基于RFPA數(shù)值模擬的水力壓裂增透影響半徑研究

邊小峰畢建乙張 輝

（1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁033602；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順113122）

0 引言

隨著我礦煤礦產(chǎn)量增大，越來(lái)越多的煤礦將步入深部開(kāi)采，深部區(qū)域的煤層地應(yīng)力和瓦斯壓力卻很高，透氣性很差，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效果差、本煤層鉆孔打鉆量大，對(duì)礦井的采掘銜接產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以針對(duì)瓦斯含量高、透氣性系數(shù)差的煤層如何高效抽采瓦斯成為各大煤炭集團(tuán)的重要性攻克項(xiàng)目，而解決此難題的最佳方法是煤層的卸壓增透[1]。

現(xiàn)在我國(guó)礦井大多數(shù)采用的卸壓增透方法是水力化措施、開(kāi)采保護(hù)層、深孔預(yù)裂爆破及液態(tài)CO2相變致裂爆破。我國(guó)科研人員針對(duì)此難題開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。何福勝等[2]通過(guò)在18205材料巷開(kāi)展水力壓裂試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)水壓升高至16 Mpa時(shí)有效影響半徑為7 m，水力壓裂區(qū)域煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯抽采濃度和抽采純量顯著提高。許江等[3]通過(guò)多場(chǎng)耦合煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)水力壓裂全過(guò)程包括4個(gè)階段，即應(yīng)力積累階段、微破裂發(fā)育階段、裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段、破裂后階段，壓裂過(guò)程中水壓力場(chǎng)的演化跟裂縫的發(fā)育、擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，水力壓裂裂縫主要沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。石欣雨等[4]采用原煤試樣開(kāi)展煤巖水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)及煤巖裂縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于井下厚儲(chǔ)層，通過(guò)“分段一分壓”壓裂方式來(lái)構(gòu)造橫縱交織的裂縫網(wǎng)，可以顯著提高瓦斯的抽采效率，同時(shí)避免在含較多縱向原生裂縫及較大斷層的井壁位置布置射流孔，防止引起煤儲(chǔ)層頂板、底板失穩(wěn)破壞，造成安全事故。吳擁政等[5]在余吾煤業(yè)公司S1206煤柱留巷瓦排巷開(kāi)展試驗(yàn)，壓裂結(jié)果證明，采用定向水力壓裂能顯著減弱堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生的懸頂現(xiàn)象，割斷保護(hù)煤柱上方的堅(jiān)硬頂板，將懸臂區(qū)自然冒落，減小煤柱和實(shí)體煤載荷，破壞應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，提高留巷受力狀態(tài)，留巷變形顯著變小。

本文借助理論研究與數(shù)值模擬的手段，再現(xiàn)高瓦斯低透氣煤層壓裂時(shí)裂紋發(fā)育規(guī)律和應(yīng)力的變化規(guī)律，并山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀察現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果，為高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透、提高抽采效果提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 壓裂增透機(jī)理

水力壓裂原理為通過(guò)高壓破碎煤體，煤層中的裂隙和多級(jí)弱面的邊界區(qū)域因?yàn)楦邏核挠绊戦_(kāi)始支撐多級(jí)弱面壁，從而膨脹破碎煤體，大量的裂隙得到張開(kāi)發(fā)育擴(kuò)展延伸，在高壓水持續(xù)注入下，裂縫裂隙源源不斷的延伸和擴(kuò)展，分割煤體的內(nèi)部，在分割過(guò)程中增大了煤層內(nèi)部體積，同時(shí)相互聯(lián)通的裂隙再次形成一個(gè)繁雜的網(wǎng)絡(luò)，迫使煤層分解壓裂，顯著提升透氣性，裂隙發(fā)育延伸變化見(jiàn)圖1。

圖1 裂隙發(fā)育擴(kuò)展次序

2 模型建立

依據(jù)斜溝煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，構(gòu)建15 m×5 m的數(shù)值模擬模型，如圖2所示，將模型劃分為300×100的網(wǎng)格，同時(shí)填充實(shí)體材料。然后在模型的中間描繪r=0.056 5 m半徑的圓，并填充空洞，用來(lái)作為數(shù)值模擬過(guò)程中的水力壓裂鉆孔，向模型的旁邊添加10 MPa的初始應(yīng)力，在模型的垂直方向施加19.5 MPa的初始應(yīng)力。模擬時(shí)將高壓水的初始?jí)毫υO(shè)置為8 MPa，然后每步升高0.15 MPa，從第一步開(kāi)始合計(jì)運(yùn)算開(kāi)挖50步，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)

圖2 壓裂模型

3 最大剪應(yīng)力變化規(guī)律

圖3（a）為注水壓力8 Mpa的最大剪應(yīng)力變化情況，此刻鉆孔內(nèi)部充滿高壓水，隨著壓力一步一步的增大，鉆孔周圍的應(yīng)力再次重新分布，然后數(shù)值模擬計(jì)算每一步開(kāi)始增加0.15 MPa，水壓開(kāi)始有序增大；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，由圖3（b）得到，離鉆孔較遠(yuǎn)處的剪應(yīng)力一直增大，且在鉆孔越近處的剪應(yīng)力越大，此刻鉆孔周圍慢慢形成微裂隙，周圍的煤體形成塑性狀態(tài)；當(dāng)水壓增加到14MPa時(shí)，最大剪應(yīng)力變化如圖3（c）所示，由圖3（c）得到最大剪應(yīng)力一直增大，裂紋裂隙越來(lái)越多，當(dāng)注水壓力超過(guò)煤體粘結(jié)力與抗壓強(qiáng)度之和時(shí)，導(dǎo)致煤體開(kāi)始破壞，裂隙裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸，一直超鉆孔的更遠(yuǎn)處開(kāi)始擴(kuò)展；當(dāng)注水壓力壓力增加到15.5 MPa時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算停止，最大剪應(yīng)力變化如圖3（d）所示，這時(shí)煤層形成大量的裂隙，鉆孔附近形成局部破碎，裂隙越來(lái)越多，且向鉆孔深度延伸擴(kuò)展的裂縫裂隙顯著增多，煤層破裂區(qū)域面積大，達(dá)到卸壓增透的目的。

圖4 有效影響半徑與注水壓力的變化規(guī)律

有效影響半徑與注水壓力的變化曲線如圖4所示。從圖4能得到：當(dāng)水壓很小時(shí)，有效影響半徑升高的幅度也很小。當(dāng)注水壓力不斷高升，鉆孔內(nèi)的高壓水持續(xù)向深部滲透，到達(dá)楔形弱面裂隙中，這是由于連結(jié)力與地應(yīng)力的作用，致使注入的高壓水滲流速度減慢，不能繼續(xù)滲流，雖然壓裂影響區(qū)域仍然在持續(xù)增大，但裂隙擴(kuò)展延伸的速度減慢，最后水力壓裂有效影響半徑穩(wěn)定至7 m范圍。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 鉆孔布置

在斜溝煤礦18205材料巷430 m處開(kāi)展水力壓裂技術(shù)試驗(yàn)，壓裂鉆孔布置如圖5所示，鉆孔深度為40 m，壓裂孔封孔長(zhǎng)度是20 m，檢驗(yàn)孔封孔長(zhǎng)度是8 m。設(shè)置最高注水壓力為16 MPa。通過(guò)觀察水從檢驗(yàn)孔流出的情況作為水力壓裂效果考核指標(biāo)。

圖5 壓裂鉆孔布置

4.2 效果分析

4.2.1 注水壓力

壓裂開(kāi)始時(shí)，先壓裂4#壓裂孔，將注水的初始?jí)毫υO(shè)置2 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中觀察得到當(dāng)壓力為12 MPa時(shí)，3#檢驗(yàn)孔內(nèi)開(kāi)始滲水，且滲水量越來(lái)越多，在孔壁周圍形成大裂隙裂紋，孔壁的碎小煤塊開(kāi)始掉下，鉆孔發(fā)生失穩(wěn)破裂現(xiàn)象，與模擬結(jié)果基本一致?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)注水14 min，壓力保持16 MPa左右，注水量共計(jì)為4.2 m3。4#孔水壓變化見(jiàn)圖6。

圖6 4#壓裂孔壓力變化情況

4#孔壓裂結(jié)束后，對(duì)2#壓裂孔實(shí)施同樣壓裂步驟，2#壓裂孔水壓變化情況見(jiàn)圖7，注水壓力達(dá)到13 MPa時(shí)，壓力表指針保持穩(wěn)定，而這時(shí)在1#和3#檢驗(yàn)孔內(nèi)并無(wú)水涌出。試驗(yàn)結(jié)果證明18205材料巷水力壓裂有效影響半徑大于7 m，但小于8 m。

圖7 2#壓裂孔壓力變化情況

4.2.2 抽采效果分析

水力壓裂后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)鉆孔瓦斯抽采濃度和流量，收集數(shù)據(jù)，繪制壓裂區(qū)域2#壓裂孔和4#壓裂孔，非壓裂區(qū)域1#觀測(cè)孔和2#觀測(cè)孔的瓦斯抽采濃度與純量隨時(shí)間的變化曲線，如圖8和圖9所示；從圖8得到，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯開(kāi)始自然衰減，未實(shí)施水力壓裂煤層區(qū)域的瓦斯?jié)舛扔筛叩降烷_(kāi)始衰減，由10.7%減小到2.1%，平均濃度為5.26%。開(kāi)展水力壓裂后，瓦斯?jié)舛鹊玫斤@著提高，由12.8%增大到34.7%，平均濃度為23.28%，整體為高-低-高的走向趨勢(shì)，這是因?yàn)閯傞_(kāi)始抽采時(shí)鉆孔內(nèi)部積聚大量的瓦斯在高壓水的影響下突然擴(kuò)散至檢驗(yàn)孔附近，產(chǎn)生大量的高濃度瓦斯，然后隨著高壓水逐漸向孔外流出，大量的瓦斯運(yùn)移通道再次連通，游離瓦斯在抽采負(fù)壓的作用下運(yùn)移至抽采鉆孔，再次形成高濃度瓦斯，因此抽采濃度會(huì)再次出現(xiàn)峰值，在抽采第4～8天瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)31.08%。

從圖9發(fā)現(xiàn)壓裂后瓦斯抽采純量明顯提高，變化范圍在0.012 9 m3/min～0.087 9 m3/min，平均是0.044 3 m3/min；然而壓裂前抽采鉆孔的抽采純量很小，僅為0.001 34 m3/min～0.012 2 m3/min，平均是 0.004 59 m3/min。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得到：壓裂范圍瓦斯抽采濃度提高4.43倍，抽采純量增大9.62倍，鉆孔共抽采瓦斯純量為42 100.28 m3。

圖8 壓裂前后抽采濃度變化

圖9 壓裂前后抽采流量變化

4.2.3 透氣性系數(shù)

壓裂結(jié)束后測(cè)定煤層的透氣性系數(shù)1.18 m2/(MPa2·d)，而壓裂前煤層透氣性系數(shù)僅為0.082 m2/(MPa2·d)，提升14倍，煤層的透氣性系數(shù)明顯增大，確保了抽采效果。

5 結(jié)論

（1）在高壓水的影響下，煤層內(nèi)部的新生裂隙主要發(fā)生三個(gè)過(guò)程：裂隙壓縮、裂隙穩(wěn)定延伸和裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展，不斷發(fā)育延伸的裂隙構(gòu)成相互貫通的網(wǎng)絡(luò)，給瓦斯運(yùn)移提供大量的通道，從而增大透氣性系數(shù)。

（2）壓裂增透試驗(yàn)明：采用水力壓裂增透技術(shù)，水力壓裂有效影響半徑增大到7 m范圍，壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔瓦斯抽采濃度增大4.43倍，抽采純量提高9.62倍，煤層的透氣性系數(shù)增大14倍，抽采效果得到明顯改善。