松軟低透氣性煤層水力壓裂增透瓦斯抽采技術(shù)研究

王建偉

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

近年來(lái)，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，科技水平和非化石能源等的快速發(fā)展，煤炭消費(fèi)比重逐年下降。但至2025年，我國(guó)煤炭消費(fèi)需求量仍高達(dá)28億～29億t，占能源消費(fèi)總量的50%～52%[1]，可見(jiàn)在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中仍占主體地位。煤與瓦斯突出是制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素，已成為專(zhuān)家學(xué)者和礦山科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[2]。

煤層瓦斯抽采作為瓦斯治理的根本措施，可有效降低煤層瓦斯含量和風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害的防治[3]。對(duì)松軟低透氣性煤層瓦斯治理時(shí)，常規(guī)瓦斯抽采鉆孔工程量大、有效影響范圍小、瓦斯抽采效率低、抽采瓦斯?jié)舛人p速度快，瓦斯治理效果不理想[4-5]。采取強(qiáng)化措施增加低透氣性煤層孔隙和裂隙以提高瓦斯抽采效果，是松軟低透氣性煤層瓦斯治理領(lǐng)域的重大科技攻關(guān)課題[6-7]。目前，煤層卸壓增透技術(shù)主要有深孔松動(dòng)爆破[8]、水力割縫[9]、水力沖孔[3,10]、CO2相變致裂[11]、保護(hù)層開(kāi)采[12]和水力壓裂[13-14]等，其中水力壓裂技術(shù)憑借增大煤層透氣性、有效降低地應(yīng)力和卸壓增透范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)各大煤礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用[15-19]。

陽(yáng)泉礦區(qū)有典型的高瓦斯松軟低透氣性煤層，為提高瓦斯抽采效果，減小鉆孔工程量，緩解礦井生產(chǎn)接替緊張的問(wèn)題，筆者采用PFC2D顆粒流數(shù)值模擬軟件，研究不同注水流量和壓裂時(shí)間對(duì)松軟低透氣性煤層水力壓裂半徑、裂縫最大開(kāi)度和裂縫數(shù)目的影響規(guī)律，在新景煤礦3#煤層南五底抽巷進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，并對(duì)水力壓裂增透效果進(jìn)行考察，以期為該礦區(qū)和類(lèi)似工程條件礦井采用水力壓裂增透技術(shù)提供一定借鑒。

1 工程概況

新景煤礦位于山西東部陽(yáng)泉礦區(qū)，礦區(qū)面積約為 2 102.47 km2。3#煤層厚度為1.76～2.80 m，平均厚度為2.25 m，平均傾角為5°。煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為 0.38～0.52。3#煤層賦存穩(wěn)定，頂板為高嶺石泥巖和砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，煤層瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.9 MPa，透氣性系數(shù)為1.16×10-3m2/(MPa2·d)，衰減系數(shù)為0.097，百米巷道瓦斯抽采量?jī)H為275.33 m3/d，屬典型的高瓦斯、松軟低透氣性難抽放煤層。

3#煤層南五底抽巷位于保安分區(qū)南翼東部，東鄰南五正巷，西鄰3107工作面(未掘)，南鄰蘆南二區(qū)7206和7208工作面采空區(qū)，北鄰3108工作面(未掘)，地面標(biāo)高為1 020～1 170 m，井下標(biāo)高為518～558 m。巷道頂板距3#煤層底板20～33 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 595.2 m。

2 水力壓裂合理注水參數(shù)優(yōu)化研究

由于水力壓裂過(guò)程中煤層鉛垂方向位移受上覆巖層限制遠(yuǎn)小于水平方向變形，故將煤層簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型[15]。筆者采用PFC2D顆粒流數(shù)值模擬軟件,對(duì)不同注水流量和壓裂時(shí)間條件下松軟低透氣性煤層水力壓裂半徑、裂縫最大開(kāi)度和裂縫數(shù)目的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 模型建立

假設(shè)數(shù)值模擬過(guò)程中總注水流量為有效注水流量和注水濾失流量之和，將有效注水流量與總注水流量之比定義為壓裂液效率。在此前提下建立了如圖1所示的邊長(zhǎng)為50 m的正方形數(shù)值計(jì)算模型，并在模型中部設(shè)置1個(gè)小直徑圓孔來(lái)表示壓裂孔。通過(guò)伺服控制系統(tǒng)使模型內(nèi)部最大水平應(yīng)力σ1和最小水平應(yīng)力σ3保持預(yù)定值。所建數(shù)值模型共包含 2 345 個(gè)顆粒，顆粒最小粒徑為0.42 m，最大粒徑和最小粒徑之比為1.66。圖1中Lu為裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度，箭頭指向?yàn)樽⑷胨畨鹤饔梦恢煤头较颍⑺訅和ㄟ^(guò)控制流量實(shí)現(xiàn)。

為確保數(shù)值模擬結(jié)果真實(shí)可靠，基于新景煤礦煤巖物理力學(xué)參數(shù)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)、調(diào)整后確定的煤巖宏觀(guān)和微觀(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 煤巖宏觀(guān)物理力學(xué)參數(shù)

表2 煤巖微觀(guān)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬方案

為了探究不同注水流量和壓裂時(shí)間對(duì)松軟低透氣性煤層水力壓裂效果，采用控制變量法按如下2種方案分別進(jìn)行多次模擬試驗(yàn)。

方案一：將注水流量分別設(shè)置為5.08、6.88、8.68、10.48、12.28、14.08、17.68 m3/h，并使其他參數(shù)保持一致；

方案二：將壓裂時(shí)間分別設(shè)置為400、450、500、550、600、650、700 s，并使其他參數(shù)保持一致。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 注水參數(shù)對(duì)壓裂半徑的影響

壓裂半徑隨壓裂時(shí)間和注水流量的變化情況如圖2所示。

(a)注水流量為定值

由圖2(a)可知，當(dāng)注水流量一定時(shí)，水力壓裂半徑隨壓裂時(shí)間的延長(zhǎng)呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)；壓裂時(shí)間相同時(shí)，壓裂半徑隨注水流量增加而增大。

由圖2(b)可知，當(dāng)壓裂時(shí)間一定時(shí)，壓裂半徑隨注水流量增加也呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)；注水流量相同時(shí)，壓裂半徑隨壓裂時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到壓裂半徑與壓裂時(shí)間、注水流量間的擬合關(guān)系式(相關(guān)性系數(shù)R=0.95)：

L=9.58(Qt)-1/2-1.35

(1)

式中：L為壓裂半徑，m；Q為注水流量，m3/h；t為壓裂時(shí)間，s。

2.3.2 注水參數(shù)對(duì)壓裂裂縫最大開(kāi)度的影響

壓裂裂縫最大開(kāi)度隨壓裂時(shí)間和注水流量的變化情況如圖3所示。

(a)注水流量為定值

壓裂裂縫最大開(kāi)度是衡量水力壓裂效果的重要指標(biāo)[6,11]。由圖3(a)可知，當(dāng)注水流量一定時(shí)，壓裂裂縫最大開(kāi)度隨壓裂時(shí)間的增加呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，且壓裂時(shí)間相同時(shí)，注水流量越大水力壓裂裂縫最大開(kāi)度越大；由圖3(b)可知，當(dāng)壓裂時(shí)間一定時(shí)，壓裂裂縫最大開(kāi)度隨注水流量的增加也呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，且注水流量相同時(shí)，壓裂時(shí)間越長(zhǎng)水力壓裂裂縫最大開(kāi)度越大。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到壓裂裂縫最大開(kāi)度與壓裂時(shí)間、注水流量間的擬合關(guān)系式(相關(guān)性系數(shù)R=0.97)：

W=0.02+3.21×10-5Q1.04t0.80

(2)

式中W為裂縫最大開(kāi)度，m。

2.3.3 注水參數(shù)對(duì)壓裂裂縫數(shù)目的影響

壓裂裂縫數(shù)目隨壓裂時(shí)間和注水流量的變化情況如圖4所示。

(a)注水流量為定值

內(nèi)部裂縫數(shù)目是決定松軟低透氣性煤層滲透性的主要影響因素，也是評(píng)估水力壓裂增透效果的關(guān)鍵指標(biāo)[15]。由圖4(a)可知，當(dāng)注水流量一定時(shí)，裂縫數(shù)目隨壓裂時(shí)間增加呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，且同一壓裂時(shí)間下注水流量越大所獲得的裂縫數(shù)目越多；由圖4(b)可知，當(dāng)壓裂時(shí)間一定時(shí)，裂縫數(shù)目隨注水流量增大也呈冪函數(shù)形式增長(zhǎng)，且同一注水流量下壓裂時(shí)間越長(zhǎng)所獲得裂縫數(shù)目越多。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到裂縫數(shù)目與壓裂時(shí)間、注水流量的擬合關(guān)系式(相關(guān)性系數(shù)R=0.86)：

N=40.70+4.39×10-5Q2.75t2.48

(3)

式中N為壓裂裂縫數(shù)目。

2.3.4 壓裂半徑、裂縫開(kāi)度和裂縫數(shù)目修正公式

通過(guò)對(duì)不同注水參數(shù)下松軟低透氣性煤層壓裂半徑、裂縫最大開(kāi)度和裂縫數(shù)目的量化研究，建立了相應(yīng)的擬合關(guān)系式。由于上述擬合關(guān)系式未考慮壓裂液漏失對(duì)壓裂效果的影響，與實(shí)際水力壓裂過(guò)程存在誤差，需對(duì)上述擬合關(guān)系式進(jìn)行修正。研究表明，壓裂液漏失速度計(jì)算公式如下[12]：

v=0.054Δp(kφ/ηt)1/2

(4)

式中：v為壓裂液漏失速度；Δp為裂隙孔壓；k為煤層滲透率；φ為孔隙率；η為壓裂液黏度；t為時(shí)間。

相對(duì)其他煤層，松軟低透氣性煤層具有較大的泊松比、較低的彈性模量和低“壓敏性”的特征。引入煤層壓縮參數(shù)Cf對(duì)式(4)進(jìn)行修正：

v=0.054Δp(kCfφ/ηt)1/2

(5)

式中Cf為煤層壓縮參數(shù)。

由式(5)可知壓裂液總漏失量為：

Q漏=?vdtdA

(6)

式中：Q漏為壓裂液總漏失量；A為壓裂裂縫斷面面積。

因此，壓裂液效率計(jì)算公式如下：

ξ=(Q-Q漏)Q-1

(7)

式中ξ為壓裂液效率。

將式(7)分別代入式(1)、式(2)和式(3)中，得到考慮壓裂液漏失情況下的松軟低透氣性煤層水力壓裂半徑L、裂縫最大開(kāi)度W和裂縫數(shù)目N的修正計(jì)算公式：

L=9.58(ξQt)-1/2-1.35

(8)

W=0.02+3.21×10-5(ξQ)1.04t0.80

(9)

N=40.70+4.39×10-5(ξQ)2.75t2.48

(10)

3 水力壓裂工程試驗(yàn)

結(jié)合新景煤礦3#煤層實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)資料和南五底抽巷布設(shè)情況，設(shè)計(jì)壓裂半徑為40 m，按70 m的孔間距分2個(gè)階段先后共施工7個(gè)水力壓裂鉆孔，具體布置如圖5所示。

圖5 南五底抽巷水力壓裂鉆孔布置圖

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

基于現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，將BYW450-70型煤礦井下水力壓裂泵組安裝在距南五底抽巷45 m處的 3#煤層集中配風(fēng)巷內(nèi)并進(jìn)行調(diào)試，連接過(guò)程由專(zhuān)人負(fù)責(zé)，保證管路、閥門(mén)等連接可靠，不漏水[19]。

基于泵注壓力、用液量公式及類(lèi)似工程條件下煤層水力壓裂施工經(jīng)驗(yàn)[6,20]，確定3#煤層水力壓裂起裂壓力為20 MPa，泵注壓力為25 MPa，注水量為100～120 m3(現(xiàn)場(chǎng)壓裂時(shí)根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整注水量)。本次水力壓裂試驗(yàn)采用全程封孔方式封孔，水泥漿封孔至煤層底板以上1 m處，待水泥漿凝固48 h后進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)[21]。由于水力壓裂試驗(yàn)期間乳化液泵故障及其他因素的影響，注水不能連續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致1#～7#水力壓裂鉆孔注水時(shí)間為 65～370 min，注水結(jié)束后關(guān)閉截止閥開(kāi)始進(jìn)入保壓期，保壓時(shí)間為7～30 d。在水力壓裂過(guò)程中，對(duì)注水參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以考察水力壓裂效果。

3.2 水力壓裂效果考察

3.2.1 水力壓裂有效范圍考察

為了考察水力壓裂有效范圍，分別在3#、4#和7#壓裂鉆孔周?chē)煌嚯x處施工效果檢驗(yàn)鉆孔并取樣，采用DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置和烘干法分別對(duì)煤樣瓦斯含量和含水率進(jìn)行測(cè)定，水力壓裂區(qū)域效果檢驗(yàn)鉆孔布置及參數(shù)測(cè)定結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓裂區(qū)域效果檢驗(yàn)鉆孔布置及參數(shù)測(cè)定結(jié)果

由圖6可知，水力壓裂后，松軟低透氣性煤層瓦斯含量隨與水力壓裂鉆孔距離的增大而增大，這是煤層瓦斯受高壓水作用向壓裂延伸方向運(yùn)移的結(jié)果。在實(shí)際水力壓裂過(guò)程中，3#壓裂鉆孔泵注壓力為20 MPa，注水量為98 m3，壓裂半徑為52.26 m；7#壓裂鉆孔泵注壓力為25 MPa，注水量為90 m3，壓裂半徑為47.75 m。由此可知，南五底抽巷水力壓裂泵注壓力為20～25 MPa、注水量為90～100 m3時(shí)，水力壓裂半徑約為50 m。

3.2.2 水力壓裂實(shí)施后瓦斯抽采效果分析

水力壓裂完成1個(gè)月后，在新景煤礦南五底抽巷3#和4#水力壓裂區(qū)域按5 m×5 m的間距布置瓦斯抽采鉆孔抽采瓦斯，并與未壓裂區(qū)域煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行對(duì)比分析。水力壓裂后煤層百米巷道瓦斯抽采量為623.24 m3/d，而未壓裂區(qū)域百米巷道瓦斯抽采量?jī)H為255.47 m3/d，水力壓裂后百米巷道瓦斯抽采量為未壓裂區(qū)域的 2.4倍；水力壓裂后煤層透氣性系數(shù)和衰減系數(shù)分別為2.57×10-2m2/(MPa2·d)和0.033，分別為未壓裂區(qū)域煤層的22.0倍和0.34倍；3#煤層原始煤體平均瓦斯含量為18.17 m3/t，將煤層瓦斯含量降至 8 m3/t以下時(shí)視為抽采達(dá)標(biāo)，壓裂和未壓裂區(qū)域煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果表明：未壓裂區(qū)域穿層鉆孔瓦斯抽采半徑為2.5 m時(shí)，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為370 d；水力壓裂區(qū)域穿層鉆孔瓦斯抽采半徑分別為2.5、3.5、4.5 m時(shí)，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間分別為176、275、454 d。表明在相同抽采半徑下，水力壓裂區(qū)域煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較未壓裂區(qū)域縮短了一半以上。

未壓裂和壓裂區(qū)域煤層抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)隨抽采時(shí)間的變化情況如圖7所示。

圖7 水力壓裂前后鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扰c單孔抽采瓦斯純流量對(duì)比曲線(xiàn)

由圖7可知，水力壓裂區(qū)域鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葹?.23%～61.42%，平均為23.11%；未壓裂區(qū)域鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葹?.52%～19.42%，平均為10.68%。水力壓裂區(qū)域煤層鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛燃s為未壓裂區(qū)域的2.2倍，最高達(dá)4.6倍。

由圖7還可知，水力壓裂區(qū)域單孔抽采瓦斯純流量為5.75×10-4～1.02×10-2m3/min，平均為2.75×10-3m3/min；未壓裂區(qū)域單孔抽采瓦斯純流量為1.63×10-4～3.53×10-3m3/min，平均為1.03×10-3m3/min。水力壓裂區(qū)域煤層單孔平均抽采瓦斯純流量是未壓裂區(qū)域的2.7倍，最高達(dá)19.0倍。

4 結(jié)論

1)采用PFC2D顆粒流數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同注水參數(shù)下松軟低透氣性煤層水力壓裂效果的研究結(jié)果表明，當(dāng)注水流量一定時(shí)，水力壓裂半徑、裂縫最大開(kāi)度和裂縫數(shù)量隨壓裂時(shí)間的增加呈冪指數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng)；當(dāng)壓裂時(shí)間一定時(shí)，水力壓裂半徑、裂縫最大開(kāi)度和裂縫數(shù)量隨注水流量的增大呈冪指數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng)。

2)基于松軟低透氣性煤層物理力學(xué)特征，引入壓裂液效率ξ，得到了松軟低透氣性煤層水力壓裂半徑、裂縫最大開(kāi)度和裂縫數(shù)目的修正計(jì)算公式。

3)現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂試驗(yàn)表明：泵注壓力為20～25 MPa、注水量為90～100 m3時(shí)，水力壓裂半徑約為50 m；水力壓裂實(shí)施后，煤層透氣性系數(shù)為2.57×10-2m2/(MPa2·d)、百米巷道抽采瓦斯流量為623.24 m3/d、鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛葹?3.11%、單孔平均抽采瓦斯純流量為2.75×10-3m3/min，分別為未壓裂區(qū)域煤層的22.0、2.4、2.2和2.7倍。