W-S-W 水力壓裂技術在瓦斯抽采中的模擬與實踐

曾祥斌

（山西石涅招標代理有限責任公司，山西 晉城 048006）

水力壓裂技術在煤層氣開采、水利建設等方面已經(jīng)有眾多成功的應用實例，技術成熟。煤炭資源的開采逐步加深，地應力影響顯著，當開采高瓦斯煤層時難度越發(fā)加劇，對煤巖體實施水力壓裂從而幫助瓦斯抽采有著良好的研究前景[1-2]。在已有案例中發(fā)現(xiàn)，水力壓裂技術可以更好地提高煤巖體的透氣性，但在實踐中，常規(guī)的水力壓裂工藝對深部圍巖尤其是采深超過500 m 的煤層效果并不明顯。為改善深部圍巖水力壓裂增透效果，筆者參考相關文獻資料，發(fā)現(xiàn)“水-砂-水”（ W-S-W） 水力壓裂強化增透技術對較深煤層的瓦斯抽采有一定的幫助，并對其壓裂增透的應用效果進行考察[3]。

1 W-S-W 水力壓裂技術介紹

當對淺部圍巖進行常規(guī)水力壓裂處理后，由于煤巖體內(nèi)形成的水力裂縫受地應力影響較小，不易閉合，透氣性提升明顯；但對深部圍巖尤其是埋深超過500 m 的巖層進行常規(guī)水力壓裂時，由于圍巖地壓較高，水力裂縫容易被壓縮甚至閉合，造成縫隙張開度不足，大大降低后期的瓦斯抽采效果。

W-S-W（Water-Sand-Water）水力壓裂增透技術，即水-砂-水混合分步壓裂，其本質(zhì)是一種強化增透技術，具體包括3 個步驟。步驟1：初次常規(guī)水力壓裂階段。首先對煤巖體采用常規(guī)水力壓裂進行處理，直至造成初次壓裂并出現(xiàn)水力裂縫，同時保證水力裂縫與煤巖其他裂隙相通。步驟2：支撐劑（砂石）壓裂階段。為維持初次水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫狀態(tài)，將采用由一定比例配制而成的支撐劑（石英砂）對縫隙進行再次壓裂，支撐劑的固液混合體不斷對煤體造成填充、擴張的影響，同時對裂縫起到支撐作用，而不至于受地應力的作用發(fā)生閉合。步驟3：再次常規(guī)水力壓裂階段。對已出現(xiàn)裂縫的區(qū)域進行重復壓裂，這樣不僅可以再次增大已有的裂縫，還可以使步驟2 的支撐液在水力的驅(qū)動下向裂縫深部滲入，促使裂縫充分的發(fā)育擴張，增大煤巖的透氣性。

2 水力壓裂增透數(shù)值模擬

在對礦井進行水力壓裂前需要對預裂效果進行評估，并根據(jù)模擬結(jié)果判斷該煤（巖）層的瓦斯抽采是否適合使用水力預裂。RFPA2D-flow 是一款巖石損傷力學破裂過程的模擬軟件，可以準確地模擬水力壓裂過程中裂隙的發(fā)育、延伸和滲透等規(guī)律[4]。

2.1 模型的建立

本次數(shù)值模擬以位于晉城市的唐安煤礦為研究對象，該礦生產(chǎn)能力180 萬t/a，瓦斯等級高瓦斯礦井，目前開采3 號煤層，開采水平+752 m，采深超過500 m。為研究水力壓裂對3 號煤層煤巖體的非均勻性受壓的影響過程，建立了均質(zhì)度m=20 的數(shù)值計算模型。在模擬的計算過程中，滲流分析采用穩(wěn)態(tài)分析，煤巖體采用彈性軟化損傷模型，鉆孔內(nèi)的初始孔壓P為0.0 MPa，并且以1 MPa/step 的壓力遞增。模型的水平壓力和垂直壓力計算得10.5 MPa 和15.5 MPa，并以此為邊界條件，其他參數(shù)見圖1、表1。

圖1 數(shù)值計算模型尺寸

表1 模型初始參數(shù)的設置

2.2 數(shù)值模擬的孔隙水壓力分布云圖

圖2（a～d）表示在均質(zhì)度m=20 時，煤巖體在鉆孔水壓作用下產(chǎn)生壓裂直至破壞損傷的孔隙壓力分布圖，數(shù)據(jù)總迭代步數(shù)為99。

根據(jù)模擬計算，水力壓裂主要以縱向裂縫擴展為主，沿著水壓裂縫擴展的方向上鉆孔布置可相對稀疏，而垂直水壓裂縫擴展方向的鉆孔相對稠密，以達到瓦斯抽采經(jīng)濟、可靠的目的。壓裂大致分為三個階段，圖2（a）為預裂階段：此階段模型受壓較小，孔邊應力和孔隙水壓力基本呈線性增加，近鉆孔位置的水壓分布接近于圓形；圖2（b）、（c）為穩(wěn)定擴展階段：當水壓在14 MPa時產(chǎn)生破壞裂紋，并在水壓再迭代一定步數(shù)后保持穩(wěn)定擴展；圖2（d）為失穩(wěn)破裂階段：隨著水壓的增大，煤巖體受破壞的區(qū)域急劇增多，高水壓和高應力區(qū)域沿裂紋尖端前移，直至煤巖體發(fā)生完全失穩(wěn)破壞。

2.3 瓦斯抽采的影響分析

在壓裂孔形成后，瓦斯含量將以裂孔為中心形成瓦斯低量區(qū)、富集區(qū)和常規(guī)區(qū)域。通過模擬發(fā)現(xiàn)，其中瓦斯含量富集區(qū)的分布形態(tài)與水力壓裂所造成的孔隙水壓力分布圖基本一致。這說明在對煤巖體進行水力壓裂后，煤巖體的空隙再一次擴張，瓦斯的運移與受壓狀態(tài)成正比關系，在裂縫周圍形成了更廣闊的瓦斯運移通道。同時，原本相對穩(wěn)定賦存的瓦斯在水力壓裂的刺激下，其流動特性得以充分釋放[5]。該模擬結(jié)果說明水力壓裂技術可以很好地提升唐安煤礦3 號煤層的煤巖體內(nèi)的瓦斯抽采效果。

3 W-S-W 水力壓裂技術及現(xiàn)場試驗研究

3.1 工程地質(zhì)條件

唐安煤礦3 號煤層位于山西組下部，部分區(qū)域的埋藏深度超過500 m，煤層厚度3.06～6.76 m，平均厚5.75 m，為穩(wěn)定可采的簡單結(jié)構(gòu)煤層。

3.2 水力壓裂鉆孔布置及分析

水力壓裂的施工地點為唐安煤礦3 號煤層3302工作面，在底抽巷鉆場內(nèi)施工，距頂板0.7 m 處起鉆，水力壓裂孔的孔徑90 mm 以內(nèi)。本次井下壓裂增透將分三個階段進行：

階段1：常規(guī)水力壓裂階段。唐安煤礦單泵進行常規(guī)水力壓裂施工，水壓保持在（20±1） MPa的范圍，持續(xù)壓裂4.5 h，壓入水量約55 t。第1 階段壓裂完成后檢查巷道滲水情況，發(fā)現(xiàn)周圍巖體并無明顯滲水征兆后實施第2 階段。

階段2：含支撐劑（石英砂） 水力壓裂。將含有一定比例支撐液的20 t 固液混合物在水壓25 MPa的工況下壓入裂縫，預計施工時間1.5 h。在支撐劑注入完成后可發(fā)現(xiàn)，階段1 所形成的水壓裂縫不再受地應力影響而閉合，與更深層次的原生裂縫相貫通，煤巖體的透氣性進一步得以提高。在壓裂結(jié)束后觀察壓裂處并無明顯掉渣和滲水情況后進入第3階段。

階段3：常規(guī)水力壓裂。重復進行階段1 的操作，提高水壓至30 MPa，壓裂時間5 h，壓入水量 50 t。支撐液進一步深入水壓裂縫與原生縫隙中，水力壓裂結(jié)束后觀察，發(fā)現(xiàn)僅在距壓裂點東西方向巷道幫部出現(xiàn)水漬和輕微掉漿，水力壓裂工作完成。

3.3 水力壓裂效果對比

為對比W-S-W 水力壓裂增透技術的效果，在該巷道北側(cè)200 m 處未進行壓裂的區(qū)域進行常規(guī)水力壓裂。在兩處壓裂結(jié)束后，分別對兩處的壓力區(qū)域以孔徑50 m 進行煤體取樣，分別測對比煤樣的瓦斯含量、瓦斯抽采量等特性。

對W-S-W 水力壓裂與常規(guī)水力壓裂技術的對比結(jié)果如圖3 所示。瓦斯抽采量與瓦斯體積分數(shù)的同期數(shù)據(jù)均隨抽采時間經(jīng)歷了3 個階段的變化，即上升期、回落期和穩(wěn)定期。如圖3（a），兩種技術達到峰值的時間均在8～10 d，隨后回落，并進入穩(wěn)定抽采期。但與常規(guī)的水力壓裂技術相比，無論是從峰值（1.28 m3/min）還是從進入穩(wěn)定期（0.73 m3/min）的瓦斯平均抽采量來看，W-S-W 水力壓裂技術都呈現(xiàn)出大幅增長的態(tài)勢。如圖3（b），W-S-W水力壓裂技術區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯體積分數(shù)最高可達83%，較常規(guī)水力壓裂技術（48%）提高了73%；穩(wěn)定期平均抽采瓦斯體積分數(shù)35.8%，較常規(guī)水力壓裂技術（13.9%）提高了61.1%。

圖3 兩種水力壓裂技術效果對比圖

4 結(jié)論

（1）對于高瓦斯礦井，水力壓裂技術可以很好地對煤巖體造成破壞從而產(chǎn)生裂縫，讓瓦斯更好地擴散，利于瓦斯抽采能力的提升。

（2）經(jīng)過RFPA2D-flow 模擬軟件對唐安煤礦3 號煤層損傷破裂過程的分析，發(fā)現(xiàn)在井下應力的綜合作用下，裂縫主要以縱向裂縫擴展為主，因此在鉆孔的布置上沿縱向的可相對稀疏，而裂縫水平擴展方向的鉆孔則需相對密集，從而達到瓦斯的經(jīng)濟高效抽采。

（3）對于埋藏較深的煤巖體，W-S-W 水力壓裂技術較傳統(tǒng)水力壓裂技術擁有更好應用效果，通過對裂縫的深入支撐作用，從而提升瓦斯抽采效率。在進入抽采穩(wěn)定期后瓦斯抽采量和抽采瓦斯體積分數(shù)分別提高了82.5%和61.1%，并可以持續(xù)穩(wěn)定抽采40 d 左右，瓦斯抽采效果明顯。