東大煤礦水力壓裂技術(shù)工藝與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

晁志國(guó)

(晉能控股裝備制造集團(tuán),山西 晉城 048000)

1 工程概況

東大煤礦主要回采3號(hào)煤層,煤層平均厚度為5.3 m,礦井的相對(duì)瓦斯涌出量為29.1 m3/t,絕對(duì)瓦斯涌出量為306.4 m3/min,采煤工作面與掘進(jìn)工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量為202.3 m3/min、33.4 m3/min.瓦斯壓力為2.36～2.90 MPa,煤層透氣性系數(shù)為9.142～11.182 m2/(MPa2·d),原煤瓦斯含量為14.54～20.34 m3/t,煤體堅(jiān)固性系數(shù)為0.95～0.99,屬于煤與瓦斯突出礦井。

為降低3號(hào)煤層的瓦斯突出危險(xiǎn)性,礦井共布置8臺(tái)2BEC120型瓦斯抽采泵站與10臺(tái)鉆機(jī),6臺(tái)為普鉆類(lèi)型,用于本煤層與穿層預(yù)抽工作,其余4臺(tái)為定向類(lèi)型,用于穿層預(yù)抽。地面井抽采先行,本煤層抽采為主,穿層抽采為輔的綜合防治措施。為強(qiáng)化瓦斯抽采效果,擬采取水力壓裂技術(shù)增強(qiáng)煤層滲透率。因此,以東大煤礦3號(hào)煤層為研究對(duì)象,對(duì)水裂壓裂裂縫的擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行研究,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理

2.1 水力壓裂裂縫擴(kuò)展過(guò)程

水力壓裂技術(shù)作為煤層瓦斯抽采增透技術(shù),其原理是利用高壓水泵將高壓水注入煤層中,促使煤層中的天然弱面發(fā)生張拉破裂,形成水力壓裂網(wǎng)絡(luò),以增加煤層的滲透率[1-3]。

高壓水壓裂煤層主要受兩個(gè)因素影響,一是煤層的注水時(shí)間(壓裂時(shí)間),二是注水壓力(注入量)[4-6]。在煤體迂曲度的影響下,高壓水涌入煤體孔、裂隙結(jié)構(gòu)并使其發(fā)生張拉破壞需要一定的時(shí)間,隨著壓裂時(shí)間的增加,煤層裂縫擴(kuò)展將會(huì)更加充分。同時(shí)煤體作為一種多孔介質(zhì),在煤體自滲吸作用下產(chǎn)生的滲失水壓將會(huì)削減注水壓力,保證壓裂裂縫有效擴(kuò)展的關(guān)鍵在于確保注水壓力大于滲失水壓。為具體探究水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理,對(duì)水力壓裂裂縫進(jìn)行力學(xué)分析,并運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究注水時(shí)間(壓裂時(shí)間)與注水壓力(注入量)對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。

2.2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展力學(xué)分析

為探究微觀條件下煤體內(nèi)部裂縫的力學(xué)擴(kuò)展機(jī)理,并進(jìn)行數(shù)學(xué)表征,選取裂隙的半長(zhǎng)進(jìn)行分析,如圖1所示。

圖1 裂縫擴(kuò)展力學(xué)模型

圖中:Pk為地應(yīng)力在裂縫垂直方向上的分量,MPa;RQ為未開(kāi)裂區(qū)域的粘結(jié)力,MPa,當(dāng)裂縫中有充填介質(zhì)時(shí),其數(shù)值等于煤體浸水后的內(nèi)聚力,當(dāng)裂縫結(jié)構(gòu)完整時(shí),其數(shù)值等于煤體的抗拉強(qiáng)度;Pe為有效水壓力,其數(shù)值如式(1)所示:

Pe=P0-P1

(1)

式中:P0為流體壓力即注水壓力,MPa;P1為滲失水壓,MPa.

假設(shè)裂隙前端發(fā)生破裂符合最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則,則水力壓裂的有效水壓力應(yīng)大于地應(yīng)力在垂直裂縫方向的分量和未開(kāi)裂區(qū)域的粘結(jié)力,如式(2)與式(3)所示:

Pe>Pk+RQ

(2)

Pk=kγH(λ1sinα+λ2sinβ+sinθ)

(3)

式中:α、β、θ為裂隙在空間坐標(biāo)系中與x軸、y軸、z軸的夾角,°;λ1、λ2為x、y方向的側(cè)向系數(shù);γ為巖層容重,N/m3;H為煤層的埋藏深度,m;k為地層系數(shù)。

對(duì)于二維平面水力裂縫擴(kuò)展模型,β,θ為0.假設(shè)α=30°,k=0.3,γ=13 000 N/m3,H=300 m,λ1=2,RQ=0.4 MPa,最終計(jì)算可得起裂壓力Pe>4.0 MPa.

3 水力壓裂裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬

3.1 水力壓裂數(shù)值模型

對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行可視化模擬,并分析壓裂時(shí)間以及注入量對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的影響屬于數(shù)值模擬分析中的動(dòng)態(tài)耦合問(wèn)題,需要綜合考慮煤體變形(固體場(chǎng))與水力流動(dòng)(流體場(chǎng))的多場(chǎng)耦合作用。考慮到裂縫擴(kuò)展過(guò)程屬于微觀尺度,因此,采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析,模型設(shè)計(jì)為40 m×40 m的二維平面模型,在模型內(nèi)設(shè)置預(yù)制裂縫,并以中心點(diǎn)作為注水點(diǎn),設(shè)置進(jìn)口流量邊界。在模型四周設(shè)置應(yīng)力邊界條件,根據(jù)東大煤礦實(shí)測(cè)的水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力數(shù)值,在模型的左右兩側(cè)施加x=36 MPa的水平應(yīng)力,在上下兩側(cè)施加z=18 MPa的垂直應(yīng)力,數(shù)值模擬參數(shù)如表1所示。在數(shù)值模型中控制壓裂時(shí)間、注入量,用以分析不同因素對(duì)于水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

3.2 壓裂時(shí)間對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

為探究壓裂時(shí)間對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響,控制注入量為0.003 m3/s,壓裂的模擬總時(shí)間為100 min,截取不同時(shí)間段時(shí)的流體壓力如圖2所示。

圖2 不同壓裂時(shí)間影響下裂縫擴(kuò)展應(yīng)力云圖

圖2(a)與圖2(b)為裂縫區(qū)域放大100倍的顯示效果,其余圖示為裂縫區(qū)域放大30倍的顯示效果。

根據(jù)圖2所示,當(dāng)壓裂時(shí)間為3 min時(shí),裂縫出現(xiàn)應(yīng)力集中;在5 min時(shí),應(yīng)力影響范圍向外部擴(kuò)展;在7 min時(shí),裂縫內(nèi)部的水壓力達(dá)到最大值,為3.933 MPa,與公式(1)、(2)、(3)計(jì)算所得裂紋擴(kuò)展壓力4.0 MPa較為相近,可以判斷此時(shí)裂縫尖端達(dá)到了起裂壓力,裂縫發(fā)生擴(kuò)展延伸;在10 min時(shí),裂縫已經(jīng)出現(xiàn)擴(kuò)展,并伴隨著一定的卸壓作用。在模型偏應(yīng)力(z-x)的影響下,裂縫沿垂直于最小主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),為克服裂縫偏轉(zhuǎn)阻力,在20～30 min區(qū)間內(nèi),流體壓力表現(xiàn)出小幅度上升狀態(tài);在40～100 min區(qū)間內(nèi),流體壓力較為穩(wěn)定,裂縫進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

將單縫擴(kuò)展半長(zhǎng)與壓裂時(shí)間的演化關(guān)系繪制成圖3所示的點(diǎn)線圖可知,在壓裂的初始階段,裂縫的擴(kuò)展長(zhǎng)度受制于起裂壓力而無(wú)明顯變化,隨著裂縫內(nèi)部流體壓力的升高,在20～40 min區(qū)間內(nèi),裂縫進(jìn)入快速擴(kuò)展階段,在50 min以后,裂縫進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段,裂縫擴(kuò)展的變化率近似為0.最終,單縫擴(kuò)展的半長(zhǎng)約為12.7 m.

圖3 不同壓裂時(shí)間條件下單縫半長(zhǎng)變化情況

3.3 注入量對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響

在數(shù)值模擬方法中,注水壓力可通過(guò)改變注入量進(jìn)行模擬。在施工過(guò)程中,注入量變大,水力壓裂的效果會(huì)有明顯提升,然而考慮到注水泵的工作壓力、壓裂設(shè)備與管路的可靠性,需要將注水壓力控制在有效區(qū)間內(nèi)。為此,在數(shù)值模擬中,設(shè)置0.001～0.005 m3/s的注入量參數(shù),分析不同注入量對(duì)于水力壓裂裂縫擴(kuò)展的影響,如圖4所示。

圖4 不同注入量影響下裂縫擴(kuò)展應(yīng)力云圖

對(duì)比圖4所示的不同注入量條件下的裂縫擴(kuò)展云圖可以看出,0.003 m3/s為裂縫擴(kuò)展的分界點(diǎn)。當(dāng)注入量小于0.003 m3/s時(shí),隨著注入量的增加,水壓影響范圍逐漸擴(kuò)展;當(dāng)注入量大于0.003 m3/s時(shí),水壓影響范圍近似不變。將不同注入量與裂縫寬度、裂縫半長(zhǎng)的演化趨勢(shì)繪制成圖5所示的點(diǎn)線圖可知,裂縫寬度與單縫半長(zhǎng)具有統(tǒng)一的變化趨勢(shì),注入量0.003 m3/s相比于0.002 m3/s時(shí),裂縫寬度同比增長(zhǎng)32.7%,單縫長(zhǎng)度同比增長(zhǎng)29.0%;注入量0.004 m3/s相比于0.003 m3/s時(shí),裂縫寬度同比增長(zhǎng)4.0%,單縫長(zhǎng)度同比增長(zhǎng)3.3%.當(dāng)注入量小于0.003 m3/s時(shí),隨著注入量的增加,裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度延伸速度較快;當(dāng)注入量大于0.003 m3/s時(shí),注入量的增加對(duì)裂縫擴(kuò)展速度影響較小。

圖5 不同注入量條件下水力裂縫寬度與單縫半長(zhǎng)變化情況

4 水力壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

東大煤礦3號(hào)煤層應(yīng)用的水力壓裂系統(tǒng)包括KFS98-65型注水泵,最大注水壓力為98 MPa,配備可承受30 MPa壓力的高壓管路,采用封孔膠囊與加厚耐壓無(wú)縫鋼管進(jìn)行封孔與固定。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)壓裂時(shí)間為50 min,注入量為0.003 m3/s時(shí),裂紋的擴(kuò)展效率最高。因此,設(shè)定壓裂時(shí)間為50 min,設(shè)定注入量為0.003 m3/s.采用防爆型流量壓力記錄儀記錄水力壓裂技術(shù)實(shí)施中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)與流量變化,繪制圖6所示的水力壓裂鉆孔與常規(guī)鉆孔對(duì)比情況下的抽采體積分?jǐn)?shù)、抽采流量與抽采純量的演化曲線。

圖6 水力壓裂孔與常規(guī)孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)對(duì)比情況

根據(jù)持續(xù)20 d的測(cè)試數(shù)據(jù)可知,采用水力壓裂鉆孔的最小瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為32.9%,最大瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為62.6%,平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為53.73%;最小瓦斯抽采流量值為0.021 m3/min,最大瓦斯抽采流量為0.052 m3/min,平均瓦斯抽采流量為0.037 m3/min;最小瓦斯抽采純量為0.011 m3/min,最大瓦斯抽采純量為0.032 m3/min,平均瓦斯抽采純量為0.02 m3/min.綜合比較可知,實(shí)施水力壓裂技術(shù)后,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了3.05倍,抽采流量提高了2.95倍,瓦斯抽采純量提高了11.7倍。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤層進(jìn)行取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),測(cè)試煤體瓦斯損失量、解吸量、殘存量與瓦斯含量如表2所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,瓦斯損失量降低了11.3%,解吸量降低了56.1%,殘存量降低了55.1%,瓦斯含量降低了62.8%.由此可知,水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用增加了煤層透氣性,提升了區(qū)域性瓦斯抽采效果。

表2 煤層瓦斯含量實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果 m3/t

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 高壓水壓裂煤層主要受兩個(gè)因素影響,一是煤層的注水時(shí)間(壓裂時(shí)間),二是注水壓力(注入量)。根據(jù)裂縫擴(kuò)展力學(xué)模型,計(jì)算得到起裂壓力為4 MPa.

2) 運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)起裂壓力進(jìn)行了驗(yàn)證,通過(guò)分析得出水力裂縫存在初始擴(kuò)展階段、快速擴(kuò)展階段與穩(wěn)定擴(kuò)展階段。當(dāng)注入量小于0.003 m3/s時(shí),隨著注入量的增加,裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度延伸速度較快;當(dāng)注入量大于0.003 m3/s時(shí),注入量的增加對(duì)裂縫擴(kuò)展速度影響較小。

3) 實(shí)施水力壓裂技術(shù)后,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高了3.05倍,抽采流量提高了2.95倍,瓦斯抽采純量提高了11.7倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果,瓦斯損失量降低了11.3%,解吸量降低了56.1%,殘存量降低了55.1%,瓦斯含量降低62.8%.