水力壓裂過程中單位注液量變化特征研究

賈宗凱 ，張?jiān)讫? ，宋廣明 ，蘇偉偉

（1.阜新礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

中國的煤炭開采主要是地下開采，并且大多數(shù)煤層的賦存條件比較復(fù)雜，煤層透氣性系數(shù)較低，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效率低下，進(jìn)而為煤炭的安全開采帶來極大困難[1-3]。為此，眾多學(xué)者從增加煤層透氣性方面研究并提出水力化增透技術(shù)[4-6]（水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等）、爆破增透技術(shù)[7-8]（CO2相變致裂、化學(xué)炸藥致裂等）及化學(xué)改性增透技術(shù)[9]（煤體酸化）等。其中，水力壓裂增透技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

煤層水力壓裂技術(shù)即借助高壓泵向煤層內(nèi)注入高壓液體使煤體開裂從而提高煤層滲透性能[10]。目前，在煤層水力壓裂過程中其壓裂參數(shù)變化規(guī)律研究方面，張帆等[11]通過在實(shí)驗(yàn)室對(duì)大尺寸真三軸煤巖水力壓裂模擬試驗(yàn)，得到泵壓隨時(shí)間的變化曲線，并分析得到煤巖破裂時(shí)泵壓將會(huì)出現(xiàn)突然“卸壓”的現(xiàn)象；馮仁俊[12]根據(jù)煤層水力壓裂過程中泵壓變化規(guī)律將水力壓裂過程分為應(yīng)力累積階段、裂縫起裂階段、裂縫擴(kuò)展階段、裂縫多次起裂-擴(kuò)展階段及裂縫擴(kuò)展完成5 個(gè)階段；KUMARI 等[13]通過在實(shí)驗(yàn)室模擬高溫高壓條件下巖石水力壓裂的試驗(yàn)，得到巖石起裂壓力與巖石溫度及圍壓之間的關(guān)系。在水力壓裂動(dòng)態(tài)變化特征研究方面，林柏泉等[14]通過對(duì)煤體水力壓裂過程的數(shù)值模擬，將水力壓裂劃分為5 個(gè)階段：應(yīng)力積累階段、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、局部破壞帶形成階段、局部破壞帶擴(kuò)展與貫通階段、裂隙失穩(wěn)階段；ZHANG 等[15]通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)煤巖的破壞程度及其滲透率變化情況將水力壓裂過程分為3 個(gè)階段：煤巖壓實(shí)階段、煤巖膨脹階段和煤巖破裂階段；SHAN 等[16]根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水力壓裂試驗(yàn)中泵壓及裂縫的擴(kuò)展情況，將水力壓裂劃分為準(zhǔn)備、增壓、斷裂、裂紋擴(kuò)展及斷裂后5 個(gè)階段。從這些研究中可以看出，大多數(shù)研究均與水力壓裂過程中的注液壓力參數(shù)相關(guān)，而在注液量參數(shù)方面的研究較少，且鮮有對(duì)整個(gè)水力壓裂過程中注液量變化特征的分析和研究，特別是在整個(gè)水力壓裂過程中其注液量與注液壓力之間的關(guān)聯(lián)性研究上；此外，在對(duì)煤層整個(gè)水力壓裂過程的描述上也主要是依據(jù)注液壓力參數(shù)的變化，并且各劃分標(biāo)準(zhǔn)也不同。為此，以金鐘煤礦1703 采煤工作面為工程試驗(yàn)地點(diǎn)，通過對(duì)煤層鉆孔進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)來研究整個(gè)水力壓裂過程中其單位注液量的變化特征，以及其單位注液量與注液壓力之間的關(guān)聯(lián)性，并據(jù)此對(duì)整個(gè)水力壓裂過程進(jìn)行不同階段的劃分。

1 煤層水力壓裂機(jī)理及過程

煤層水力壓裂的基本原理就是通過向煤層內(nèi)部注入高壓液體，借助高壓液體來改變煤層內(nèi)部的應(yīng)力分布，并使得煤體內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，從而增加煤層的透氣性，進(jìn)而提高煤層氣的抽采效率[17]。整個(gè)水力壓裂過程可以簡(jiǎn)述為在高壓液體作用下煤體內(nèi)部原生裂隙與人工裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展和貫通的過程。在向煤層內(nèi)部注入壓裂液的初期，由于注液管路、壓裂鉆孔及其周邊裂隙內(nèi)部還未被壓裂液充填，以及需要檢測(cè)管路的密封性，因此該階段注液壓力較小且相應(yīng)的注液量也??；當(dāng)注液管路、壓裂鉆孔及其周邊裂隙充滿壓裂液后，開始人為提高注液壓力，此時(shí)壓裂鉆孔內(nèi)部的壓裂液開始儲(chǔ)能，并不斷擴(kuò)大其浸潤周邊煤體的范圍，但其所需要的液體量較少，因此在煤體出現(xiàn)裂縫前，隨著注液壓力的不斷上升，其注液量并不會(huì)隨之上升，該階段簡(jiǎn)稱“憋壓”[18]；而當(dāng)煤體開裂后，煤體內(nèi)部空間發(fā)生一定程度的膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致注液壓力出現(xiàn)短暫的“卸壓”現(xiàn)象，而相應(yīng)的注液量在煤體內(nèi)部空間膨脹及裂隙周邊煤體毛細(xì)作用影響下將會(huì)出現(xiàn)短暫的上升，隨后再次進(jìn)入“憋壓”階段，直到裂縫末端的壓裂液所儲(chǔ)能量能夠克服周邊煤體內(nèi)部的最小主應(yīng)力時(shí)，煤體內(nèi)部將會(huì)再次出現(xiàn)開裂及裂縫擴(kuò)展的現(xiàn)象，如此循環(huán)，直到裂縫末端的壓裂液所具有的能量不足以使煤體再次開裂。

2 煤層水力壓裂試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工作面概況

本次煤層水力壓裂過程中單位注液量變化規(guī)律研究的試驗(yàn)地點(diǎn)為筠連縣金鐘煤礦有限公司1703 采煤工作面，該工作面回采7#煤層，其瓦斯含量及瓦斯壓力分別為4.48 m3/t 和0.37 MPa，該煤層普氏硬度為3.3～5.89。1703 采煤工作面走向長度為480 m（已回采360 m），傾向長度為120 m，煤層傾角為14 °，煤層平均厚度為1.40 m；該工作面采用走向長壁后退式采煤法，全部跨落法管理采空區(qū)頂板。當(dāng)前，該工作面已施工若干抽采鉆孔，已施工抽采鉆孔布置示意圖如圖1。

圖1 已施工抽采鉆孔布置示意圖Fig.1 Layout of constructed extraction boreholes

2.2 壓裂設(shè)備及布置

本次1703 采煤工作面水力壓裂設(shè)備主要包括泵組（BRW200/31.5 型乳化液泵及配套水箱）、高壓膠管、壓裂桿、高壓封孔膠囊及監(jiān)測(cè)設(shè)備等，水力壓裂設(shè)備整體連接示意圖如圖2。

圖2 水力壓裂設(shè)備整體連接示意圖Fig.2 Overall connection diagram of hydraulic fracturing equipment

此外，根據(jù)金鐘煤礦井下實(shí)際條件，由于與1703 采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷相連巷道的斷面面積都比較小，無法使水力壓裂所需要的泵組通過，因此將泵組布置在靠近1703 采煤工作面的中央變電所附近的巷道內(nèi)，泵組與壓裂鉆孔之間通過高壓膠管進(jìn)行連接。

2.3 鉆孔布置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募? 703 采煤工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，在1 703 采煤工作面內(nèi)共布置3 個(gè)水力壓裂孔和2 個(gè)控制孔，受回風(fēng)巷巷道維修及管路安裝的影響，各鉆孔均在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)沿煤層向回風(fēng)巷方向施工，各鉆孔施工參見表1。

表1 各鉆孔施工參數(shù)Table 1 Construction parameters of each borehole

各鉆孔布置示意圖如圖3。其中，1#控制孔和2#控制孔的作用分別是控制1#壓裂孔和2#壓裂孔的壓裂范圍。

圖3 各鉆孔布置示意圖Fig.3 Layout diagram of each borehole

2.4 注液壓力調(diào)節(jié)

對(duì)煤層進(jìn)行水力壓裂時(shí)，需要對(duì)整個(gè)壓裂過程中的注液壓力進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，以便不斷為高壓液體補(bǔ)充能量來起裂煤體，進(jìn)而提高煤層的增透效率。本次金鐘煤礦1703 采煤工作面水力壓裂試驗(yàn)中注液壓力調(diào)節(jié)方案如圖4。

圖4 注液壓力調(diào)節(jié)方案Fig.4 Liquid injection pressure regulation scheme

3 單位注液量計(jì)算

本次煤層水力壓裂過程中所使用的液體流量計(jì)分別安裝在乳化液泵與水箱之間的進(jìn)液管和回液管上。其中，進(jìn)液管上安裝的是1#流量計(jì)，其檢測(cè)的液體流量值為QJ，即QJ為由水箱進(jìn)入到乳化液泵的液體流量；回液管上安裝的是2#流量計(jì)，其檢測(cè)的液體流量值為QH，即QH為由乳化液泵回流到水箱里的液體流量。在進(jìn)行水力壓裂過程中，水箱內(nèi)的壓裂液在進(jìn)入到乳化液泵內(nèi)后，只有一部分壓裂液在乳化液泵的作用下通過高壓管進(jìn)入煤層鉆孔，而另一部分壓裂液則通過回液管重新回到水箱。因此，水力壓裂過程中的實(shí)際注液量Q的值為QJ與QH的差值，即：

式中：Q為水力壓裂過程中高壓管液體流量，即實(shí)際注液量，m3；QJ為進(jìn)液管液體流量，m3；QH為回液管液體流量，m3。

為方便對(duì)注液量數(shù)據(jù)的處理和分析，引入單位液體流量，即1 min 時(shí)間內(nèi)通過各管路的液體流量。令QUF為高壓管單位液體流量，即單位注液量，則某1 min 高壓管的單位注液量為：

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述水力壓裂試驗(yàn)方案，分別對(duì)3 個(gè)壓裂孔進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)。其中，1#壓裂孔和2#壓裂孔在壓裂過程中分別與1#控制孔和2#控制孔相互連通，而3#壓裂孔未出現(xiàn)與控制孔相互連通的現(xiàn)象?？紤]到1#壓裂孔和2#壓裂孔在壓裂過程中的壓裂參數(shù)變化規(guī)律基本相同，為減少篇幅，僅對(duì)2#壓裂孔和3#壓裂孔的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析之前需要說明的是，2#壓裂孔在壓裂至43 min 時(shí)，2#控制孔出現(xiàn)流水現(xiàn)象，因此在壓裂至45 min 時(shí)停止壓裂；3#壓裂孔共壓裂90 min，其中注液壓力在45～90 min 期間一直保持在30 MPa，并且與其相距35 m 的2#控制孔直到壓裂結(jié)束也未出現(xiàn)流水現(xiàn)象。為便于分析，將2#壓裂孔壓裂過程中前43 min 劃分為正常壓裂區(qū)域，之后為非正常壓裂區(qū)域；將3#壓裂孔壓裂過程中前50 min 劃分為正常壓裂區(qū)域，50～90 min 劃分為非正常壓裂區(qū)域。2#壓裂孔和3#壓裂孔在其壓裂過程中各管路單位液體流量變化曲線如圖5，單位注液量與注液壓力之間的變化曲線如圖6。

圖5 各管路單位液體流量變化曲線圖Fig.5 Unit liquid flow change curves of each pipeline

圖6 各壓裂孔單位注液量與注液壓力變化曲線圖Fig.6 Variation curves of unit fluid injection volume and fluid injection pressure of each fracturing borehole

從圖5 中可以看出：在正常壓裂區(qū)域內(nèi)，將2#壓裂孔和3#壓裂孔的進(jìn)液管單位液體流量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后可以發(fā)現(xiàn)其整體變化趨勢(shì)呈“拋物線”，并沒有呈現(xiàn)線性增長的變化趨勢(shì)，考慮到整個(gè)壓裂過程中其注液壓力一直在增加，說明進(jìn)液管單位液體流量并不隨注液壓力的不斷升高而不斷增大；同時(shí)，將2#壓裂孔和3#壓裂孔的回液管單位液體流量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后可以發(fā)現(xiàn)其整體變化趨勢(shì)也呈“拋物線”，說明其與進(jìn)液管單位液體流量整體變化趨勢(shì)具有一定的聯(lián)動(dòng)性；而在非正常壓裂區(qū)域內(nèi)，2#壓裂孔的回液管單位液體流量在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出快速下降的變化趨勢(shì)，而進(jìn)液管單位液體流量和單位注液量則表現(xiàn)出快速增加的變化趨勢(shì)，其原因主要在于2#壓裂孔與2#控制孔連通后，水流阻力減小，乳化液泵的注液效率大大提高；相應(yīng)的3#壓裂孔在非正常壓裂區(qū)域內(nèi)，其回液管單位液體流量呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，而進(jìn)液管單位液體流量和單位注液量均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，其原因主要在于煤體內(nèi)的裂縫末端由注液壓力所形成的擾動(dòng)應(yīng)力已經(jīng)無法克服其周邊煤體的最小主應(yīng)力，從而無法使煤體再次開裂，進(jìn)而導(dǎo)致乳化液泵整體工作效率降低，使通過進(jìn)液管由水箱進(jìn)入到乳化液泵內(nèi)部的壓裂液大部分又通過回液管進(jìn)入到水箱，因此導(dǎo)致進(jìn)入煤體的單位注液量迅速減少。另外，從圖5 中也可以看出2#壓裂孔和3#壓裂孔的單位注液量變化趨勢(shì)在正常壓裂區(qū)域內(nèi)均可以描述為：下降階段（壓裂前期1～5 min）和波動(dòng)階段。

從圖6 中可以看出：2#壓裂孔和3#壓裂孔在整個(gè)壓裂過程中均出現(xiàn)3 次注液壓力“卸壓”的現(xiàn)象；其中，2#壓裂孔分別在壓裂至16、24、30 MPa 時(shí)出現(xiàn)“卸壓”現(xiàn)象，相對(duì)應(yīng)的壓裂時(shí)間分別為25、34、43 min，并且第3 次“卸壓”是因?yàn)?#壓裂孔與2#控制孔相互連通所導(dǎo)致；3#壓裂孔分別在壓裂至16、20、28 MPa 時(shí)分別出現(xiàn)“卸壓”現(xiàn)象，相對(duì)應(yīng)的壓裂時(shí)間分別為22、27、41 min，3#壓裂孔在整個(gè)壓裂過程均未與其他鉆孔相互連通，因此在每次出現(xiàn)“卸壓”現(xiàn)象后很快又恢復(fù)到“卸壓”前的注液壓力水平，而沒有像2#壓裂孔那樣與控制孔相互連通后其注液壓力快速、持續(xù)地下降；相應(yīng)的，2#壓裂孔和3#壓裂孔在整個(gè)壓裂過程中均出現(xiàn)3 次單位注液量明顯波動(dòng)的現(xiàn)象，即先升高后又快速恢復(fù)至升高前的單位注液量水平；2#壓裂孔分別在壓裂至25、34、43 min 時(shí)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，與其注液壓力出現(xiàn)“卸壓”的時(shí)間相同； 3#壓裂孔分別在壓裂至22、27、41 min 時(shí)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，同樣與其注液壓力出現(xiàn)“卸壓”的時(shí)間相對(duì)應(yīng)；并且，2#壓裂孔和3#壓裂孔在其壓裂過程中，其注液壓力均表現(xiàn)出每次從出現(xiàn)“卸壓”現(xiàn)象到恢復(fù)至“卸壓”前的注液壓力水平這個(gè)過程基本與其單位注液量從出現(xiàn)升高現(xiàn)象到恢復(fù)至升高前的單位注液量水平的過程相對(duì)應(yīng)，說明各壓裂孔在壓裂過程中，其注液壓力與其單位注水量具有較好的關(guān)聯(lián)性，即當(dāng)注液壓力出現(xiàn)明顯下降時(shí)，其實(shí)際單位注液量將會(huì)出現(xiàn)明顯升高，并且當(dāng)注液壓力恢復(fù)至下降前壓力值時(shí)其單位注液量也隨之恢復(fù)至升高前的水平；分析其原因主要在于當(dāng)煤體內(nèi)的壓裂液所積蓄能量值大于其周邊煤體本身所存在的最小主應(yīng)力值時(shí)，煤體將會(huì)出現(xiàn)開裂及裂縫擴(kuò)展現(xiàn)象，此時(shí)煤體內(nèi)部充液空間增加，在壓裂液未得到補(bǔ)充前，其壓力將會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，注液阻力也隨之下降，故導(dǎo)致更多的壓裂液被注入到煤體內(nèi)，進(jìn)而為卸壓的壓裂液補(bǔ)充能量；隨著壓裂液的不斷補(bǔ)充，壓裂液積蓄的能量將會(huì)不斷恢復(fù)至下降前的水平，相應(yīng)的注液阻力也隨之上升，進(jìn)而單位注液量將會(huì)逐漸恢復(fù)至原來的水平；當(dāng)裂縫末端壓裂液所積蓄的能量達(dá)到再次起裂煤體的水平時(shí)，上述過程將會(huì)再次循環(huán)，直到裂縫末端壓裂液所積蓄的能量無法使煤體再次開裂，而此時(shí)僅在浸潤裂隙周邊煤體上需要一定量的壓裂液，并且其需求量越來越小，因此，為維持煤體內(nèi)部壓裂液的壓力值，所需壓裂液的量也逐步減少，進(jìn)而導(dǎo)致其單位注液量也逐步降低。

綜上，在2#壓裂孔和3#壓裂孔的整個(gè)壓裂過程中，當(dāng)煤體出現(xiàn)開裂及裂縫擴(kuò)展時(shí)，各壓裂孔的注液壓力與其單位注液量均會(huì)出現(xiàn)明顯的“波動(dòng)”現(xiàn)象，并且兩者具有較好的關(guān)聯(lián)性，即注液壓力出現(xiàn)明顯的“卸壓-恢復(fù)”現(xiàn)象時(shí)，其單位注液量則表現(xiàn)出明顯的“升高-恢復(fù)”現(xiàn)象，并且整個(gè)變化過程兩者具有同步性。因此，根據(jù)單位注液量的變化也可判斷煤體是否出現(xiàn)開裂及裂縫擴(kuò)展的現(xiàn)象；同時(shí)，也可根據(jù)壓裂過程中單位注液量的變化來主動(dòng)調(diào)節(jié)其注液壓力。例如，在煤層水力壓裂過程中出現(xiàn)實(shí)際單位注液量明顯降低的情況時(shí)，可通過主動(dòng)提高其注液壓力來加速煤體開裂和減少“憋壓”時(shí)間，進(jìn)而縮短整個(gè)水力壓裂過程。

5 水力壓裂過程階段劃分

在對(duì)煤層進(jìn)行水力壓裂時(shí)，根據(jù)不同管路內(nèi)單位液體流量的變化特征，同時(shí)結(jié)合各壓裂孔的單位注液量與其注液壓力之間的關(guān)聯(lián)性，可將水力壓裂大致劃分為3 個(gè)階段：

1）階段1：充液階段。此階段持續(xù)時(shí)間較短，其作用主要是向高壓管路、鉆孔及鉆孔周邊的裂隙注入壓裂液，并在壓裂液不斷進(jìn)入上述空間的過程中，逐漸浸潤鉆孔周邊煤體；同時(shí)，通過較低的注液壓力向煤體鉆孔內(nèi)注入壓裂液也可以對(duì)高壓管路的連接及壓裂孔的封孔質(zhì)量進(jìn)行初步驗(yàn)證。由于該階段注液壓力一般比較小，不足以讓壓裂液積蓄一定的能量并使煤體起裂，因此該階段不會(huì)產(chǎn)生煤體開裂及裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。

2）階段2：蓄能與煤體開裂循環(huán)階段。該階段首先為蓄能，其作用主要是為起裂煤體做準(zhǔn)備，待壓裂孔及其周邊裂隙充滿壓裂液后，通過不斷調(diào)節(jié)注液壓力，使鉆孔及其周邊裂隙內(nèi)壓裂液的能量不斷增大。在壓裂液不斷蓄能過程中，隨著其自身能量的逐漸增大，壓裂液浸潤其周邊煤體的范圍也會(huì)隨著加大；當(dāng)壓裂液積蓄的能量大于煤體自身所存在的最小主應(yīng)力時(shí)，將進(jìn)入煤體開裂及裂縫擴(kuò)展階段，此時(shí)煤體將會(huì)初次開裂，并產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，注液壓力將會(huì)出現(xiàn)“卸壓-恢復(fù)”現(xiàn)象，相應(yīng)的，單位注液量將會(huì)出現(xiàn)“升高-恢復(fù)”現(xiàn)象；待第1 次煤體開裂及裂縫擴(kuò)展結(jié)束后，壓裂液將重新進(jìn)入蓄能階段，當(dāng)裂縫末端的壓裂液再次能夠克服其周邊煤體最小主應(yīng)力時(shí)，煤體將會(huì)再次開裂，如此循環(huán)，直到進(jìn)入煤體停止開裂階段。

3）階段3：停止開裂階段。此階段裂縫末端的壓裂液雖然具有一定的能量，但是在裂縫阻力、瓦斯壓力及原始地應(yīng)力等因素的影響下[19]，其能量已無法克服周邊煤體本身所存在的最小主應(yīng)力，因此，該階段的煤體將不再開裂。此時(shí)，單位注液量將會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，而回液管的單位液體流量將會(huì)明顯提高，其原因主要在于煤體不再開裂，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)入煤體內(nèi)部的壓裂液流量逐漸減少。

6 結(jié) 語

1）正常水力壓裂過程中，進(jìn)液管及回液管的單位液體流量數(shù)據(jù)擬合曲線均呈“拋物線”狀，而單位注液量則可以劃分為下降階段和波動(dòng)階段，其原因主要與鉆孔充水、煤體浸潤及煤體開裂與裂縫擴(kuò)展相關(guān)。

2）煤體水力壓裂過程中，在出現(xiàn)煤體開裂及裂縫擴(kuò)展時(shí)，其注液壓力與單位注液量的變化具有一定的關(guān)聯(lián)性，即注液壓力將會(huì)出現(xiàn)明顯的“卸壓-恢復(fù)”現(xiàn)象，而單位注液量則會(huì)出現(xiàn)“升高-恢復(fù)”的象，并且兩者具有同步性。

3）根據(jù)各壓裂孔水力壓裂過程中其單位注液量的變化特征，將整個(gè)水力壓裂過程劃分為3 個(gè)階段：充液階段、蓄能與開裂循環(huán)階段和停止開裂階段。