基于RFPA2D的不同角度穿層鉆孔水力壓裂技術模擬研究

景國勛，王遠聲，周 霏，譚志宏

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.安陽工學院，河南 安陽 455000)

我國煤炭資源豐富，研究表明到2050 年煤炭消費仍將占我國能源消費的主導地位[1]。但由于我國的地質(zhì)條件相當復雜，煤炭安全生產(chǎn)形勢雖有所好轉(zhuǎn)可形勢依然嚴峻[2]。近幾年的發(fā)展趨勢也表明，隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，煤炭開采技術變得復雜[3]，突出礦井的突出危險性不斷增大，以往的煤礦瓦斯抽放雖然取得了較大發(fā)展，在有效釋放煤層瓦斯?jié)撃芎偷貞?、消除煤層區(qū)域突出危險性方面取得一定效果，但是存在的問題卻依然不少[4]。高效安全的煤礦瓦斯抽放技術亟需解決。

我國絕大多數(shù)礦井屬于低滲透煤層，普遍存在的技術難題是瓦斯抽放難度大、效率低[5]。許多新興技術在我國的應用效果并不理想，所以未能得到廣泛的應用。水力壓裂技術是在石油天然氣工業(yè)中發(fā)展成熟的[6]，用以提高油、氣井生產(chǎn)能力的技術，現(xiàn)在也被廣泛用于瓦斯抽采過程中。和以往的技術手段相比，水力壓裂不僅經(jīng)濟高效，技術也比較成熟。我國在二十多年來的不斷勘探開發(fā)實踐中，幾乎所有產(chǎn)氣量1000m3/d以上達到增產(chǎn)目的的煤層氣井均是由壓裂改造完成的[7]。

本文通過對水力壓裂技術的原理介紹，結合RFPA2D數(shù)值模擬軟件，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與試驗煤層模擬數(shù)據(jù)對比，確定了數(shù)值模擬的可靠性之后，構建4種不同角度底板穿層鉆孔的水力壓裂模型，并將4種模型模擬結果進行對比，找出最優(yōu)鉆孔角度值域，為煤礦井下水力壓裂參數(shù)選擇和工藝的應用提供參考。

1 水力壓裂卸壓增透技術理論研究

水力壓裂(hydraulic fracturing)是利用地面高壓泵組將壓裂液經(jīng)過井筒壓入煤層[7]，其中壓裂鉆孔的注入水壓必須要大于鉆孔的滲失水壓，煤層的弱面邊緣端部必須形成封堵帶。達到破裂后，煤體是發(fā)生拉伸破裂還是剪切破裂由原始地應力和煤巖特性決定。并且通過壓力差在煤層內(nèi)形成裂縫[8]，三個主應力方向和相對大小決定裂紋的擴展方向。在水壓和弱面空間的不斷作用下，裂隙不斷擴展延伸[9-14]，煤層內(nèi)許許多多的微裂隙貫通鏈接起來，從而形成了瓦斯運移的新通道[15-16]，改善了煤層的滲透性，實現(xiàn)煤層氣井增產(chǎn)。

2 試驗區(qū)概況和現(xiàn)場水力壓裂過程

2.1 試驗區(qū)概況

11221試驗工作面位于井田中部，M2為礦井主采煤層，根據(jù)M2煤層的實際賦存情況，水文地質(zhì)條件和巷道布置方式，試驗選擇在W1瓦斯巷布置底板穿層鉆孔，實施底板穿層鉆孔水力壓裂。根據(jù)已有鉆孔及巷道資料分析，試驗煤層結構單一，局部有薄層夾矸，賦存較穩(wěn)定。煤厚為5.7～8.7m，平均煤厚7.2m，煤層傾角 13°～28°，平均22°。根據(jù)周圍巷道瓦斯壓力測試，預計該區(qū)域煤層瓦斯壓力 0.8MPa，瓦斯含量 11.69m3/ t。由于該試驗煤層屬于典型的高瓦斯低透氣性煤層，瓦斯抽采率不高，壓裂技術急需調(diào)整。

2.2 壓裂設備

如圖1所示，壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、水箱、壓力閥和封孔器等組成。選用額定壓力為 31.5MPa、額定流量為200L/min的乳化液泵。封孔器采用河南理工大學自主研制的SFKB82/51-1500型水力壓裂專用封孔器。

圖1 壓裂系統(tǒng)布置示意

2.3 壓裂過程及結果

當注水壓力達到14MPa時，距離壓裂孔6m處有水滲出，此時壓力降低，繼續(xù)加壓，水壓不再增大并逐漸開始下降，此時壓裂結束。最大注水壓力為17MPa，總注水量75m3。本次壓裂影響半徑至少為2m，開裂壓力在14～17MPa之間。

3 水力壓裂技術的參數(shù)優(yōu)化模擬與應用

為了驗證不同角度下的水力壓裂技術模擬的可靠性，以下用試驗礦井的水力壓裂現(xiàn)場施工參數(shù)進行RFPA2D數(shù)值模擬，模型的基礎參數(shù)見表1。根據(jù)模擬和現(xiàn)場兩者的壓裂過程和結果來分析，從而為現(xiàn)場水力壓裂提供參數(shù)優(yōu)化參考。

表1 模型的基礎參數(shù)

3.1 模型1——現(xiàn)場鉆孔模型建立

本次水力壓裂數(shù)值分析采用 RFPA2D軟件。根據(jù)本礦M2煤層現(xiàn)場實際條件進行數(shù)值分析。模型為邊長為10m×20m的長方形區(qū)域，劃分為200×600=120000個單元。初始加載水壓8MPa，每步加載0.2MPa，圍壓9MPa。在模型中部開挖一直徑為 80mm的孔，水力壓裂注水鉆孔用黑色線條表示，白色線條為封孔器。模型的兩邊是施加的應力。高壓水注入以后，水壓作用于孔的內(nèi)部邊緣，初始水壓6MPa，水壓力以0.2MPa的步長遞增。模型中單元的力學參數(shù),如彈性模量、抗壓強度、壓拉比、滲透系數(shù)、泊松比等，都是按照Weibull分布和煤層實際條件進行賦值。鉆孔壓裂剖面模型見圖2，水力壓裂參數(shù)見表2。

圖2 現(xiàn)場鉆孔壓裂縱剖面模型

表2 試驗區(qū)煤礦水力壓裂參數(shù)

3.2 壓裂結果

現(xiàn)場鉆孔壓裂影響半徑及破壞情況如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場鉆孔壓裂縱剖面破壞情況

根據(jù)圖3分析壓裂影響半徑及破壞情況：

圖3(a)，3(b)為鉆孔壓裂縱剖面上的剪應力圖即壓裂影響半徑示意，圖3(c)，3(d)為其破壞圖。其中圖3(a)，3(c)是模型開始注水時的煤體狀態(tài)，此時鉆孔內(nèi)水壓為6.2MPa。剛開始注水，煤體內(nèi)的水主要以滲流方式流動，鉆孔周圍煤體主要處于彈性變形狀態(tài)。圖3(b)，3(d)是煤體在壓裂鉆孔作用下完全開裂后的狀態(tài)。由圖3可知，本次壓裂影響半徑較小，可見裂隙的最大發(fā)育半徑為1.6m，煤體最大破壞半徑為2.5m。煤層完全開裂為16.8MPa。鉆孔兩端煤體的壓裂情況較差，鉆孔中部的壓裂影響范圍較大，壓裂效果較好，但是鉆孔中部兩側的破壞帶中間的壓裂，存在空白帶。由于壓裂過程中裂隙主要沿著主應力方向擴展，主應力方向為豎直方向，煤體裂隙沿著主應力方向發(fā)展延伸。

將本次模擬結果和現(xiàn)場實際結果對比發(fā)現(xiàn)，本次壓裂模擬結果可見裂隙的最大發(fā)育半徑為4.3m，煤體最大破壞半徑為5.7m，煤層完全開裂為16.8MPa。壓裂影響半徑至少為2m，開裂壓力在14～17MPa之間，所以對現(xiàn)場的仿真模擬結果可靠，與試驗結果接近。

4 現(xiàn)場數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化仿真

4.1模型2——不同角度水力壓裂模型建立

模型2的邊長、網(wǎng)格劃分、邊界條件和水壓均和模型1 相同。進行不同角度水力壓裂模擬時，鉆孔設置為3種角度，分別為60°，45°和30°。

4.2 鉆孔角度為60°時對水力壓裂的影響

鉆孔角度為60°時，鉆孔壓裂影響半徑及破壞情況見圖4所示。

圖4 60°鉆孔壓裂縱剖面破壞情況

分析圖4可知：

煤體處于濕潤階段如圖4(a)，4(c)所示，此時是剛開始注水階段；完全開裂后的狀態(tài)如圖4(b)，4(d)所示，此時煤體由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?。由圖4(b)，4(d)可知，60°鉆孔的壓裂影響半徑較小，鉆孔中部的壓裂影響范圍較大，壓裂效果較好，由于煤體裂隙沿著豎直應力方向延伸，所以鉆孔中部兩側的破壞帶中間的壓裂依然存在空白帶?？梢娏严兜淖畲蟀l(fā)育半徑為1.95m，煤體最大破壞半徑為3.75m。處于卸壓區(qū)域，剪應力下降，在鉆孔左側2.5m處，剪應力升高到最大。

4.3 鉆孔角度為45°時對水力壓裂的影響

鉆孔角度為45°時，鉆孔壓裂影響半徑及破壞情況如圖5所示。

圖5 45°常規(guī)長鉆孔壓裂縱剖面破壞情況

分析圖5可知：

煤體從5(a)起裂，到5(b)時完全開裂。模型剛開始注水時煤體內(nèi)主要是以滲流方式流動的水，鉆孔周圍煤體也主要處于彈性變形狀態(tài)。鉆孔剛開始起裂段，鉆孔周圍的煤體由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?。煤體在壓裂鉆孔作用下完全開裂后的狀態(tài)如圖5(b)，5(d)所示。45°鉆孔可見裂隙的最大發(fā)育半徑為2.45m，煤體最大破壞半徑為4.4m。封孔端煤體的壓裂情況較差，壓裂影響范圍主要集中在鉆孔的中部和頂部，中部和頂部的壓裂效果較好。但是鉆孔底部壓裂區(qū)域沒有完全壓裂，壓裂效果不理想。

4.4 鉆孔角度為30°時對水力壓裂的影響

鉆孔角度為30°時，鉆孔壓裂影響半徑及破壞情況如圖6所示。

圖6 30°常規(guī)長鉆孔壓裂縱剖面破壞情況

分析圖6可知：

煤體從起裂到完全開裂，鉆孔兩端煤體的壓裂情況較差，鉆孔中部的壓裂影響范圍比前兩者稍大一些，但是壓裂效果很差，所以30°的常規(guī)鉆孔不具有可比性。

4.5 結果分析對比

對4種不同鉆孔角度模型的水力壓裂進行了模擬，根據(jù)壓裂鉆孔的縱剖面破壞情況對壓裂效果進行了對比分析，可以得出：鉆孔角度不同對壓裂效果的影響差異較大。不同鉆孔角度的壓裂結果如表3和圖7所示。

表3 不同鉆孔角度的壓裂模擬結果比較

圖7 3種不同角度鉆孔煤體參數(shù)變化對比

由表3可知，對3種不同角度穿層鉆孔進行模擬壓裂后可得，在煤體參數(shù)、初始水壓、每步加載水壓以及邊界條件都完全相同時，角度為45°的鉆孔壓裂效果最好，可見裂隙半徑和煤體破壞半徑最大，其次是60°。90°的壓裂效果不理想。

圖7是3種不同角度鉆孔煤體參數(shù)變化對比圖，由7(a)可知，在距離頂板0.5m處，煤體剪應力變化幅度最大的是45°鉆孔的壓裂。由7(b)可知，在煤層中部，45°和60°鉆孔的壓裂過程中，煤體剪應力變化幅度都很大，但是45°的壓裂影響范圍更廣。由圖7(c)可知，在距離底板0.5m處，45°鉆孔的剪應力變化幅度最大，其次是60°鉆孔。

4 結論和建議

(1)通過對30°,45°,60°,90°的壓裂模型分別進行水力壓裂模擬，壓裂后發(fā)現(xiàn)，30°的壓裂效果較差，不具有可比性。

(2)通過壓裂效果發(fā)現(xiàn)45°,60°,90°的壓裂范圍較大，壓裂效果較好。但是在鉆孔周圍還留有一定區(qū)域的空白帶，空白帶區(qū)域煤體沒有壓裂，不利于瓦斯的釋放。

(3)根據(jù)本文的模擬結果，得出在本模型條件下，最佳常規(guī)鉆孔壓裂角度參數(shù)：45°～60°，其中，45°鉆孔的卸壓帶最寬，影響范圍較大。

(4)綜合比較得出，鉆孔角度在45°～60°范圍之間的壓裂效果較好，而且空白帶區(qū)域的未壓裂部分可以通過多點壓裂技術得到有力的改善消除。