基于RFPA的水力壓裂增透影響半徑數(shù)值模擬研究

李新明 ，梁忠秋

(1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.中煤科工集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的增加，越來(lái)越多的礦井將步入深部開(kāi)采，但是深部區(qū)域的煤層地應(yīng)力和瓦斯壓力卻很高[1]，透氣性差，導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效果差、本煤層鉆孔打鉆量大，對(duì)礦井的采掘銜接產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。所以針對(duì)礦井瓦斯含量高、透氣性系數(shù)差的煤層，如何高效抽采瓦斯成為各大煤炭企業(yè)的技術(shù)難題，而解決此難題的最佳方法是煤層的卸壓增透[3-4]。

現(xiàn)在我國(guó)大多數(shù)礦井采用的卸壓增透方法是水力化措施[5]、開(kāi)采保護(hù)層[6]、深孔預(yù)裂爆破[7]及液態(tài)CO2相變致裂爆破[8]。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。何福勝等[9]通過(guò)在斜溝煤礦開(kāi)展的水力壓裂試驗(yàn)表明，水力壓裂區(qū)域煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯抽采濃度和抽采純量顯著提高；許江等[10]通過(guò)多場(chǎng)藕合煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)水力壓裂全過(guò)程包括4個(gè)階段，即應(yīng)力積累階段、微破裂發(fā)育階段、裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段、破裂后階段，壓裂過(guò)程中水壓力場(chǎng)的演化跟裂縫的發(fā)育、擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，水力壓裂裂縫主要沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展；石欣雨等[11]采用原煤試樣開(kāi)展煤巖水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)及煤巖裂縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于井下厚儲(chǔ)層，通過(guò)“分段-分壓”壓裂方式來(lái)構(gòu)造橫縱交織的裂縫網(wǎng)，可以顯著提高瓦斯的抽采效率，同時(shí)避免在含較多縱向原生裂縫及較大斷層的井壁位置布置射流孔，防止引起煤儲(chǔ)層頂板、底板失穩(wěn)破壞，造成安全事故；吳擁政等[12]在余吾煤業(yè)公司S1206煤柱留巷瓦排巷開(kāi)展水力壓裂試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用定向水力壓裂能顯著減弱堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生的懸頂現(xiàn)象，割斷保護(hù)煤柱上方的堅(jiān)硬頂板，將懸臂區(qū)自然冒落，減小煤柱和實(shí)體煤載荷，破壞應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例，提高留巷受力狀態(tài)，留巷變形顯著變小。

本文借助理論研究與數(shù)值模擬，研究低透氣性煤層水力壓裂時(shí)裂隙裂紋發(fā)育擴(kuò)展規(guī)律以及應(yīng)力的變化規(guī)律[12]，并在山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，觀察現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果[13]，為高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透、提高抽采效果提供科學(xué)依據(jù)[14]。

1 壓裂增透機(jī)理

水力壓裂原理為通過(guò)高壓水破碎煤體，煤層中的裂隙和多級(jí)弱面的邊界區(qū)域因?yàn)楦邏核挠绊戦_(kāi)始支撐多級(jí)弱面壁[15]，從而膨脹破碎煤體，大量的裂隙得到張開(kāi)發(fā)育擴(kuò)展延伸，在高壓水持續(xù)注入下，裂縫裂隙源源不斷地延伸和擴(kuò)展，分割煤體的內(nèi)部，在分割過(guò)程中增大了煤層內(nèi)部體積，同時(shí)相互聯(lián)通的裂隙再次形成一個(gè)繁雜的網(wǎng)絡(luò)，迫使煤層分解壓裂，顯著提升透氣性[16-17]，水力壓裂裂隙演變?nèi)鐖D1所示。

2 建立數(shù)值模型

依據(jù)斜溝煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，構(gòu)建15 m×5 m的數(shù)值模擬模型，如圖2所示，將模型劃分為300×100的網(wǎng)格，同時(shí)填充實(shí)體材料。然后在模型的中間描繪r=0.056 5 m的圓，并填充空洞，用來(lái)作為數(shù)值模擬過(guò)程中的水力壓裂鉆孔，向模型的旁邊添加10 MPa的初始應(yīng)力，在模型的垂直方向施加19.5 MPa的初始應(yīng)力。模擬時(shí)將高壓水的初始?jí)毫υO(shè)置為8 MPa，然后每步升高0.15 MPa，從第一步開(kāi)始合計(jì)運(yùn)算開(kāi)挖50步，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 裂隙發(fā)生擴(kuò)展次序

圖2 壓裂模型

模型參數(shù)參數(shù)數(shù)值備注均質(zhì)度/m2在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得彈性模量均值E0/GPa8在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得抗壓強(qiáng)度均值σc/MPa12在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得摩擦角φ/(°)37查詢(xún)資料獲得泊松比μ0.25計(jì)算獲得壓拉比 C/T10計(jì)算獲得內(nèi)聚力/MPa0.22查詢(xún)資料獲得殘余強(qiáng)度系數(shù)ξ0.1查閱文獻(xiàn)得到滲透系數(shù)k/md-18.64×10-4查詢(xún)資料獲得瓦斯壓力/ MPa0.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定獲得

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓裂后裂隙裂紋擴(kuò)展延伸情況

壓裂過(guò)程中裂隙裂紋擴(kuò)展延伸情況如圖3所示。

圖3 壓裂過(guò)程裂隙裂紋擴(kuò)展情況

從圖3可以看出，鉆孔最外邊的水壓始終保持最高，外緣產(chǎn)生環(huán)形的水壓增高帶，伴隨注水壓力升高，環(huán)形的水壓增高帶面積逐漸擴(kuò)大，鉆孔內(nèi)裂紋裂隙持續(xù)生成和延伸，當(dāng)注水壓力為15.5 MPa時(shí)，在鉆孔附近發(fā)生局部破碎，鉆孔內(nèi)部弱面發(fā)生失穩(wěn)情況，裂紋裂隙源源不斷地向遠(yuǎn)處延伸，這時(shí)壓力值就是從鉆孔穩(wěn)定破壞到失穩(wěn)破壞的分界點(diǎn)，無(wú)需增加壓力，裂紋就可以持續(xù)向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，形成一系列新弱面，為后續(xù)水壓破裂煤體產(chǎn)生的裂隙裂紋運(yùn)移提供新的弱面，最后產(chǎn)生良好的相互交織貫通的多裂隙裂紋網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯運(yùn)移奠定基礎(chǔ)。

3.2 最大剪應(yīng)力變化情況

壓裂過(guò)程中最大剪應(yīng)力變化情況如圖4所示。

圖4(a)為注水壓力8 MPa的最大剪應(yīng)力變化情況，這時(shí)候在煤層鉆孔里面積存大量的高壓水，伴隨著壓力升高，鉆孔附近的應(yīng)力開(kāi)始重新分布，接著模擬計(jì)算以每步增加0.15 MPa，水壓開(kāi)始有序增大；當(dāng)注水壓力升高到11 MPa時(shí)，位于鉆孔較遠(yuǎn)地點(diǎn)的剪應(yīng)力處于增大狀態(tài)，而且距離鉆孔越近的剪應(yīng)力越大，這時(shí)候鉆孔附近逐漸產(chǎn)生微裂隙，附近區(qū)域的煤體呈現(xiàn)塑性狀態(tài)；當(dāng)水壓增加到14 MPa時(shí)，最大剪應(yīng)力一直增大，裂紋裂隙越來(lái)越多，當(dāng)注水壓力超過(guò)煤體粘結(jié)力與抗壓強(qiáng)度之和時(shí)，導(dǎo)致煤體開(kāi)始破壞，裂隙裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，一直向遠(yuǎn)離鉆孔的方向延伸；當(dāng)注水壓力升高至15.5 MPa時(shí)，計(jì)算停止，此時(shí)水力壓裂使煤層產(chǎn)生大量的裂隙，在鉆孔周?chē)l(fā)生局部破碎現(xiàn)象，向深孔運(yùn)移延伸擴(kuò)展的裂隙明顯增多，煤層破裂區(qū)域面積大，達(dá)到卸壓增透的目的。

圖5為有效影響半徑與注水壓力的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖5可知：當(dāng)水壓很小時(shí)，有效影響半徑升高的幅度也很小。當(dāng)注水壓力不斷升高，鉆孔內(nèi)的高壓水持續(xù)向深部運(yùn)移，滲透到楔形弱面裂隙中，原因是煤層中存在粘結(jié)力與地應(yīng)力，二者的相互作用導(dǎo)致注到煤層中的高壓水流動(dòng)速度明顯減慢，未能持續(xù)滲流，盡管水力壓裂的影響面積一直在增大，但裂縫裂隙演變速度減緩，最終有效影響半徑保持在7 m。

圖5 有效影響半徑與注水壓力的變化規(guī)律

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 鉆孔布置

在斜溝煤礦18205材料巷430 m處開(kāi)展水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，壓裂鉆孔布置如圖6所示，鉆孔深度為40 m，壓裂孔封孔長(zhǎng)度20 m，檢驗(yàn)孔封孔長(zhǎng)度8 m。設(shè)置最高注水壓力為16 MPa，以確保施工安全與封孔的質(zhì)量。通過(guò)觀察水從檢驗(yàn)孔流出的情況作為水力壓裂效果考核指標(biāo)。

圖6 鉆孔布置

4.2 水力壓裂效果考察

4.2.1 注水壓力的變化

壓裂開(kāi)始時(shí)，先壓裂4號(hào)壓裂孔，將注水的初始?jí)毫υO(shè)置為2 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中觀察得到當(dāng)壓力為12 MPa時(shí)，3號(hào)檢驗(yàn)孔內(nèi)開(kāi)始滲水，且滲水量越來(lái)越多，在孔壁周?chē)纬纱罅严?，鉆孔的孔壁發(fā)生碎小煤塊落下，形成鉆孔失穩(wěn)破裂現(xiàn)象，與模擬結(jié)果基本吻合。4號(hào)孔水壓變化如圖7所示。水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)共注水14 min，壓力保持16 MPa左右，注水量達(dá)到4.2 m3。

圖7 4號(hào)壓裂孔壓力變化情況

完成4號(hào)孔壓裂試驗(yàn)后，開(kāi)始對(duì)2號(hào)孔實(shí)施同樣壓裂步驟，2號(hào)壓裂孔水壓變化情況如圖8所示，由圖8得到，當(dāng)水壓升高到13 MPa時(shí)，壓力表指針不再變化，保持穩(wěn)定，此時(shí)發(fā)現(xiàn)1號(hào)、3號(hào)檢驗(yàn)孔內(nèi)并無(wú)水涌出。試驗(yàn)結(jié)果證明18205材料巷水力壓裂有效影響半徑超過(guò)7 m。

圖8 2號(hào)壓裂孔壓力變化情況

4.2.2 抽采效果分析

水力壓裂后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)鉆孔瓦斯抽采濃度和流量，收集數(shù)據(jù)，繪制壓裂前后的變化曲線(xiàn)，如圖9和圖10所示。

圖9 壓裂前后抽采濃度變化情況

圖10 壓裂前后抽采流量變化情況

從圖9得到，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯開(kāi)始自然衰減，未實(shí)施水力壓裂煤層區(qū)域的瓦斯?jié)舛扔筛叩降烷_(kāi)始衰減，從10.7%的高濃度降低至濃度2.1%，平均瓦斯抽采濃度為5.26%。實(shí)施壓裂措施后，顯著增大抽采濃度，從抽采濃度12.8%升高至34.7%，平均抽采濃度為23.28%，整體走向趨勢(shì)為高—低—高，這是因?yàn)閯傞_(kāi)始抽采時(shí)鉆孔內(nèi)部積聚大量的瓦斯在高速高壓水的影響下突然向檢驗(yàn)孔附近運(yùn)移擴(kuò)散，形成大量的高濃度瓦斯，接著高濃度的瓦斯跟著高壓水流出鉆孔，無(wú)數(shù)的瓦斯運(yùn)移通道再次得到貫通，煤層中的游離瓦斯由于負(fù)壓的影響運(yùn)移到抽采鉆孔中，再次產(chǎn)生大量的高濃度瓦斯，所以瓦斯抽采濃度又達(dá)到峰值，第4～8 d瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)31.08%。

由圖10可看出，水力壓裂完成后抽采純量明顯提高，變化范圍在0.012 9～0.087 9 m3/min，平均0.044 3 m3/min；然而未壓裂時(shí)鉆孔的抽采純量卻很低，只有0.001 34～0.012 2 m3/min，抽采平均濃度僅為0.004 59 m3/min。通過(guò)分析對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：壓裂影響區(qū)域濃度增大了3.43倍，瓦斯抽采純量提高8.65倍。

4.2.3 透氣性系數(shù)變化

壓裂完成后測(cè)定煤層的透氣性系數(shù)為1.18 m2/(MPa2·d)，而壓裂前煤層透氣性系數(shù)僅為0.082 m2/(MPa2·d)，提升13.4倍，明顯增大了18205工作面煤層的透氣性，確保了抽采效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 在高壓水的影響下，煤層內(nèi)部的新生裂隙經(jīng)歷三個(gè)階段：裂隙壓縮、裂隙穩(wěn)定延伸和裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展，不斷發(fā)育延伸的裂隙將鉆孔內(nèi)積聚的能量涌出，從而增大透氣性系數(shù)。

2) 通過(guò)在18205材料巷開(kāi)展壓裂增透試驗(yàn)，結(jié)果證明：壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔抽采濃度升高3.43倍，瓦斯抽采純量增大8.65倍，煤層的透氣性系數(shù)提高13.4倍，抽采效果得到明顯改善。