馬堡煤業(yè)高壓水力壓裂沖孔工業(yè)試驗(yàn)分析

石 光

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

水力壓裂沖孔技術(shù)作為一種煤層壓裂技術(shù)可以有效地提高煤層的滲透率,以此強(qiáng)化瓦斯的抽采效率。為達(dá)到理想的壓裂效果,常采用數(shù)值模擬方法對(duì)水力壓裂參數(shù)與工藝進(jìn)行研究[1-5]。張玉等[6]以多孔介質(zhì)滲流理論為基礎(chǔ),提出了基于有限容積法的水力壓裂的數(shù)值模擬方法。劉嘉等[7]基于多孔彈性理論與最小能量原理建立了水滲流模型,并探究了不同地應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。閆曉等[8]依托界面單元法建立了水力壓裂模型,并對(duì)裂紋擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行了研究。楊晨旭[9]針對(duì)水力壓裂過(guò)程中的巖石變形特性建立了三維水力壓裂模型。郭欣等[10]假設(shè)瓦斯?jié)B流符合達(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律,依托COMSOL軟件探究了瓦斯有效抽采半徑的影響因素。以上研究?jī)?nèi)容為水力壓裂增透瓦斯抽采提供了大量的研究基礎(chǔ),為探究馬堡煤業(yè)水力壓裂沖孔增透的適用性,采用數(shù)值模擬方法探究了不同注水壓力條件下裂紋擴(kuò)展特性,并以8205運(yùn)輸巷底抽巷為試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展了穿層水力壓裂增透工業(yè)試驗(yàn)。

1 高壓水力壓裂沖孔數(shù)值模擬

高壓水力壓裂增透技術(shù)會(huì)影響抽采鉆孔圍巖應(yīng)力,并使其重新分布,重新分布的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致抽采鉆孔周?chē)严栋l(fā)育,而裂縫發(fā)育程度是影響瓦斯抽采效果的主要因素。使用數(shù)值模擬軟件RFPA2D-Flow對(duì)高壓水力壓裂后抽采鉆孔周?chē)乃畨毫M(jìn)行仿真,并結(jié)合馬堡煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,通過(guò)建立穿層鉆孔高壓水力壓裂物理模型,研究不同注水壓力情況下,高壓水壓致裂裂紋擴(kuò)展發(fā)育狀態(tài),可為現(xiàn)場(chǎng)高壓水力壓裂技術(shù)的工業(yè)性試驗(yàn)提供指導(dǎo)。

1.1 數(shù)值模型的建立

使用RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟件,結(jié)合馬堡礦8號(hào)煤實(shí)際情況,建立單孔穿層鉆孔高壓水力壓裂物理模型,如圖1所示。物理模型是沿著煤層傾向建立的,尺寸10 m×2 m,代表煤層厚度2 m,傾向方向長(zhǎng)為10 m,煤層瓦斯壓力為0.186～0.685 MPa,鉆孔與煤層夾角為30°,鉆孔直徑為0.113 m,巖性參數(shù)如表1所示。在RFPA2D-Flow中設(shè)置初始注水壓力分別為3 MPa、8 MPa、13 MPa、18 MPa.

表1 水力壓裂數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型

1.2 水力壓裂沖孔模擬結(jié)果分析

圖2表示了穿層鉆孔在不同注入高壓水過(guò)程中,鉆孔周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)變化情況,圖中黑色區(qū)域表示鉆孔附近的裂隙。圖2(a)中,注水壓力為3 MPa,此時(shí)鉆孔周?chē)o(wú)裂隙產(chǎn)生。圖2(b)中,注水壓力增加至8 MPa,此時(shí)鉆孔周?chē)严睹壬鑫⑿×严?只在抽采鉆孔與煤層交點(diǎn)位置有小部分的裂隙。圖2(c)中,注水壓力增加為13 MPa,此時(shí)裂隙迅速擴(kuò)展,在鉆孔和煤層底部交點(diǎn)位置萌生較多裂隙。圖2(d)中,注水壓力為18 MPa,鉆孔出現(xiàn)明顯的擴(kuò)裂,最大影響距離為1.76 m(只有1個(gè)穿層鉆孔,附近無(wú)穿層鉆孔的條件)。

圖2 不同注水壓力條件下單孔水力壓裂沖孔效果

綜上分析可知,在馬堡煤業(yè)煤層條件下,注水壓力為8 MPa時(shí)可使煤層產(chǎn)生初始破壞,注水壓力為13 MPa時(shí)可使裂隙快速擴(kuò)張,注水壓力為18 MPa時(shí)可使煤層裂隙達(dá)到充分破壞。

2 水力壓裂沖孔工業(yè)試驗(yàn)

2.1 水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)

選取8號(hào)煤層的8205運(yùn)輸巷底抽巷作為試驗(yàn)對(duì)象。此工作面回風(fēng)巷高、運(yùn)輸巷低,平均落差為27 m.走向長(zhǎng)度為1 130 m(可采推進(jìn)長(zhǎng)度1 100 m),傾向長(zhǎng)度為160 m,面積為203 400 m2.工作面以真方位角38°布置。工作面東側(cè)為8204采空區(qū),地面標(biāo)高為+1 268～+1 279 m.巷道寬為4 m,高為3 m,主要用于8205運(yùn)輸巷區(qū)域預(yù)抽鉆孔施工用。每8個(gè)鉆孔為一組,鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖如圖3(a)所示。每組鉆孔布置上、下兩排鉆孔,每排各布置4個(gè)鉆孔,共計(jì)8個(gè)孔?？组g距為1 m,排間距為0.5 m,鉆孔直徑為113 mm,鉆孔深度35～67 m.鉆孔開(kāi)孔位置如圖3(b)所示,鉆孔參數(shù)如表2所示。

表2 8205運(yùn)輸巷底抽巷穿層鉆孔參數(shù)

圖3 底抽巷水力壓裂鉆孔布置圖

2.2 設(shè)計(jì)方案數(shù)值模擬分析

2號(hào)孔水力壓裂時(shí),鄰近的1號(hào)孔、3號(hào)孔未進(jìn)行水力壓裂。2號(hào)孔與1號(hào)孔、3號(hào)孔終孔位置距離均為5 m、5 m,1號(hào)孔、2號(hào)孔、3號(hào)孔進(jìn)入煤層角度分別為30°、26°、23°.在數(shù)值模擬軟件中建立20 m×2 m的模型,初始水壓由8 MPa逐漸增加至18 MPa時(shí),裂隙擴(kuò)展規(guī)律如圖4所示。圖4(a)中,注水壓力為8 MPa時(shí),鉆孔附近無(wú)明顯裂隙。圖4(b)中,注水壓力為13 MPa,在2號(hào)孔與見(jiàn)煤段中間位置萌生了裂隙,2號(hào)鉆孔附近裂隙發(fā)育明顯。圖4(c)中,注水壓力18 MPa,2號(hào)孔和左側(cè)的1號(hào)孔有明顯的裂隙導(dǎo)通。2號(hào)孔進(jìn)行高壓水力壓裂,鄰近的1號(hào)孔、3號(hào)孔未進(jìn)行水力壓裂的條件下,當(dāng)注水壓力為18 MPa時(shí),2號(hào)孔和1號(hào)孔之間發(fā)育裂隙并且導(dǎo)通,壓裂范圍經(jīng)測(cè)量為2.87 m.

圖4 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔水力壓裂沖孔規(guī)律

4號(hào)孔、5號(hào)孔位于運(yùn)輸巷的兩側(cè),主要用于運(yùn)輸巷的卸壓,可以有效避免巷道掘進(jìn)導(dǎo)致的煤與瓦斯突出現(xiàn)象,在數(shù)值模擬軟件中建立24 m×2 m的模型,初始水壓由8 MPa逐漸增加至18 MPa時(shí),裂隙擴(kuò)展規(guī)律如圖5所示。

圖5 4號(hào)、5號(hào)鉆孔水力壓裂沖孔規(guī)律

圖5(a)中,注水壓力為8 MPa時(shí),鉆孔附近已經(jīng)出現(xiàn)裂隙,相比于1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔的裂隙起裂壓力更小。圖5(b)中,當(dāng)注水壓力為13 MPa時(shí),兩鉆孔之間的裂隙出現(xiàn)明顯的聯(lián)通趨勢(shì),并且快速擴(kuò)展。當(dāng)注水壓力達(dá)到圖5(c)中所示的18 MPa時(shí),兩鉆孔之間的裂隙已接近于完全貫通。根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知,當(dāng)注水壓力為18 MPa時(shí),壓裂范圍為1.36 m.

7號(hào)孔水力壓裂時(shí),鄰近的6號(hào)孔、8號(hào)孔未進(jìn)行水力壓裂。7號(hào)孔與6號(hào)孔、8號(hào)孔終孔位置距離均為5 m、5 m,6號(hào)孔、7號(hào)孔、8號(hào)孔進(jìn)入煤層角度分別為18°、17°、15°,設(shè)計(jì)見(jiàn)煤長(zhǎng)度分別為6.8 m、7.4 m、8.0 m.

在數(shù)值模擬軟件中建立26 m×2 m的模型,初始水壓由8 MPa增加至13 MPa時(shí),裂隙擴(kuò)展規(guī)律如圖6所示。圖6(a)中,注水壓力為8 MPa,裂隙迅速發(fā)育。圖6(b)中,注水壓力為13 MPa時(shí),7號(hào)孔與6號(hào)孔裂隙已經(jīng)導(dǎo)通。由以上分析可得:7號(hào)孔進(jìn)行高壓水力壓裂,鄰近的6號(hào)孔、8號(hào)孔未進(jìn)行水力壓裂時(shí),壓裂范圍為1.13 m.

圖6 6號(hào)孔、7號(hào)孔、8號(hào)鉆孔水力壓裂沖孔規(guī)律

2.3 設(shè)計(jì)方案工業(yè)試驗(yàn)分析

上述數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的水力壓裂沖孔技術(shù)參數(shù)具有較好的壓裂效果。因此,在8205運(yùn)順巷底抽巷250 m位置處,施工第40組穿層鉆孔作為試驗(yàn)鉆孔,開(kāi)展試驗(yàn)研究,水力壓裂鉆孔的注水持續(xù)時(shí)間均為30 min.

2號(hào)穿層鉆孔注水壓力提升至15 MPa時(shí),由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制,停止了注水,維持30 min后,附近其他的鉆孔并無(wú)返水的情況,表明此壓裂鉆孔的裂紋擴(kuò)展區(qū)域未達(dá)到鄰近鉆孔。4號(hào)穿層鉆孔注水壓力為15 MPa時(shí),鄰近的鉆孔并無(wú)水滲流情況。5號(hào)穿層鉆孔注水壓力為18 MPa,附近的第39組4號(hào)鉆孔內(nèi)開(kāi)始出水,表明兩鉆孔間形成貫穿裂隙通道。7號(hào)穿層鉆孔注水壓力為10 MPa, 6號(hào)鉆孔有少量返水,裂隙已經(jīng)發(fā)育,但擴(kuò)展不是很大。由于第40組的5號(hào)鉆孔與第39組的4號(hào)孔裂隙導(dǎo)通,而兩組鉆孔的間距約為1.1～4.45 m,由此判斷出水力壓裂的裂隙影響范圍為1.1～4.45 m.由此可知,工業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果較為相近。

3 瓦斯抽采效果分析

為檢驗(yàn)水力壓裂沖孔技術(shù)的實(shí)際增透效果,以第40組穿層鉆孔為例,開(kāi)展了30 d的瓦斯抽采監(jiān)測(cè)。為對(duì)比分析抽采效果,選取距水力壓裂鉆孔外側(cè)100 m位置的第17組鉆孔作為對(duì)照。最終得到30 d的瓦斯體積分?jǐn)?shù)演化曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 壓裂鉆孔與未壓裂鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比分析可知,10月27日至11月8日,兩組鉆孔的瓦斯體積分?jǐn)?shù)均處于高位,壓裂組單孔平均體積分?jǐn)?shù)為18.36%,未壓裂組單孔平均體積分?jǐn)?shù)為3.4%.壓裂組單孔平均抽采體積分?jǐn)?shù)是未壓裂組單孔平均體積分?jǐn)?shù)的5.4倍。11月8日至11月22日,壓裂組和未壓裂組抽采體積分?jǐn)?shù)都有衰減,壓裂組和未壓裂組平均抽采體積分?jǐn)?shù)分別為8.15%、4.28%,壓裂組是未壓裂組平均抽采體積分?jǐn)?shù)的1.9倍。整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi),單孔平均抽采體積分?jǐn)?shù)壓裂組是未壓裂組的14.26%/3.75%≈3.8倍。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)馬堡煤業(yè)8號(hào)煤層的地質(zhì)情況,依托RFPA2D-Flow模擬了3 MPa、8 MPa、13 MPa、18 MPa注水壓力條件下的鉆孔裂紋擴(kuò)展情況。分析得出,注水壓力為8 MPa可使煤層產(chǎn)生初始破壞,注水壓力為13 MPa可使裂隙快速擴(kuò)張,注水壓力為18 MPa可使煤層裂隙達(dá)到充分破壞。

2) 采用數(shù)值模擬方法分析了穿層鉆孔的壓裂裂紋擴(kuò)展規(guī)律,2號(hào)孔注水壓力為18 MPa時(shí),壓裂范圍經(jīng)測(cè)量為2.87 m.4號(hào)孔、5號(hào)孔注水壓力為18 MPa時(shí),壓裂范圍為1.36 m.7號(hào)孔注水壓力為13 MPa時(shí),壓裂范圍為1.13 m,與工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果較為接近。

3) 經(jīng)瓦斯抽采效果對(duì)比分析,水力壓裂鉆孔組平均抽采體積分?jǐn)?shù)是無(wú)水力壓裂鉆孔組的3.8倍。