采動(dòng)影響條件下急傾斜特厚煤層水平井分段壓裂技術(shù)數(shù)值模擬研究

姚團(tuán)琪， 王 晶， 趙永哲

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054； 2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安 710065)

Numerical Simulation Study on Pitching Extra Thick Coal Seam Horizontal Well Staged Fracturing Technology under Condition of Impact from Mining

Yao Tuanqi1, 2, Wang Jing1and Zhao Yongzhe1

(1.Xi’an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Xi’an, Shaanxi 710054;2.College of Petroleum Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, Shaanxi 710065)

Abstract：The Yaojie coalmine No.3 has a typical pitching extra thick coal under impact from mining condition. The winning district No.5 is in an inorganic source CO2invasive infiltration area, belongs to coal (rock) and CO2burst hazardous area, accompanying with local coal and gas burst hazard. To ensure underground coal extract continuation and mining safety, first time proposed technical concept of staged fracturing horizontal well burst hazard fast elimination. The paper has expoundedregard to winning district No.5 staged fracturing horizontal well development regime faced important issues. Firstly, taking previous neighboring area CBM well measured rock mechanical parameters as fundamental database, combined with the well’s microseismic fracture monitoring interpreted results through numerical simulation carried out established numerical model parameters calibration, thereupon acquired more objective, accurate numerical model parameters. On this basis, under same operational parameters and conditions, impacted by strong, medium and weak mining induction simulated results have shown that with mining induced impact degree deepening, vertical hydraulic fissure extensions present exponential increase. The results have shown whether medium or high sand ratio fracturing, propped fissure lengths can all meet requirement. Fracturing target zone overlying strata are all coal seams, impacted by mining have caused vertical fissure height control become pitching extra thick coal fracturing key point. To ensure staged fracturing horizontal well effect of pitching extra thick coal seam under the mining impact, two suggestions are proposed：① to control operational output volume not exceed 6m3/min strictly,single stage operational fluid volume 200m3,with optimized high sand ratio rinsing fracturing fluid system; ② lowering down mining

impact as far as possible, can consider the layout of well horizontal segment apart from overlying coal face 100m below.

Keywords：mining impact; pitching extra thick coal seam; horizontal well; fracturing; numerical simulation

0 引言

急傾斜特厚煤層是指水平寬度大于10m 、平均傾角大于45°，主要分布在遼源梅河礦、新疆烏魯木齊和六道灣礦、甘肅窯街煤業(yè)等區(qū)域。甘肅窯街三礦五采區(qū)地處三礦東北邊緣，煤層賦存特征為急傾斜單斜煤層，傾角60°，煤二層平均厚度50m。根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)報(bào)告，五采區(qū)為無(wú)機(jī)源CO2侵入滲入?yún)^(qū)，屬煤(巖)與CO2突出危險(xiǎn)區(qū)，并伴局部煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。目前五采區(qū)已開(kāi)采至+1 322m，原始應(yīng)力狀態(tài)已遭破壞。隨著開(kāi)采規(guī)模的加大及礦井開(kāi)拓不斷向深部延伸，CO2和CH4突出災(zāi)害將嚴(yán)重影響該礦井的采掘接替和安全生產(chǎn)[1-6]。

大量理論成果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，地面瓦斯預(yù)抽是治理礦井瓦斯災(zāi)害有效途徑。近年來(lái)，窯街海石灣煤礦，地面瓦斯預(yù)抽取得了突破性進(jìn)展，壓裂垂直井單井產(chǎn)氣量突破2 000m3/d[7]。窯街海石灣礦與三礦同屬民和盆地，具相同的沉積環(huán)境，且地理位置比鄰[8]。因此，為三礦解決井下氣體突出災(zāi)害指明了方向。與海石灣礦相比，三礦的地面預(yù)抽條件更為特殊。首先，通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，采用分段壓裂水平井方式解決急傾斜特厚煤層煤與瓦斯突出問(wèn)題的研究極少，無(wú)前人研究成果可借鑒。其次，三礦五采區(qū)采用綜采放頂煤，頂板全部垮落，造成研究區(qū)內(nèi)原始應(yīng)力狀態(tài)改變[9-10]。再次，三礦煤層傾角達(dá)到60°，使得水力裂縫的延展在垂向上缺少有效隔擋層。

為了進(jìn)一步探索，在急傾斜特厚煤層條件下，地面氣體預(yù)抽新技術(shù)、新方式，緩解傳統(tǒng)井下氣體突出災(zāi)害治理的不足[11-13]。本次研究擬通過(guò)壓裂數(shù)值模擬方法，從理論上分析，窯街三礦五采區(qū)地質(zhì)條件下，分段壓裂水平井開(kāi)發(fā)方式所面臨的重要問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題，受采動(dòng)影響條件下，水力壓裂裂縫在垂向上延展會(huì)不會(huì)溝通采掘工作面，從而使水力壓裂失敗。第二個(gè)問(wèn)題，煤二層垂向上缺少有效隔擋層，壓裂裂縫縫高會(huì)不會(huì)失控，致使壓裂失敗。第三個(gè)問(wèn)題，目前清水?dāng)y砂是煤層氣井壓裂較為理想的壓裂液體系。同時(shí)，在保證煤層氣井壓裂效果的前提下，選擇壓裂施工排量和加砂規(guī)模作為主要衡量參數(shù)。分析在不同排量、砂比條件下，水力裂縫幾何形態(tài)產(chǎn)生影響的程度究竟如何。針對(duì)以上三個(gè)重要問(wèn)題，筆者通過(guò)數(shù)值模擬方法展開(kāi)論述。

1 數(shù)值模型參數(shù)校準(zhǔn)

FracproPT壓裂軟件是一款集壓裂設(shè)計(jì)、壓裂分析、產(chǎn)能預(yù)測(cè)及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等功能于一體的成熟商業(yè)軟件。本次研究選擇該軟件2015版，主要基于以下幾方面考量。第一，該軟件壓裂分析模塊，可以分析在不同排量、砂比條件下，壓裂裂縫幾何形態(tài)的變化。第二，截至目前，窯街三礦還未開(kāi)展過(guò)地面預(yù)抽等各項(xiàng)工作，借鑒前期三礦臨近區(qū)塊海石灣煤礦所取得的巖石力學(xué)參數(shù)、煤巖濾失系數(shù)等數(shù)模參數(shù)，該軟件“重巖石力學(xué)參數(shù)，輕地應(yīng)力分布”的特點(diǎn)，能夠滿足此次研究各項(xiàng)任務(wù)[14-16]。

表1 HSW02-2V井煤二層及其頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

以前期窯街海石灣煤礦，地面煤層氣直井HSW02-2V的陣列聲波測(cè)井解釋煤二層及其頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)[17]，在壓裂軟件中建立區(qū)域地質(zhì)模型，并開(kāi)展數(shù)值模擬分析。結(jié)合HSW02-2V井微地震裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[18](表1、表2)，對(duì)前面所建立的數(shù)值模型各個(gè)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，從而獲取更為客觀、準(zhǔn)確的數(shù)值模型(圖1、表3)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 采動(dòng)影響程度數(shù)值模擬分析

窯街三礦五采區(qū)煤二層，目前已開(kāi)采至+1 322m，受采煤施工的影響， 目標(biāo)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布已經(jīng)發(fā)生

表2 HSW02-2V井煤二層壓裂裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解釋成果

圖1 HSW02-2V井壓裂數(shù)值模擬校核Figure 1 Well HSW02-2V fracturing numerical simulation calibration diagram

表3 校核后煤二層及其頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

圖2 采動(dòng)影響程度數(shù)值模擬Figure 2 Numerical simulation diagram of mining impact degree

較大的改變。目標(biāo)區(qū)域未開(kāi)展過(guò)地面氣體預(yù)抽方面的工作，加之因采煤施工造成的采動(dòng)影響程度也未曾開(kāi)展過(guò)相應(yīng)的工作?；诖?，本文為了評(píng)價(jià)采煤施工對(duì)水平井壓裂造成的影響，按照影響程度分為強(qiáng)、中、弱，三種情況進(jìn)行定性分析。并且強(qiáng)、中、弱影響分別對(duì)應(yīng)煤層隔擋層、砂巖隔擋層和泥巖隔擋層。

假設(shè)條件：在大部煤層上覆地質(zhì)條件下，一口直井，二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，井深700m，煤二層埋深595～630m，射孔段為600～610m。目標(biāo)區(qū)煤巖各力學(xué)參數(shù)以修正后結(jié)果為準(zhǔn)。在相同施工參數(shù)條件下，分別從上下泥巖隔擋層、上下砂巖隔擋層及煤層隔擋層，三種情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析(表4)。

表4 不同采動(dòng)影響程度數(shù)值模擬結(jié)果

從表4中可以看出，隨著采動(dòng)影響程度的加深，水力縫高不斷增加。當(dāng)受采動(dòng)影響最強(qiáng)的情況下，水力縫高達(dá)到119.2m。在受強(qiáng)采動(dòng)影響條件下，如果選擇水平段部署位置距離采掘工作面垂向距離過(guò)近，則水力裂縫在垂向上的延展有溝通采掘工作面的可能，致使水力壓裂失敗。

2.2 不同施工參數(shù)數(shù)值模擬分析

從上述討論中，可以看出在不同采動(dòng)影響程度下，水力裂縫縫高的延展有可能使壓裂工程失敗。窯街三礦五采區(qū)煤二層，目前已開(kāi)采至+1 322m，已屬于強(qiáng)采動(dòng)影響程度。因此，以確保整個(gè)水平井組壓裂效果為前提，有必要進(jìn)一步討論不同施工參數(shù)對(duì)水力裂縫延展的影響。

以前述假設(shè)條件為數(shù)值模擬基礎(chǔ)，針對(duì)三礦五采區(qū)水平井壓裂過(guò)程中面臨的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬手段，設(shè)計(jì)了中砂比(體積比約5%)、高砂比(體積比約10%)兩類5組不同壓裂規(guī)模下，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)不同排量壓裂裂縫的幾何形態(tài)(表5、表6)。

表5 中砂比條件下5組壓裂裂縫數(shù)據(jù)

表6 高砂比條件下5組壓裂裂縫數(shù)據(jù)

整體來(lái)看，無(wú)論中砂比或者高砂比，最短水力裂縫支撐縫長(zhǎng)85.4m，因此從支撐縫長(zhǎng)的角度來(lái)看，均能滿足壓裂要求。從縫高數(shù)據(jù)來(lái)看，施工排量與水力縫高呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，即：隨著施工排量的增加，水力裂縫在垂向上延展越高，與上覆地層的溝通能力越強(qiáng)?？紤]到窯街三礦五采區(qū)煤二層，目前受到采動(dòng)影響的問(wèn)題，因此嚴(yán)格控制縫高在垂向上的延展，是本次研究需要解決的重要問(wèn)題。

圖3 液量200m3時(shí)縫高隨排量變化曲線Figure 3 Fissure height variation with output volume curveunder fluid volume 200m3

目前窯街三礦五采區(qū)開(kāi)采深度已至+1 322m，結(jié)合礦區(qū)下一步采掘規(guī)劃，垂向上縫高應(yīng)控制在100m范圍內(nèi)?；诖?，中砂比和高砂比條件下，優(yōu)選單段凈液量200m3。由圖3可以看出，在單段凈液量200m3，水力縫高長(zhǎng)度很接近，為了保證支撐劑鋪設(shè)濃度，優(yōu)選高砂比，施工排量控制在6m3/min以內(nèi)。

3 結(jié)論

1)窯街三礦所屬急傾斜特厚煤層屬于CO2和CH4突出礦井，且受采動(dòng)影響強(qiáng)，為了保障井下采煤接續(xù)和礦井生產(chǎn)安全，首次提出了采用分段壓裂水平井方式快速消突。

2)以前期窯街海石灣礦煤層氣井測(cè)得的各項(xiàng)巖石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合對(duì)該井的微地震裂縫監(jiān)測(cè)解釋成果，通過(guò)數(shù)值模擬方式，對(duì)前面所建立的數(shù)值模型各個(gè)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，從而獲取更為客觀、準(zhǔn)確的模型參數(shù)。

3)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著受采動(dòng)影響程度的加深，水力裂縫在垂向上的延展會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)性增長(zhǎng)。因此，在受強(qiáng)采動(dòng)影響條件下，如果選擇水平段部署位置距離采掘工作面垂向距離過(guò)近，則水力裂縫在垂向上的延展有溝通采掘工作面的可能，致使水力壓裂失敗。

4)不同施工參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，無(wú)論中砂比或者高砂比，支撐縫長(zhǎng)均符合要求。壓裂目標(biāo)段上覆巖層均為煤層，且受到采動(dòng)影響，導(dǎo)致在垂向上縫高的控制成為急傾斜特厚煤層壓裂的重點(diǎn)。

5)受采動(dòng)影響條件下急傾斜特厚煤層，為了確保分段壓裂水平井的壓裂效果，給出以下兩點(diǎn)合理化建議。①應(yīng)嚴(yán)格控制施工排量不超過(guò)6m3/min，單段施工液量200m3，選擇高砂比的清水壓裂液體系。②盡量使得采動(dòng)影響降低，可以考慮將水平井段布置在距離上覆采煤工作面100m以深的位置。