地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程及效果的影響

郝 軍

(山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046103)

0 引言

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的增大,煤層安全高效地卸壓增透消突成為煤礦安全高效生產(chǎn)的重要保證[1-2]。近年來(lái),各種水力化措施在煤礦瓦斯治理和防治煤與瓦斯突出領(lǐng)域越來(lái)越受到煤礦企業(yè)和學(xué)者的重視,包括水力壓裂、煤層注水、水力割縫等措施[3-5]。脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)是在水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)旨在提高煤層瓦斯卸壓增透效果的新技術(shù)[6-10],林柏泉,李子文,翟成等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明,脈動(dòng)壓裂抽采鉆孔與普通抽采鉆孔相比,抽采體積分?jǐn)?shù)平均增加了264.7%,瓦斯流量增加了245.5%;翟成,李賢忠,李全貴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明,脈動(dòng)水力壓裂孔抽采純流量是普通水力壓裂孔抽采流量的1.75倍;彭深,林柏泉,翟成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,與普通瓦斯抽采鉆孔相比,壓裂孔的瓦斯?jié)舛绕骄岣?.7倍,純流量平均提高了6.3倍;導(dǎo)向孔的瓦斯抽采濃度平均提高了3.7倍,抽采純流量平均提高了3.9倍;謝正紅現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,高壓脈動(dòng)水力壓裂與普通抽采孔相比,抽采濃度平均增加了396.7%,流量增395.5%;李全貴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明,脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)實(shí)施后,瓦斯抽采濃度提高了2.22倍以上,瓦斯抽采流量提高了2.63倍以上。不少學(xué)者已對(duì)脈動(dòng)水力壓裂弱化機(jī)理、壓裂過(guò)程中裂隙的擴(kuò)展規(guī)律以及脈動(dòng)壓裂技術(shù)方法上進(jìn)行研究,取得了一定的成果[11-15]。

但是,對(duì)于脈動(dòng)水力壓裂適用的地質(zhì)條件以及地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂實(shí)施產(chǎn)生的影響,有學(xué)者進(jìn)行研究。采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)常存在邊界條件、材料參數(shù)等方面的誤差,因此,本文選擇在具有斷層構(gòu)造的通化礦業(yè)集團(tuán)松樹(shù)鎮(zhèn)煤礦+206水平西一采區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的鐵法礦業(yè)集團(tuán)大興煤礦N2706工作面分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程和效果的對(duì)比,分析地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程及效果的影響,探索脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)適用的地質(zhì)條件。

1 礦井概況及地質(zhì)構(gòu)造分析

1.1 非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)概況

非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在東北鐵法礦業(yè)集團(tuán)大興煤礦N2706工作面實(shí)施。大興煤礦含煤地層共含煤14層,其中4-2、7-2、9、12煤層為主采煤層,其余為大部分或局部可采。N2706工作面東側(cè)為N2705采空區(qū),南側(cè)為北二采區(qū)7-2煤層準(zhǔn)備巷道,西側(cè)為未采動(dòng)區(qū),北側(cè)為礦井邊界,與大隆井田相鄰。工作面上鄰近4-2煤層,煤厚一般為1.20m。4-2煤層與7-2煤層間距一般為54.88m;下鄰9煤層,煤厚平均為5.35m。7-2煤層與9煤層間距一般為19.96m。

根據(jù)N2705工作面的回采情況及三維地震資料,N2706工作面斷層構(gòu)造較為簡(jiǎn)單,N2706工作面北部發(fā)育一條較大斷層,F45號(hào)斷層,產(chǎn)狀為85°∠68°,落差為15.0m,控制可靠,對(duì)掘進(jìn)無(wú)影響。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造區(qū)概況及構(gòu)造分析

地質(zhì)構(gòu)造區(qū)脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在通化礦業(yè)集團(tuán)松樹(shù)鎮(zhèn)煤礦+206水平西一采區(qū)實(shí)施。該礦含煤地層中共含煤6層,自上而下編號(hào)為Ⅰ～Ⅶ層。其中Ⅰ煤層、Ⅱ煤層普遍發(fā)育,基本全區(qū)可采,Ⅲ煤層局部可采,其余煤層均不可采?？刹擅簩拥奶攸c(diǎn):Ⅰ、Ⅱ煤層皆為西部薄東部厚,下部薄上部厚,Ⅲ煤層在東部發(fā)育,厚度小,大部分處于最小開(kāi)采厚度。

礦區(qū)位于華北地區(qū)遼東隆起區(qū)的東部,為單斜構(gòu)造,軸向北東,向東傾伏。向斜南翼煤層走向近東西,向北傾斜;向斜北翼煤層走向?yàn)楸睎|方向、向南東傾斜。南翼煤層露頭在橫迅河子附近被中生代煤系掩蓋;北翼煤層露頭在蚊子溝附近被白堊紀(jì)火山巖系及第三紀(jì)玄武巖掩蓋。

礦區(qū)共有落差20m以上的主要斷層11條,其中9條分布在西部生產(chǎn)區(qū),有2條分布在東部生產(chǎn)區(qū)。

松樹(shù)鎮(zhèn)煤礦+206水平西一采區(qū)脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域位置如圖1所示。圖1中綠框內(nèi)為脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域,該區(qū)域右側(cè)有r3斷層穿過(guò),r3斷層走向144°,傾向54°,傾角67°,落差為13m。壓裂區(qū)域距離r3斷層最遠(yuǎn)距離為40m,最近距離為5m。

圖1 松樹(shù)鎮(zhèn)煤礦脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域位置圖

2 脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鉆孔布置及參數(shù)

地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的脈動(dòng)水力壓裂鉆孔布置方式相同,均采取壓裂孔與導(dǎo)向孔交替布置,導(dǎo)向孔在脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域形成弱面區(qū),引導(dǎo)裂隙方向性擴(kuò)展。地質(zhì)構(gòu)造區(qū)壓裂孔分別為D1、D2、D3、D4,導(dǎo)向孔分別為Da、Db、Dc、Dd;非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)壓裂孔分別為F1、F2、F3、F4,導(dǎo)向孔分別為Fa、Fb、Fc、Fd、Fe。兩個(gè)區(qū)壓裂孔和導(dǎo)向孔的間距均為5m。

基于大興煤礦7煤層賦存條件、N2706工作面與N2706底板瓦斯巷布置方式,選擇在N2706底板瓦斯巷交替布置脈動(dòng)壓裂孔和導(dǎo)向孔,終孔至7煤層,鉆孔傾角均為9°如圖2(a)所示。根據(jù)松樹(shù)鎮(zhèn)煤礦地質(zhì)構(gòu)造和巷道布置方式,壓裂孔D4距離r3斷層為5m,導(dǎo)向孔Da距離r3斷層為40m如圖2(b)所示。

圖2 巷道和鉆孔布置圖

地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)的脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)壓裂孔和導(dǎo)向孔參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 壓裂孔設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 導(dǎo)向孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)實(shí)施的脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用相同的設(shè)備和實(shí)施方法,設(shè)備主要包括脈動(dòng)注水泵、溢流閥、脈動(dòng)注水管路等。

在地質(zhì)構(gòu)造和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的壓裂參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種壓裂區(qū)域壓裂過(guò)程參數(shù)

由表3數(shù)據(jù)可以看出,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)實(shí)施的脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最長(zhǎng)注水時(shí)間為55min,最短注水時(shí)間為35min;最大脈動(dòng)壓力為4MPa,最小脈動(dòng)壓力為1MPa;最大注水量為6.875m3,最小注水量為5.1m3。且D3、D4壓裂孔旁邊的導(dǎo)向孔均未出水。非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)實(shí)施的脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最長(zhǎng)注水時(shí)間為15min,最短注水時(shí)間為9min;最大脈動(dòng)壓力為12MPa,最小脈動(dòng)壓力為7MPa;最大注水量為1.5m3,最小注水量為0.6m3,且非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)的導(dǎo)向孔均出水。兩個(gè)區(qū)的脈動(dòng)水力致裂上述參數(shù)的顯著差異,說(shuō)明脈動(dòng)水力致裂結(jié)果受到了地質(zhì)構(gòu)造區(qū)裂隙發(fā)育的顯著影響。

3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂影響分析

通過(guò)對(duì)比在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行的脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂影響的分析,得出地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程及效果的影響規(guī)律。

3.1 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程的影響

在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)實(shí)施的脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),壓裂孔注水時(shí)間、注水量、脈動(dòng)壓力的柱狀圖如圖3～圖5所示。

圖3 壓裂孔注水時(shí)間

由圖3和圖4可以看出,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)壓裂孔D1、D2、D3、D4的注水時(shí)間均在35～55min之間,注水量均在5～7m3之間;而非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)壓裂孔F1、F2、F3、F4的注水時(shí)間均在10min左右,注水量均在1m3左右。在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的脈動(dòng)水力壓裂注水時(shí)間和注水量均遠(yuǎn)大于非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的注水時(shí)間和注水量,說(shuō)明地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂的過(guò)程產(chǎn)生了顯著影響。由于脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域內(nèi)存在斷層結(jié)構(gòu),斷面在壓裂區(qū)域形成弱面區(qū),很容易誘導(dǎo)煤層裂隙向斷層方向擴(kuò)展,脈動(dòng)水則不斷向斷層方向運(yùn)動(dòng),對(duì)脈動(dòng)注水形成疏排效應(yīng)。因此,斷層構(gòu)造導(dǎo)致脈動(dòng)注水時(shí)間和注水量均明顯大于非地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的水力壓裂。

圖4 壓裂孔注水量

由圖5可以看出,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)壓裂孔D1、D2、D3、D4的脈動(dòng)注水壓力均在3MPa左右,而非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)壓裂孔F1、F2、F3、F4的脈動(dòng)注水壓力均在10MPa左右,分析認(rèn)為,由于斷層構(gòu)造的存在,導(dǎo)致脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)自然卸壓區(qū),對(duì)脈動(dòng)壓力形成釋放效應(yīng),從而導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的脈動(dòng)注水壓力顯著減小。

圖5 壓裂孔脈動(dòng)壓力

通過(guò)對(duì)表3地質(zhì)構(gòu)造區(qū)數(shù)據(jù)和距斷層距離參數(shù)進(jìn)行回歸分析,擬合得出同一地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)壓裂孔D1、D2、D3、D4的脈動(dòng)注水壓力、注水量隨壓裂孔距斷層距離的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出,在地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中,脈動(dòng)注水壓力和注水量與距斷層距離基本成正線性關(guān)系,即在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)壓裂孔距離斷層構(gòu)造越近,其脈動(dòng)注水壓力越小,注水量也越小。隨著距離從35m(D1壓裂孔)減至5m(D4壓裂孔),脈動(dòng)注水壓力從D1壓裂孔的4MPa降至D4壓裂孔的1MPa,注水量從7m3降至5m3左右。進(jìn)一步證明了斷層自然卸壓區(qū)對(duì)脈動(dòng)壓力形成釋放效應(yīng),阻止了脈動(dòng)壓力的提升,降低了脈動(dòng)水力壓裂的效果。同時(shí),由于斷層斷面在壓裂區(qū)域形成弱面區(qū),誘導(dǎo)了煤層裂隙向斷層方向擴(kuò)展,因此,脈動(dòng)注水則不斷向斷層方向運(yùn)動(dòng)。

圖6 脈動(dòng)壓力、注水量與距斷層距離的關(guān)系

3.2 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂效果的影響

基于松樹(shù)鎮(zhèn)煤礦+206水平西一采區(qū)和鐵嶺大興煤礦N2706工作面在原始瓦斯含量和原始瓦斯壓力等原始瓦斯條件的不同,只考慮脈動(dòng)水力壓裂后的瓦斯?jié)舛却笮?duì)比有失科學(xué)性。因此,在此對(duì)脈動(dòng)水力壓裂前后的瓦斯?jié)舛仍隽窟M(jìn)行分析,研究地質(zhì)構(gòu)造對(duì)脈動(dòng)水力壓裂效果的影響。

在脈動(dòng)水力壓裂完成后,立即連接抽采管路,對(duì)壓裂孔進(jìn)行抽采,觀測(cè)鉆孔瓦斯?jié)舛?個(gè)月。再分別對(duì)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)鉆場(chǎng)抽采鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示。

圖7 壓裂前后瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化圖

由圖7可以看出,在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū),脈動(dòng)水力壓裂實(shí)施后,瓦斯抽采濃度均能明顯升高。在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi),壓裂孔D1、D2、D3、D4的瓦斯抽采濃度普遍大于該區(qū)域脈動(dòng)水力壓裂前的對(duì)比孔瓦斯抽采濃度如圖7(a)所示。其中,壓裂孔初始抽采瓦斯?jié)舛仍?%～10%左右,而對(duì)比孔初始瓦斯?jié)舛确秶?.5%～2%左右。D1壓裂孔初始抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大為10%,而對(duì)比孔2初始瓦斯?jié)舛茸钚?.5%;壓裂孔穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛仍?%～6%之間,而對(duì)比孔穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛确秶?.5%～2%之間。在斷層地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)實(shí)施脈動(dòng)水力壓裂后,初始抽采瓦斯?jié)舛忍岣?～20倍,穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛忍岣?～6倍。

在非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi),壓裂孔F1、F2、F3、F4的瓦斯抽采濃度亦普遍大于該區(qū)域普通抽采孔瓦斯抽采濃度如圖7(b)中所示。普通抽采孔初始抽采瓦斯?jié)舛葹?0%～15%,而脈動(dòng)水力壓裂孔的初始抽采瓦斯?jié)舛纫话銥?0%～50%之間,是普通抽采孔初始抽采瓦斯?jié)舛鹊?倍左右;普通抽采孔的瓦斯穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛葍H2.5%左右,而壓裂孔瓦斯穩(wěn)定抽采濃度達(dá)到了25%以上,是普通抽采孔的10倍以上。

通過(guò)以上對(duì)比分析可以得出,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)進(jìn)行的脈動(dòng)水力壓裂前后,穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛忍岣?～6倍,初始抽采瓦斯?jié)舛忍岣?～20倍;非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)進(jìn)行的脈動(dòng)水力壓裂前后,穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛忍岣?0倍以上,初始瓦斯抽采濃度提高4倍左右。

針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的初始抽采瓦斯?jié)舛群头€(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛忍岣弑稊?shù)的顯著差異,分析認(rèn)為,由于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)相對(duì)非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)裂隙發(fā)育,賦存的游離態(tài)的瓦斯較多,脈動(dòng)水力致裂之后隨著裂隙的導(dǎo)通,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的初始抽采瓦斯提高倍數(shù)大于非地質(zhì)構(gòu)造區(qū);與此同時(shí),受脈動(dòng)致裂裂隙與構(gòu)造區(qū)裂隙導(dǎo)通卸壓的影響,使得構(gòu)造區(qū)的致裂壓力低于非構(gòu)造區(qū),有效致裂范圍和裂隙發(fā)育程度低于非構(gòu)造區(qū),從而使得地質(zhì)構(gòu)造區(qū)的穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛鹊陀诜堑刭|(zhì)構(gòu)造區(qū)。

由圖7也可以看出,在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū),壓裂孔的瓦斯抽采濃度均會(huì)經(jīng)歷反復(fù)下降又上升的彈性過(guò)程。以D1壓裂孔為例,最高瓦斯?jié)舛葹?0%,經(jīng)過(guò)10天,抽采瓦斯?jié)舛冉禐?%,但在第15天,瓦斯?jié)舛扔址磸棡?%。其原因是脈動(dòng)水力壓裂后,煤層內(nèi)存在的水阻止了瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,在第15天時(shí),經(jīng)過(guò)排水過(guò)程解除了煤層內(nèi)水對(duì)瓦斯運(yùn)移的封鎖,瓦斯?jié)舛扔稚?%。基于前述分析,脈動(dòng)水力壓裂在非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)的注水量要遠(yuǎn)小于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)的壓裂孔注水量。因此,脈動(dòng)水力壓裂后,地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)大量水的存在對(duì)瓦斯抽采產(chǎn)生較大的水鎖效應(yīng),不利于瓦斯抽采。

4 結(jié)論

(1) 脈動(dòng)水力壓裂區(qū)域內(nèi)存在斷層結(jié)構(gòu),斷面在壓裂區(qū)域形成弱面區(qū),誘導(dǎo)了煤層裂隙向斷層方向擴(kuò)展,導(dǎo)致脈動(dòng)注水不斷向斷層方向運(yùn)動(dòng),從而使地質(zhì)構(gòu)造區(qū)脈動(dòng)注水時(shí)間和注水量均明顯大于非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)。斷層自然卸壓區(qū)對(duì)脈動(dòng)壓力形成釋放效應(yīng),阻止了脈動(dòng)壓力的提升,降低了脈動(dòng)水力壓裂的效果。

(2) 通過(guò)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)和非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)脈動(dòng)水力壓裂前后瓦斯抽采效果的對(duì)比分析,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)壓裂孔穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛忍岣吡?～6倍,初始抽采瓦斯?jié)舛忍岣吡?～20倍;非地質(zhì)構(gòu)造區(qū)壓裂孔瓦斯抽采濃度提高了10倍以上,初始瓦斯抽采濃度提高了4倍左右。地質(zhì)構(gòu)造降低了脈動(dòng)水力壓裂前后穩(wěn)定抽采瓦斯?jié)舛仍隽?提高了初始抽采瓦斯?jié)舛鹊脑隽俊?/p>

(3) 脈動(dòng)水力壓裂后,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤層內(nèi)存在大量水的存在對(duì)瓦斯抽采產(chǎn)生較大的水鎖效應(yīng),阻止了瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,降低了脈動(dòng)水力壓裂效果,影響了瓦斯的抽采。