軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂技術(shù)

李 季 金文廣

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院 北京 101601)

引言

我國(guó)大部分煤層賦存條件復(fù)雜、透氣性差，煤層瓦斯抽采難度大、效率低等問(wèn)題[1]。為增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，國(guó)內(nèi)外提出了密集鉆孔、大直經(jīng)鉆孔、水力沖孔、水力割縫、深孔松動(dòng)爆破、CO2相變致裂等多種方法，但存在鉆孔施工工程量大、有效影響范圍小和抽采瓦斯?jié)舛人p快等問(wèn)題[2-6]。水力壓裂作為一種人為強(qiáng)化卸壓增透方法，在國(guó)內(nèi)煤礦井下進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了一定效果，但也存在如下缺陷：在軟煤中進(jìn)行壓裂時(shí)，由于煤的強(qiáng)度低，塑性較好，難以形成理想的壓裂裂縫；已產(chǎn)生的部分裂隙也因?yàn)槊嘿|(zhì)松軟、地應(yīng)力大等原因，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生閉合，從而影響了整體增透抽采效果。

軟煤無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的水力壓裂實(shí)現(xiàn)增透，幾乎被認(rèn)為是水力壓裂的禁區(qū)[7]。為此，提出一種軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂新技術(shù)。該技術(shù)不直接對(duì)煤層進(jìn)行壓裂，而是通過(guò)對(duì)煤層底板圍巖進(jìn)行透氣性改造，使瓦斯在煤層與底板圍巖接觸面處泄放，瓦斯氣體流入圍巖后再順圍巖裂隙流到鉆孔中而被抽采，從而大大提高瓦斯抽采效果[8-10]。

一、技術(shù)原理

軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂增透技術(shù)原理如圖1所示。圖中壓裂鉆孔不穿過(guò)煤層，僅僅鉆進(jìn)到距煤層0.5m處為止。在鉆孔底部用專(zhuān)用開(kāi)槽鉆頭預(yù)置一組具有卸壓作用的橫槽[11]。開(kāi)槽過(guò)程將形成大量裂隙，可有效降低起裂壓力。封孔時(shí)，預(yù)留5m的巖孔作為壓裂段。然后通過(guò)高壓水對(duì)煤層底板圍巖進(jìn)行壓裂，利用橫槽和控制孔控制水力壓裂的壓裂方向。橫槽和控制孔之間的巖體壓裂貫通并通過(guò)高壓水帶出大量巖屑、煤屑，可有效增加煤層暴露面積與透氣性，減少壓裂孔數(shù)目。壓裂后將壓裂孔與控制孔均聯(lián)入抽采系統(tǒng)，可有效提高抽采效果，降低預(yù)抽時(shí)間。傳統(tǒng)穿層孔水力壓裂，壓裂鉆孔要穿透整個(gè)煤層進(jìn)入其頂?shù)装?，封孔時(shí)鉆孔內(nèi)的封孔材料要達(dá)到煤巖接觸界面，壓裂時(shí)水壓主要作用于煤層。對(duì)于中硬煤以上，高壓水產(chǎn)生的裂縫不易閉合，能夠保持一定的煤層透氣性；而對(duì)于軟煤，高壓水難以產(chǎn)生理想的裂縫，短暫產(chǎn)生的裂縫也會(huì)因?yàn)槊嘿|(zhì)松軟、地應(yīng)力作用等原因很快閉合，無(wú)法改變煤層透氣性[12-15]。

軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂與傳統(tǒng)穿層孔水力壓裂相比，其特點(diǎn)在于[16]：(1)低透氣性的煤層，其圍巖的透氣性也較差。一般而言，圍巖的脆性或可壓裂性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤層，通過(guò)對(duì)煤層圍巖進(jìn)行壓裂提高其透氣性，其效果要比直接作用于軟煤本身好的多[17]。(2)長(zhǎng)時(shí)間抽氣時(shí)，除在鉆孔附近，煤層中瓦斯移動(dòng)到圍巖接觸面的距離遠(yuǎn)小于它到鉆孔的距離，它的排放阻力比直接順煤層到達(dá)鉆孔時(shí)小得多，因面鉆孔瓦斯抽放濃度衰減周期較長(zhǎng)。(3)由于煤層與圍巖是平行接觸的，在圍巖被充分壓裂的情況下，圍巖鉆孔產(chǎn)生的壓降可以傳遞到與它接觸的煤層表面，使瓦斯在接觸面處釋放，它將具有很大的釋放面積。

1—煤層 2—巖層 3—壓裂鉆孔 4—封孔材料

二、圍巖壓裂理論分析

水力壓裂時(shí)，壓裂鉆孔周?chē)鷳?yīng)力狀態(tài)受原巖地應(yīng)力與鉆孔內(nèi)水壓雙重作用影響。當(dāng)壓裂孔為穿層鉆孔時(shí)，在內(nèi)水力壓力作用下，煤體將沿鉆孔某一截面周邊上發(fā)生起裂。為此，可忽略鉆孔軸向水平應(yīng)力的影響，只考慮沿鉛垂應(yīng)力q0和水平徑向應(yīng)力λq0。

在水壓和原巖地應(yīng)力雙重作用下，注水鉆孔周?chē)鷰r體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力為[18]

(1)

式中，λ為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，λ=1500/H+n(n取0.3～0.5)；q0為鉛垂方向地應(yīng)力，q0=γH(γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為地層厚度，m；a為壓裂鉆孔半徑，m；r為鉆孔圍巖中任意一點(diǎn)到鉆孔中心距離，m；θ為點(diǎn)的方位角，

在鉆孔壁上，r=a，則式(1)化簡(jiǎn)為

σθ=(1+λ)q0+2(1-λ)q0cos2θ-p

(2)

若注水鉆孔在孔壁發(fā)生起裂，則σθ必須為拉應(yīng)力，則滿(mǎn)足

|σθ|>|Rt|

(3)

式中，Rt為煤體抗拉強(qiáng)度，MPa.若不考慮拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的正負(fù)號(hào)，只考慮數(shù)值大小，由式(2)、式(3)可得

p>(1+λ)q0+2(1-λ)q0cos2θ+Rt

(4)

壓裂孔周?chē)芩健⒋怪眱蓚€(gè)方向應(yīng)力，當(dāng)θ=0°或180°時(shí)，

p>(3-λ)q0+Rt

(5)

當(dāng)θ=90°或270°時(shí)，

p>(3λ-1)q0+Rt

(6)

最小注水壓力只有滿(mǎn)足式(5)、(6)時(shí)，注水鉆孔周?chē)妆趲r體才會(huì)發(fā)生起裂[19]。以鄭煤集團(tuán)某礦為例，試驗(yàn)地點(diǎn)距地表垂深800m，巖石容重平均為25.5 kN/m3，側(cè)向拉應(yīng)力系數(shù)經(jīng)計(jì)算為2.175，圍巖的抗拉強(qiáng)度Rt為1.5MPa.將數(shù)據(jù)代入式(5)、(6)可得注水鉆孔周?chē)妆谄鹆雅R界壓力為17.7 MPa。

三、軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂數(shù)值模擬

(一)數(shù)值模型

根據(jù)鄭煤集團(tuán)某礦煤層實(shí)際賦存條件，采用長(zhǎng)方形層狀結(jié)構(gòu)模擬地層狀況，并簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型。模型沿走向長(zhǎng)度取40m，高度取20m，煤層平均厚度4m，頂?shù)装鍘r層厚度均取8m，壓裂孔直徑為100mm。模型劃分成400×200共80000個(gè)單元。將上覆巖層的自重簡(jiǎn)化為均布載荷施加于模型上邊界，即在模型頂部施加12MPa的載荷，側(cè)壓系數(shù)取2.2，即水平應(yīng)力為26 MPa。設(shè)置的初始?jí)毫褖毫? MPa，此后以0.5MPa/步的幅度增長(zhǎng)。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

(二)最大主應(yīng)力分布

圖2為27、38、44、51步在底板與煤層接觸面的最大主應(yīng)力分布圖，圖3為對(duì)應(yīng)的分布曲線。由于預(yù)置橫槽可有效降低裂縫起裂所需壓力，故裂隙沿預(yù)置橫槽處擴(kuò)展；鉆孔底端煤層由于高壓水的作用將產(chǎn)生位移，位移產(chǎn)生的形變將在此區(qū)域產(chǎn)生卸壓作用，應(yīng)力得到充分釋放，故鉆孔周邊最大主應(yīng)力較小；隨著距鉆孔距離的增大，高壓水的卸壓作用將逐漸變小，應(yīng)力釋放程度變小，故最大主應(yīng)力隨著距鉆孔距離的增大而逐漸增大。

圖2 最大主應(yīng)力分布圖

圖3 最大主應(yīng)力分布曲線

(三)水頭分布

圖4為第27、38、44、51步的孔隙水壓力分布。

第27步圍巖開(kāi)始起裂破壞，破壞沿預(yù)置橫槽方向擴(kuò)展，起裂壓力為16 MPa；第44步，裂隙沿橫槽繼續(xù)發(fā)展，破裂區(qū)為高壓水區(qū)，瓦斯從煤層滲流至圍巖的通道也逐步形成，此時(shí)水壓達(dá)到24.5MPa；直到第51步，由于高壓水的持續(xù)作用，裂紋擴(kuò)展到控制孔范圍，形成瓦斯流動(dòng)通道，實(shí)現(xiàn)軟煤底板壓裂的技術(shù)目的，此時(shí)水平圍巖損傷半徑為10米。

由圖5水壓力分布曲線可知，鉆孔中心區(qū)水壓最高，并沿水平方向逐漸減小。

圖4 孔隙水壓力分布圖

圖5 孔隙水壓力分布曲線

Fig.5 Pore water pressure distribution curve

(四)壓裂過(guò)程分析

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，在鉆孔內(nèi)預(yù)置橫槽可有效降低起裂壓力，槽內(nèi)弱面與周?chē)刂瓶资┕み^(guò)程中形成的卸壓圈可有效控制起裂方向。高壓水克服底板鉆孔楔形槽的致裂強(qiáng)度，產(chǎn)生裂隙并延伸、溝通壓裂孔附近煤巖體內(nèi)原來(lái)不相連的裂隙和孔隙，改變圍巖結(jié)構(gòu)，形成以壓裂孔為中心向孔外輻射的孔裂隙系統(tǒng)。

在壓裂初始階段，在高壓水作用下，促使各級(jí)弱面發(fā)展與貫通，圍巖受到擠壓被拉破壞并釋放應(yīng)力，裂紋不斷向水平方向擴(kuò)展，隨之高應(yīng)力區(qū)也出現(xiàn)在破裂區(qū)前端，使煤巖破裂成為連鎖反應(yīng)[20]。破裂區(qū)半徑約為10米。

由圖5可知，整個(gè)壓裂過(guò)程中，鉆孔水壓最高，并沿水平方向逐漸減小。結(jié)合圖2，鉆孔周邊高水壓處與應(yīng)力釋放處重合，說(shuō)明在高壓水作用下鉆孔周邊應(yīng)力得到釋放，裂隙在高壓水作用下擴(kuò)展貫通，最終使煤巖結(jié)合處發(fā)生破裂，瓦斯通過(guò)此處流向壓裂孔。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

在鄭煤集團(tuán)某礦25采區(qū)底抽巷進(jìn)行了技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，典型的2個(gè)壓裂孔參數(shù)見(jiàn)表2所示。距離壓裂孔10米處施工控制孔，控制孔長(zhǎng)度打穿底板后見(jiàn)0.5米煤層，孔徑94mm。1#鉆孔壓裂過(guò)程中最高水壓為29.2MPa，注水量34.2m3，第一次憋壓最高值為16.3 MPa，說(shuō)明起裂壓力為16.3MPa，用時(shí)2小時(shí)20分；2#鉆孔壓裂過(guò)程中最高壓力28.9MPa，注水量34m3，第一次憋壓最高值為15.9 MPa，用時(shí)2小時(shí)40分?？刂瓶妆粔和ê?，繼續(xù)壓裂直至控制流出水流中不再有煤、巖屑排出，且水流穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。水力壓裂施工中全程記錄了壓力、流量、時(shí)間等重要參數(shù)。

由現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果可知，底板割縫導(dǎo)向控制壓裂技術(shù)的實(shí)際起裂壓力明顯小于計(jì)算起裂壓力，說(shuō)明該技術(shù)能有效降低煤層起裂壓力。

表2 軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂參數(shù)表

選取2個(gè)割縫導(dǎo)向壓裂孔與直接壓裂煤層鉆孔，進(jìn)行壓裂前后鉆孔瓦斯抽采濃度和純量對(duì)比分析，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，直接對(duì)煤層進(jìn)行壓裂時(shí)，鉆孔最大瓦斯?jié)舛葹?2%，最大抽采純量為0.24m3/min，經(jīng)過(guò)15d后，抽采濃度衰減至16%，抽采純量衰減至0.13m3/min，抽采濃度和純量較小。

圖6 瓦斯抽采濃度對(duì)比圖

圖7 瓦斯抽采純量對(duì)比圖

2個(gè)割縫導(dǎo)向壓裂孔最大瓦斯抽采濃度度分別為75%與64%，最大瓦斯抽采純量分別為0.63m3/min與0.64m3/min，經(jīng)過(guò)15d天，2個(gè)導(dǎo)向壓裂孔抽采濃度保持在34%以上，抽采純量保持在0.39m3/min以上，抽采穩(wěn)定。與直接壓裂煤層相比，割縫導(dǎo)向壓裂孔抽采瓦斯?jié)舛绕骄黾恿?0.37%，瓦斯抽采純量增加了0.345m3/min。

底板壓裂過(guò)程中，壓裂孔與控制孔之間的巖體被壓穿，壓裂孔與控制孔之間距離即為壓裂半徑。試驗(yàn)煤層走向長(zhǎng)度1050米，原設(shè)計(jì)共布置抽采鉆孔262個(gè)，采用底板導(dǎo)向割縫壓裂措施后僅需施工105個(gè)，施工孔減少60 %，可有效減少鉆孔的工程量。

五、結(jié)論

(1)直接對(duì)軟煤進(jìn)行壓裂增透，由于其強(qiáng)度低、塑性好，難以產(chǎn)生理想的壓裂裂縫，壓裂增透效果不理想；對(duì)煤層底板進(jìn)行水力壓裂，具有可壓裂性好、煤層瓦斯釋放面積大、煤層瓦斯擴(kuò)散滲流到抽采鉆孔阻力小等優(yōu)點(diǎn)。

(2)利用真實(shí)破裂過(guò)程分析軟件RFPA2D-flow，對(duì)軟煤底板割縫導(dǎo)向控制壓裂新技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析，模擬了對(duì)軟煤底板進(jìn)行壓裂后裂隙的萌生、發(fā)展直至貫通的整個(gè)過(guò)程，并對(duì)孔隙水壓力與最大主應(yīng)力的分布變化規(guī)律進(jìn)行研究。數(shù)值模擬得到的圍巖起裂壓力為14MPa，峰值壓裂壓力為28 MPa，壓裂半徑為10m。

(3)直接對(duì)煤層壓裂時(shí)瓦斯抽采濃度低、衰減快，割縫導(dǎo)向壓裂孔抽采濃度長(zhǎng)時(shí)間比較穩(wěn)定。導(dǎo)向壓裂孔最大瓦斯抽采濃度為75%，平均瓦斯抽采純量為0.53m3/min，比直接壓裂煤層鉆孔平均提高了30.37%與0.345m3/min，且鉆孔施工量減少60 %，有效減少鉆孔工程量，縮短預(yù)抽時(shí)間，壓裂增透效果顯著，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。