jìn)而使煤體膨脹、裂隙張開，隨著水壓注入，裂隙不斷地發(fā)生擴(kuò)展和延伸，微觀上對煤體內(nèi)部形成分割，這種分割過程不僅使空間體積增大，而且裂隙間的相互連通促使了裂隙與裂隙之間形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，造成煤層的壓裂分解，大大提高煤層的透氣性。裂隙擴(kuò)展情況如圖1所示。

圖1 裂隙擴(kuò)展次序

2 建立水力壓裂數(shù)值模型

RFPA可對一個(gè)非均質(zhì)巖體的流—固—破壞耦合物理場模型進(jìn)行模擬，在巖石受外界載荷逐漸遞增的條件下，可以對巖石的應(yīng)力狀態(tài)和裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和延伸演化規(guī)律以及包括對滲透率的影響進(jìn)行真實(shí)模擬，滲流過程水壓對巖石的破壞演化以及孔隙水壓在巖石中的分布規(guī)律進(jìn)行模擬，同時(shí)在模擬過程中，分析應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程和巖石其他物理特性。

2.1 本構(gòu)關(guān)系

RFPA模擬時(shí)，先對模型分成多個(gè)小單元，其次運(yùn)用恰當(dāng)?shù)钠茐臏?zhǔn)則來破壞單元，當(dāng)單元應(yīng)力達(dá)到破壞強(qiáng)度時(shí)，一般破壞形式分為壓縮破壞和拉伸破壞兩種。

損傷單元彈性模量如下：

E=(1-D)E0

(1)

式中：E——損傷單元的彈性模量，GPa；

D——損傷變量；

E0——無損單元的彈性模量，GPa。

單元的破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則：

(2)

式中：F——剪應(yīng)力，MPa；

σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角，(°)；

fc——單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

c——壓縮。

煤巖體細(xì)觀單元的透氣性系數(shù)-損傷耦合方程服從如下規(guī)律：

(1)給煤巖體單元施加壓應(yīng)力，當(dāng)其達(dá)到損傷閾值時(shí)，損傷變量D計(jì)算如下：

(3)

式中：fcr——抗壓殘余強(qiáng)度，MPa；

εc0——最大壓應(yīng)變；

εr——?dú)堄鄳?yīng)變。

對應(yīng)單元的透氣性系數(shù)：

(4)

式中：λ0——初始透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；

σc——壓應(yīng)力，MPa；

p——瓦斯壓力，MPa；

α——瓦斯壓力系數(shù)；

β——應(yīng)力影響(耦合)系數(shù)；

ξ——單元損傷時(shí)透氣性系數(shù)的增大系數(shù)。

(2)給煤巖體單元施加拉伸應(yīng)力，當(dāng)其達(dá)到抗拉強(qiáng)度ft損傷閾值時(shí)，拉應(yīng)力計(jì)算如下：

σt≤-ft

(5)

式中：σt——拉伸應(yīng)用，MPa；

ft——抗拉強(qiáng)度，MPa。

損傷變量D按下式表示：

(6)

式中：ftr——抗拉殘余強(qiáng)度，MPa；

εt0——彈性極限拉伸應(yīng)變；

εtu——極限拉伸應(yīng)變。

對應(yīng)單元透氣性系數(shù)：

(7)

式中：ξ′——單元破壞時(shí)透氣性系數(shù)的增大系數(shù)。

2.2 建立模型

根據(jù)山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦的基礎(chǔ)參數(shù)建立15 m×5 m的實(shí)際模型，對模型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分采用300×100的結(jié)構(gòu)單元，并用實(shí)體材料對其填充。在所選模型的中心位置繪制半徑r=0.0565 m的圓形，并對其進(jìn)行空洞填充，將其作為鉆孔，設(shè)置圍壓施加10 MPa的初始應(yīng)力，在垂直方向施加19.5 MPa的初始應(yīng)力。模擬中注水的初始?jí)毫υO(shè)置為8 MPa，之后每一步增加0.15 MPa，從第一步算起共運(yùn)算50步，模型參數(shù)：在實(shí)驗(yàn)室測得包括均質(zhì)度2 m、彈性模量均值E0為8 GPa、抗壓強(qiáng)度均值σc為12 MPa；計(jì)算獲得包括泊松比μ為0.25和壓拉比C為10 T；查詢資料獲得包括摩擦角φ為37°，內(nèi)聚力為0.22 MPa，殘余強(qiáng)度系數(shù)ξ為0.1，滲透系數(shù)k為8.64×10-4m·d-1；現(xiàn)場測定獲得瓦斯壓力為0.2 MPa。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 裂隙裂紋發(fā)育情況

孔內(nèi)水壓力場可以反映出高壓水對煤體的破壞強(qiáng)度，如圖2所示，從注水初始到注水截止。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔邊緣的水壓一直處在最高位置，在鉆孔邊緣位置處形成一個(gè)環(huán)形的水壓力增高帶，并且隨著水壓的增大，壓力逐漸向遠(yuǎn)處分布，裂隙不斷生成和擴(kuò)展，使得水壓也在持續(xù)向外運(yùn)移，當(dāng)水壓升高到15.5 MPa時(shí)，壓裂鉆孔周圍出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，由于煤體的非線性作用，鉆孔周圍的煤體內(nèi)部弱面產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，裂隙向距離鉆孔遠(yuǎn)處方向擴(kuò)展，此時(shí)的壓力值即為由穩(wěn)定破壞到失穩(wěn)破壞的臨界值，不需要再增加壓力，高壓水產(chǎn)生的裂紋仍繼續(xù)向遠(yuǎn)處運(yùn)移，產(chǎn)生了一系列的新弱面，給后續(xù)水壓破裂煤體產(chǎn)生的裂隙裂紋運(yùn)移提供新的弱面，最后產(chǎn)生良好的相互交織貫通的多裂隙裂紋網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯運(yùn)移奠定基礎(chǔ)，如圖2(d)所示。

3.2 最大剪應(yīng)力變化情況

起始注水壓力為8 MPa時(shí)最大剪應(yīng)力如圖3(a)所示，當(dāng)鉆孔內(nèi)集滿高壓水時(shí)，隨著壓力的增加，鉆孔周圍應(yīng)力會(huì)重新分布，之后開始每一步計(jì)算增加0.15 MPa，隨著水壓的逐漸升高，當(dāng)注水壓力升高到11 MPa時(shí)，最大剪應(yīng)力如圖3(b)所示，從圖3(b)發(fā)現(xiàn)，距離鉆孔周圍較遠(yuǎn)處的剪應(yīng)力不斷增大，并且越靠近鉆孔處的剪應(yīng)力越大，鉆孔周圍開始出現(xiàn)微裂隙，鉆孔附近的煤體達(dá)到塑性狀態(tài)；當(dāng)注水壓力提升到14 MPa時(shí)，最大剪應(yīng)力如圖3(c)所示，從圖3(c)發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力繼續(xù)升高，裂隙裂紋不斷增加，注水壓力超過煤體的抗壓強(qiáng)度與粘結(jié)力二者之和，因此導(dǎo)致煤體發(fā)生破裂，裂縫不斷向遠(yuǎn)處擴(kuò)展；當(dāng)壓力提升到15.5 MPa時(shí)，模擬運(yùn)算停止，最大剪應(yīng)力如圖3(d)所示，此時(shí)煤體出現(xiàn)大面積裂隙，鉆孔周圍出現(xiàn)局部破碎，裂隙增多，并且向深度擴(kuò)展的裂隙明顯增加，煤體破裂范圍比較大，實(shí)現(xiàn)了增透的作用。

圖2 水壓分布

圖3 最大剪應(yīng)力變化

3.3 聲發(fā)射圖分析

聲發(fā)射是靠巖石自身發(fā)射的彈性波來研究巖石內(nèi)部狀態(tài)以及物理特性的一種試驗(yàn)方法，當(dāng)巖石受到外力載荷發(fā)生變形時(shí)，在巖體內(nèi)原先存在或新產(chǎn)生的微裂紋發(fā)生破裂，破裂產(chǎn)生的彈性波向周圍發(fā)射，如圖4所示。在注水起始階段，鉆孔周圍就開始發(fā)射彈性波，而且在鉆孔周圍均勻分布，表面鉆孔周圍的微裂隙處于壓實(shí)階段，由圖4(b)～圖4(d)發(fā)現(xiàn)注水壓力升高到11 MPa時(shí)，鉆孔附近的彈性波逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，此時(shí)呈現(xiàn)分散狀，并且在鉆孔邊緣出現(xiàn)密集，此時(shí)鉆孔周圍煤體為塑性變形；由圖4(e)～圖4(f)發(fā)現(xiàn)注水壓力達(dá)到最大水壓15.5 MPa時(shí)，鉆孔附近彈性波密集區(qū)域持續(xù)增大，而且繼續(xù)向遠(yuǎn)處發(fā)生彈性波，因?yàn)槲⒘严对谶w移過程中往往伴有集結(jié)的趨勢，根據(jù)裂隙微破裂成核理論，現(xiàn)場目擊到在鉆孔邊緣處有微小煤塊掉落，這與最大剪應(yīng)力圖模擬出現(xiàn)的破裂范圍大、裂隙不斷向距離鉆孔遠(yuǎn)處方向擴(kuò)展的現(xiàn)象相吻合。

圖4 聲發(fā)射圖

圖5 注水壓力與有效影響半徑的關(guān)系

通過模擬結(jié)果繪制出注水壓力與影響半徑的曲線，如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注水壓力比較小時(shí)，影響半徑增加的程度比較小。這是因?yàn)?，在注水初期，高壓水主要影響原生裂隙，原生裂隙受高壓水作用，裂隙發(fā)生閉合，隨著高壓水的不斷注入，裂隙水進(jìn)入弱面空間，而且隨著水壓的傳遞，裂隙水在弱面空間的壓力不斷增大，同時(shí)受煤體內(nèi)部封堵的影響，導(dǎo)致裂隙裂紋發(fā)育、擴(kuò)展延伸緩慢。當(dāng)封堵作用消失后，裂隙的擴(kuò)展主要是由于高壓水的作用，裂隙的擴(kuò)展速度加快，影響范圍急劇增大。當(dāng)水壓繼續(xù)增大，孔隙水不斷向里滲透，進(jìn)入楔形弱面裂隙空間內(nèi)，由于連結(jié)力與地應(yīng)力的作用，使得水壓的繼續(xù)滲流受阻，滲流速度減慢，雖然影響范圍還在繼續(xù)擴(kuò)大，但擴(kuò)展的速度比較慢。水力壓裂有效影響半徑最終穩(wěn)定在7 m。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場施工及鉆孔布置

將水力壓裂技術(shù)應(yīng)用在山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦18205材料巷580 m處，其鉆孔布置如圖6所示，檢驗(yàn)孔和壓裂孔長度為40 m，檢驗(yàn)孔封孔8 m，壓裂孔封孔20 m。為了保證封孔的質(zhì)量與施工安全，將最高注水壓力設(shè)置為16 MPa。壓裂效果考察標(biāo)準(zhǔn)就是水能夠從控制孔中流出以及流出的多少。水力壓裂系統(tǒng)如圖7所示。

1-CH4傳感器；2-孔板流量計(jì)；3-閥門

1-混液箱；2-井下供水管；3-添加劑；4-卸載閥；5-壓力表；6-變速箱；7-電機(jī)；8-壓裂泵；9-流量計(jì)；10-連接件；11-橡膠注水封孔器；12-紫銅管；13-無縫鋼管；14-注漿管

4.2 試驗(yàn)效果分析

4.2.1 注水壓力變化

首先對4#壓裂孔進(jìn)行水力壓裂，設(shè)置注水初始?jí)毫? MPa，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)水壓升高到12 MPa時(shí)，3#檢驗(yàn)孔發(fā)生滲水現(xiàn)象且不斷增多，鉆孔附近產(chǎn)生大裂紋及碎小煤塊逐漸掉落，鉆孔局部煤巖發(fā)生失穩(wěn)破裂現(xiàn)象，這與模擬所得結(jié)果相吻合?，F(xiàn)場共計(jì)注水時(shí)間14 min，水壓穩(wěn)定在16 MPa，注水量累計(jì)達(dá)4.2 m3。4#壓裂孔水壓變化如圖8(a)所示。

圖8 4#壓裂孔和2#壓裂孔注水壓力變化

之后對2#壓裂孔開展相同操作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力升高至13 MPa時(shí)，壓力表指針穩(wěn)定不變，但此時(shí)1#和3#檢驗(yàn)孔沒有水流出，2#壓裂孔水壓變化如圖8(b)所示。表明18205材料巷壓裂試驗(yàn)的有效影響半徑大于7 m。

4.2.2 瓦斯抽采效果分析

瓦斯抽采濃度對比如圖9所示。由圖9可知，由于瓦斯自然衰減的原因，非壓裂區(qū)域的瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)從高到低的變化規(guī)律，瓦斯?jié)舛茸兓秶?.1%～10.7%，平均濃度為5.26%。在水力壓裂區(qū)域，通過28 d的聯(lián)網(wǎng)抽采，瓦斯抽采濃度為12.8%～34.7%，平均濃度為23.28%，呈現(xiàn)高-低-高的變化規(guī)律，原因是抽采初期煤層內(nèi)瓦斯在水壓的作用下將煤層瓦斯聚集到檢驗(yàn)孔附近，形成高濃度瓦斯，隨后由于高壓水的不斷排出，連通了瓦斯運(yùn)移通道，大量的游離瓦斯在負(fù)壓影響下運(yùn)移到鉆孔內(nèi)產(chǎn)生高濃度瓦斯，導(dǎo)致抽采期間再次出現(xiàn)峰值，第4～8天抽采濃度是31.08%。

圖9 瓦斯抽采濃度對比

瓦斯抽采純量對比如圖10所示。由圖10可知，實(shí)施水力壓裂后瓦斯抽采純量是0.0129～0.0879 m3/min，平均為0.0443 m3/min；而未實(shí)施水力壓裂鉆孔內(nèi)瓦斯抽采純量是0.00134～0.0122 m3/min，平均為0.00459 m3/min。通過壓裂前后濃度與純量的對比發(fā)現(xiàn)：水力壓裂影響范圍內(nèi)瓦斯抽采濃度提高了4.43倍，抽采純量提升了9.62倍。

4.2.3 透氣性系數(shù)變化

壓裂完畢借助徑向流量法以測定18205工作面水力壓裂影響處的透氣性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)施水力壓裂后透氣性系數(shù)由0.082 m2/(MPa2·d)升高到1.18 m2/(MPa2·d)，提高了14倍，透氣性顯著增大，保障了瓦斯抽采效果。

圖10 瓦斯抽采純量對比

5 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果直觀地觀察到裂隙裂紋的起裂位置及擴(kuò)展過程、高壓水壓力的分布情況以及對煤體的破壞強(qiáng)度，并且隨著水壓的增大，壓力逐漸向遠(yuǎn)處分布，裂隙不斷生成和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致水壓不斷向外擴(kuò)展，當(dāng)高壓水壓力達(dá)到15.5 MPa時(shí)，受煤體的非線性影響，煤體內(nèi)的弱面開始發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)煤體在高壓水的作用下，新生裂隙會(huì)分成裂隙壓縮、裂隙穩(wěn)定延伸以及裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展3個(gè)過程，持續(xù)發(fā)育的裂隙釋放了煤體內(nèi)積聚的能量，進(jìn)而提升煤層的透氣性。

(3)通過在斜溝煤礦18205材料巷實(shí)施水力壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)，分析對比壓裂區(qū)和非壓裂區(qū)抽采瓦斯效果發(fā)現(xiàn)：水力壓裂影響范圍內(nèi)煤層的透氣性系數(shù)提升14倍，瓦斯抽采濃度提高了4.43倍，抽采純量提升了9.62倍，抽采效果顯著提高。