順層水力導向壓裂增透技術在低透氣性松軟煤層的應用研究

趙偉偉

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

低滲透高瓦斯松軟煤層瓦斯抽采難度較大，采用現(xiàn)行瓦斯抽采工藝較難完成本煤層瓦斯抽采達標，特別是單一煤層開采時，為了保證采掘安全必須采取增透措施[1-3]。目前，針對煤礦井下水力增透技術已有相關研究，周西華等[4]分析了煤層鉆孔間距對水力壓裂增透效果的影響；何福勝等[5]研究了穿層鉆孔水力壓裂增透效果及壓裂參數(shù)優(yōu)化；邊小峰等[6]在高瓦斯煤層進行了水力壓裂增透的對比實驗研究；劉軍[7]系統(tǒng)研究了水力壓裂鉆孔封孔的力學模型并進行了現(xiàn)場試驗；吳擁政等[8]在潘北礦井下進行了水力壓裂增透試驗研究；石欣雨等[9]在復雜地質條件下開展了割縫與壓裂協(xié)調的增透實驗；許江等[10]在實驗室完成了真三軸作用下水壓壓裂對煤巖層作用的物理模擬實驗。煤層水力壓裂增透技術具有較好的應用前景，為了提升煤層水力壓裂的增透效果，本文提出在低滲透高瓦斯松軟煤層開展高壓水力割縫形成導向槽后的水力壓裂增透方法，并結合斜溝煤礦煤層瓦斯賦存條件運用該方法進行增透機理的相關研究[11]。

1 煤層水力導向壓裂增透機理分析

低滲透高瓦斯松軟煤層井下順層水力導向壓裂增透技術是利用高壓水射流割縫設備首先對原始煤體鉆孔內進行割縫形成較大的裂縫，這些大尺度的裂紋為水力壓裂提供了導向的作用；隨后利用高壓水作為動力，注入鉆孔內的高壓水克服煤層自然濾失和應力的作用，大量的水注入原始煤體的孔洞及裂隙中，持續(xù)壓裂促使煤體形成新的裂隙及導通裂隙網絡，從而增加煤層的滲透性，最終提高本煤層瓦斯抽采率[12-13]。

煤層水力壓裂過程中，空間地應力決定裂隙擴展延伸的路徑和形態(tài)。假設在不考慮煤體濾失作用條件下，目標煤體各項均質且裂隙沿壓裂鉆孔對稱延伸[14]，則簡化后的煤體內裂隙形態(tài)如圖1所示。

圖1 裂隙延伸形態(tài)簡圖

由England提出在平面應變條件下的裂隙內壁表面上任意正應力p與裂隙寬度W的關系為：

(1)

式中：fL=x/L，且f1、f2為裂縫長度系數(shù)(-L≤x≤L)；G為剪切模量，MPa；v為泊松比；E為彈性模量，MPa。

依據(jù)斷裂力學和流體力學理論得出裂隙體積:

式中：H為煤層厚度，m；Q為裂縫延伸平均瞬時排量，m3/min；t為時間，min。

壓裂鉆孔對稱裂隙全長：

(3)

式中：μ為液體動力粘度，Pa·s。

壓裂鉆孔單條裂隙長度：

(4)

將式(4)代入式(2)可以得到水力壓裂鉆孔裂隙寬度方程：

(5)

水力壓裂提高煤層滲透率的模型可以定義為：煤層在水力壓裂過程中，壓裂鉆孔長度與壓裂新生裂隙數(shù)量成正比，壓裂鉆孔范圍內有a條原生裂隙擴展延伸，則單條裂隙承受泵注入壓裂液的體積為：

(6)

式中：Qn為單條裂隙注液體積，m3；Q為壓裂泵注液總體積，m3；l為壓裂鉆孔長度，m。

將式(6)代入式(4)和(5)，可以得到距離壓裂鉆孔任意位置單條裂縫內注入的壓裂液體積，則注入的壓裂液體積表征為裂隙大小，從而間接推導出孔隙度方程：

(7)

式中：R為距離壓裂鉆孔的距離，m。

由Carman-Kozeng方程：

(8)

式中：T為壓裂鉆孔裂隙曲折系數(shù)。

將式(7)代入(8)可以推導得出距離壓裂鉆孔R處的滲透率方程為：

(9)

由式(9)可知，距離水力壓裂鉆孔R處的滲透率隨距離的增大減??；在相同煤層厚度和原生裂隙條件下，滲透率與壓裂時間具有正線性關系。

2 煤層水力導向壓裂數(shù)值模擬分析

由于煤層屬于非勻質的固體，使得采用煤層的本構關系不能解釋煤層壓裂過程中破壞機制，通過分析煤層微觀結構研究壓裂增透機理，已有研究表明，煤層受到外力作用后其內部結構被破壞是造成煤層力學性質變化的主要原因。煤層損傷破裂過程滲流-應力耦合數(shù)值模擬軟件RFPA2D-Flow對研究煤巖體裂隙發(fā)育與擴展中滲透率演化和流固耦合機理具有良好的適用性和準確度。

2.1 數(shù)學模型

RFPA2D-Flow對煤層多孔介質流固耦合的數(shù)學模型主要由變形場、滲流場、滲流與變形耦合模型等組成，各數(shù)學模型如下：

(10)

本構方程：σ'ij=σij-αPδij=λδijεv+2Gεij

(11)

(12)

(13)

滲流-應力耦合方程：k(σ，p)=

(14)

式中：Q為Biot常數(shù)；ρ為體積密度；εv，εij分別為體應變和正應變；δ為Kronecker常數(shù)；G為剪切模量；λ為拉梅系數(shù)；▽2為拉普拉斯算子；k為滲透系數(shù)；k0為原始滲透系數(shù)；P為孔隙水壓力；α為實驗確定的孔隙水壓系數(shù)；β為實驗確定的應力敏感因子。

2.2 物理模型

以斜溝煤礦的8號煤層為研究對象，模擬回采工作面為18205大采高工作面，煤層平均厚度為4.81 m，煤層傾角為3°左右的近水平煤層，回采區(qū)域埋深為500 m左右，本煤層鉆孔孔徑為113 mm，模型使用的物理參數(shù)如表1所示。本次數(shù)值模擬建立的模型尺寸為200 m×200 m的二維平面模型，模型如圖2所示。

圖2 8號煤層水力壓裂模型

表1 8號煤層高壓水射流導向壓裂增透數(shù)值模擬參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結果分析

為了研究斜溝煤礦8號煤層12采區(qū)18205工作面本煤層水力導向壓裂增透效果，本次采用基礎物理參數(shù)一致的情況下，模擬實驗一為本煤層順層鉆孔未采取任何措施時運用水力壓裂過程中煤體的演化特征，模擬實驗二為本煤層順層鉆孔先采用高壓水力割縫后，再進行水力壓裂過程。模擬過程中選取0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa和40 MPa共9個升壓時刻的壓裂鉆孔周圍煤體演化特征，模擬實驗一水力壓裂過程演化如圖3所示，模擬實驗二水力壓裂過程演化如圖4所示。

圖3 煤層常規(guī)鉆孔(D113 mm)水力壓裂過程演化

圖4 煤層常規(guī)鉆孔采用水力割縫導向深度(D200 mm)

由圖3可以看出，水力壓裂形成的新生裂隙以鉆孔為軸線對稱分布，最終裂隙網絡成“沙漏”形狀。從圖3(a)～(e)可以看出壓力值從0 MPa逐漸升至20 MPa過程中，煤體未開始起裂，此時壓力強度未達到煤體所受應力強度，當壓力值達到25 MPa時，沿近水平方向上形成了明顯的裂隙，隨著壓力增大，沿著該裂隙逐漸向水平方向延伸并向縱向擴展，最終形成半徑為3 m左右的水力壓裂裂隙網絡。

圖4為本煤層常規(guī)鉆孔在采用高壓水力割縫形成最大直徑為200 mm導向槽后，再進行水力壓裂過程演化，由圖4(d)可以看出在壓力值升至15 MPa時，壓力鉆孔開始起裂，當壓力值升至30 MPa時，裂隙擴展半徑達到了3 m左右，隨著壓力值持續(xù)升至40 MPa時裂隙擴展半徑達到了6 m，最終裂隙網絡形成“喇叭花”形狀。

3 現(xiàn)場試驗

為了考察順層水力導向壓裂的增透效果，在18205工作面材料巷開展試驗。在材料巷625 m處試驗本煤層順層鉆孔未采取任何措施時運用水力壓裂技術，在材料巷825 m處試驗本煤層順層鉆孔先采用高壓水力割縫后，再進行水力壓裂技術。試驗區(qū)域鉆孔布置如圖5所示，鉆孔直徑113 mm，開孔高度1.5 m，傾角為-7°，方位角為270°，鉆孔長度為60 m，材料巷825 m處1號檢驗孔與2號割縫孔間距為3 m，2號割縫孔與3號檢驗孔間距為6 m；材料巷625 m處4號檢驗孔與5號未割縫孔間距為3 m，5號未割縫孔與6號檢驗孔間距為3 m。連續(xù)觀測試驗前后壓裂孔周圍抽采孔內的瓦斯?jié)舛群土髁浚玫较嚓P數(shù)據(jù)后，運用數(shù)據(jù)縫隙軟件進行對比分析。

圖5 鉆孔布置示意

1) 水力割縫前后瓦斯抽采量對比如圖6所示。由圖6可知，采取水力割縫后瓦斯抽采量顯著升高，水力割縫前瓦斯抽采量為15.9～21.8 m3/d，水力割縫后瓦斯抽采量為34.8～53.7 m3/d，是水力割縫前的2.18～2.46倍，平均抽采量比割縫前增大了1.29倍。在水力割縫后前7 d內抽采量升高速度較快，之后伴隨著時間的推移瓦斯抽采量逐漸衰減，但仍然超過水力割縫前的抽采量，預抽時間也明顯縮短。

圖6 水力割縫前后瓦斯抽采量

2) 水力割縫前后的煤層透氣性系數(shù)對比如圖7所示。由圖7可知，未采取水力割縫技術時的鉆孔抽采時，煤層透氣性系數(shù)為0.025 137 m2/(MPa2·d)，采取水力割縫后煤層透氣性系數(shù)為0.141 925 m2/(MPa2·d)，比未采取水力割縫技術增大了4.65倍。采取水力割縫技術后在前10 d內煤層透氣性系數(shù)變化幅度最大，證明水力割縫產生的裂隙發(fā)生閉合現(xiàn)象，30 d后煤層透氣系數(shù)大小基本保持穩(wěn)定，90 d后煤層透氣性系數(shù)還是高于原始煤層透氣性系數(shù)2.29倍。

綜上分析得到，煤體在采取水力割縫的水力壓裂增透技術后，原生裂隙發(fā)生擴展的同時，還生成了大量的新裂隙。在水力割縫初期，煤層透氣性增加的速度很快，在地應力作用下裂隙隨著時間的推移發(fā)生閉合的現(xiàn)象，但因為控制孔的作用，形成了不可恢復的裂縫裂隙，在后續(xù)的試驗中可嘗試用其他介質開展輔助割縫，進而充分利用割縫初期形成的裂隙或者降低裂隙裂縫的閉合程度。

圖7 水力割縫前后煤層透氣性系數(shù)變化

4 結 語

1) 分析了煤層水力導向壓裂增透機理，推導得出了距離水力壓裂鉆孔R處的煤體滲透率方程為?研究得出距離水力壓裂鉆孔R處的滲透率隨距離的增大而減小；在相同煤層厚度和原生裂隙條件下，滲透率與壓裂時間具有正線性關系。

2) 以斜溝煤礦18205工作面為對象，開展本煤層鉆孔是否采取水力割縫的水力壓裂增透數(shù)值模擬研究，得出常規(guī)順層鉆孔水力壓裂增透半徑為3 m，而運用水力割縫后進行導向水力壓裂增透半徑達到了6 m。

3) 現(xiàn)場試驗表明，水力導向壓裂增透技術能夠有效改造低滲透高瓦斯松軟煤層煤體裂隙結構，有效提升煤層的滲透性，從而提高本煤層瓦斯抽采的效果。