劉 樂，胡千庭，李全貴，姜志忠，武曉斌，宋明洋

(1.煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

水力壓裂是提高煤體滲透性的有效技術(shù)手段，能夠有效提高礦井瓦斯抽采率，達(dá)到增加煤層氣產(chǎn)量和降低煤與瓦斯突出危險性的目的[1-4]。水力壓裂過程中，水力壓裂工藝參數(shù)[5]、地層的賦存條件[6]、煤巖體結(jié)構(gòu)[7-8]等均會對水力壓裂效果產(chǎn)生影響。選擇合理的水力壓裂工藝參數(shù)可有效提高水力壓裂效果，對水力壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

壓裂液流量是水力壓裂工藝的關(guān)鍵參數(shù)之一。相關(guān)研究表明，流量不同時煤體產(chǎn)生的裂縫長度各不相同。許露露等[9]通過理論分析和現(xiàn)場試驗研究了水力壓裂液流量、壓裂液黏度、壓裂時間與裂縫長度之間的關(guān)系，結(jié)果表明流量越大，則裂縫越長，二者呈線性相關(guān)關(guān)系；趙瑜等[10]通過數(shù)值模擬對比了大流量、低黏度、較短的注入時間與小流量、高黏度、較長的注入時間施工方案的裂縫長度和縫內(nèi)凈壓力，其結(jié)果表明大流量可以產(chǎn)生較長的裂縫；林健等[11]研究了泵注流量對裂隙偏轉(zhuǎn)距的影響，結(jié)果表明隨泵流量增加，裂縫偏轉(zhuǎn)距明顯增大，裂縫長度會明顯增加。流量還影響著裂隙的演化方式，WAN Cheng等[12]研究了不同流量條件下裂隙擴展與天然裂隙的關(guān)系，表明低流量有助于溝通天然裂隙，高流量條件下裂縫容易穿過天然裂隙并產(chǎn)生新的裂隙；范鐵剛等[13]通過物理實驗研究了流量對裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的影響，表明控制流量能夠提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。流量還能控制試件的破裂壓力，王磊等[14]通過相似物理試驗發(fā)現(xiàn)流量與破裂凈壓力和起裂凈壓力有密切關(guān)系，流量越大，則破裂凈壓力和起裂凈壓力也越大；張帆[15]、何軍[16]等研究了流量與破裂壓力、壓裂時間的關(guān)系，表明流量越大，則破裂壓力越大，破裂時間越短。上述研究主要涉及不同流量條件下裂縫長度、裂隙擴展方式及破裂壓力的變化規(guī)律，但對不同流量引起的注入壓力變化與地應(yīng)力相互作用對水力壓裂的破裂壓力、裂隙擴展面積的研究鮮有報道。

筆者以100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件為研究對象，開展不同流量條件下的真三軸水力壓裂物理實驗。利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、示蹤劑及泵壓力采集系統(tǒng)，綜合分析不同流量引起注入壓力的變化規(guī)律和裂隙擴展面積，以期為水力壓裂工藝參數(shù)的設(shè)計提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

水力壓裂的技術(shù)原理是通過高壓泵向煤體注入壓裂液，在煤層內(nèi)形成逐漸增高的壓裂壓力，導(dǎo)致弱面產(chǎn)生微小裂隙并且受水壓作用持續(xù)起裂擴展，最終在煤體中形成貫穿的裂隙網(wǎng)絡(luò)，進而提高煤體的滲透性。裂隙網(wǎng)絡(luò)的來源主要有兩方面：水力壓裂過程中，壓裂液壓裂溝通了煤體原生裂隙并形成新的裂隙；高壓注入壓裂液導(dǎo)致煤體發(fā)生破裂，產(chǎn)生新的裂隙。裂隙網(wǎng)絡(luò)為瓦斯流動提供了通道，進而提高了煤體的透氣性，能夠達(dá)到增加煤層氣產(chǎn)量和降低煤與瓦斯突出危險性的目的。

向煤體注入壓裂液時，初始階段水力壓裂鉆孔的壓力逐漸向遠(yuǎn)端傳播，煤層的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。壓裂鉆孔注入壓力與煤層原始應(yīng)力共同作用使煤層破壞。煤礦井下水力壓裂技術(shù)通過穿層鉆孔壓裂目標(biāo)煤體。煤層水力壓裂示意圖及應(yīng)力變化云圖如圖1所示。

(a)煤層水力壓裂示意圖

根據(jù)彈性力學(xué)理論，文獻[17]通過理論計算出切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和垂直應(yīng)力的變化量，其中切向應(yīng)力與壓力的變化量的關(guān)系如式(1)所示[18]。水力壓裂過程中切向應(yīng)力對裂隙起裂擴展起著主導(dǎo)作用，此部分只討論切向應(yīng)力的變化。

(1)

式中：Δσt為切向應(yīng)力的變化量；E為彈性模量；J為線性孔隙壓力膨脹系數(shù)；Δp為壓力的變化量；ν為泊松比。

式(1)中，對于力學(xué)性質(zhì)相同的試件，E、J、ν均為定值，切向應(yīng)力的變化量與壓力的變化量呈正比關(guān)系。壓力的變化量由水力壓裂工藝引起的注入壓力的變化量和試件所處的應(yīng)力狀態(tài)共同決定。實驗中試件的應(yīng)力狀態(tài)均相同，只有注水壓力能改變壓力變化量，而注水壓力主要由水力壓裂流量控制。

筆者通過真三軸水力壓裂實驗系統(tǒng)研究不同流量與注入壓力的關(guān)系，進一步研究流量對試件的破裂壓力、聲發(fā)射特征及裂隙擴展面積的影響。

2 真三軸水力壓裂實驗

2.1 實驗裝置

真三軸水力壓裂實驗系統(tǒng)由三軸加載系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 真三軸水力壓裂實驗系統(tǒng)示意圖

三軸加載系統(tǒng)在真三軸水力壓裂罐體內(nèi)的3個方向均可實現(xiàn)獨立加載，壓力范圍為0～70 MPa。

泵注系統(tǒng)包括水箱、壓裂泵、染色劑容器及壓裂管路。壓裂泵可實現(xiàn)恒流、恒壓兩種注入模式，流量控制范圍為20～80 mL/min，最大壓力為60 MPa。染色劑容器裝有添加了紅色染色劑的壓裂液，以便于追蹤裂隙擴展的狀況。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括聲發(fā)射和泵壓力采集兩部分。通過DISP聲發(fā)射監(jiān)測裝置采集聲發(fā)射信號，在試件四周4個面每個對角線上分別布置2個聲發(fā)射探頭及相應(yīng)的前置放大器，放大器增益為40 dB。泵注管路中裝有壓力傳感器，用于實時監(jiān)測壓力，采樣頻率為5 Hz。

2.2 試件制備及實驗方案

本實驗使用相似材料制作100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件。相似材料分別為水泥(復(fù)合硅酸鹽水泥PC32.5R)、石膏、細(xì)沙、水。根據(jù)文獻[19]并按照質(zhì)量配比制作水泥試件：石膏∶煤粉∶清水=1∶1∶2。依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，將試件放在溫度(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。利用ZIZ-QC-400取芯機施工直徑為20 mm、深度為55 mm的壓裂孔，將預(yù)先加工好的壓裂管放入壓裂孔內(nèi)，并用環(huán)氧樹脂AB膠進行封孔。

考慮試件的濾失問題，根據(jù)參考文獻[20]的試件的單位面積初濾失量值，確定實驗中水力壓裂的流量分別為40、50、60、70 mL/min。

2.3 實驗流程

1)標(biāo)定好試件方向，將試件放入壓裂室中，在試件四周4個面每個對角線上分別布置2個聲發(fā)射探頭；

2)開始加載三軸壓力至額定值以模擬試件真實的應(yīng)力狀態(tài)；

3)啟動泵注系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時采集并記錄實驗數(shù)據(jù)；

4)壓裂液由實驗裝置漏出時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)停止工作，卸載圍壓至0 MPa；

5)取出試件，沿著表面裂隙將試件剖開，觀察紅色示蹤劑分布，觀察并記錄試件的裂隙情況;

6)通過泵壓力數(shù)據(jù)、聲發(fā)射信號、裂隙宏觀擴展情況對壓裂效果進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 泵壓力及聲發(fā)射定位特征

不同流量的泵壓力曲線和壓裂過程中不同時刻的聲發(fā)射信號定位圖如圖3所示。

圖3 不同流量泵壓力曲線及聲發(fā)射信號定位圖

由圖3可知，所有試件壓力曲線的變化趨勢相近，都經(jīng)歷了儲液─上升─下降─穩(wěn)定4個階段。分別選取壓力曲線的破裂壓力、1/2破裂壓力及穩(wěn)定壓力時(標(biāo)記為T1、T2、T3時刻)的聲發(fā)射信號定位圖，考察分析不同時刻水力壓裂裂隙擴展情況。

相同實驗條件下，不同流量的泵壓力曲線各不相同。壓裂液儲滿試件壓裂腔體的時間不同，流量越大則儲液時間越短。壓裂液儲滿試件壓裂腔體后，壓力會迅速上升并達(dá)到試件破裂壓力，流量越大則達(dá)到破裂壓力的時間越短，對應(yīng)壓力曲線斜率越大；破裂壓力大小也各不相同，流量為40、50、60、70 mL/min時對應(yīng)的試件破裂壓力分別為1.48、1.95、3.68、4.29 MPa，破裂壓力隨流量增加而增大。試件破裂之后，泵壓力持續(xù)下降，下降到一定程度后進入穩(wěn)定階段，此階段泵壓力在某一很小區(qū)間內(nèi)波動。壓力下降階段，流量越大則壓力下降的速度越快。這是由于流量越大，試件破裂瞬間形成的裂隙體積也越大，會形成更大的儲液空間，導(dǎo)致壓力下降快。穩(wěn)定壓力階段，泵壓力主要克服試件裂隙的摩擦阻力，實驗結(jié)果表明穩(wěn)定壓力隨著流量的增加而增大，即不同流量條件下的壓裂實驗完成后試件裂隙的摩擦阻力隨流量的增加而增加。

本實驗采用相同材質(zhì)的試件，其力學(xué)參數(shù)均相同，式(1)中E、J、ν均是定值，壓力變化量主要受注入壓力和試件所受地應(yīng)力共同作用影響。試件所受的應(yīng)力環(huán)境亦相同，故流量引起的注入壓力變化量決定了壓力變化量。取單位時間壓力上升大小為流量引起的注入壓力變化量，不同流量引起的注入壓力變化量和試件破裂壓力如圖4所示。

圖4 試件破裂壓力、注入壓力變化量與流量關(guān)系曲線

由圖4可知，隨流量增加，注入壓力變化量呈增加趨勢。式(1)中切向應(yīng)力變化量與壓力變化量成正比，切向應(yīng)力變化量隨流量增加而增大。試件破裂壓力隨流量增加而增加，與流量引起切向應(yīng)力變化的理論計算結(jié)果一致。

選取的不同時刻聲發(fā)射信號定位圖可以清晰地反映裂隙的擴展過程。T1時刻，即壓力達(dá)到破裂壓力時，所有試件在中心位置均產(chǎn)生聲發(fā)射信號。1#、2#和3#試件的聲發(fā)射信號主要分布在xz平面內(nèi)，垂直方向的信號極少，而4#試件的聲發(fā)射信號均沿著y軸方向分布，這是由于流量過大，使試件壓裂腔體內(nèi)部壓力過大導(dǎo)致裂縫沿壓裂管方向擴展，直至試件被破壞。T2時刻，1#、2#和3#試件的聲發(fā)射信號主要集中在最大主應(yīng)力方向，隨著流量增加，聲發(fā)射信號在y軸方向的分布呈增加趨勢；4#試件裂縫繼續(xù)沿著y軸方向擴展，在xz平面聲發(fā)射信號分布很少。聲發(fā)射信號在最大主應(yīng)力方向只分布在壓裂管的一側(cè)，這可能與試件三軸應(yīng)力的加載方式或裂隙起裂的位置有關(guān)。隨后聲發(fā)射信號基本沿著T2時刻的分布方向繼續(xù)產(chǎn)生。

3.2 水力壓裂裂隙擴展面積

結(jié)合聲發(fā)射定位信號在xz平面的投影與染色劑在試件內(nèi)的分布情況，可有效反映水力壓裂裂隙擴展面積，如圖5所示。

圖5 水力壓裂裂隙擴展面積

根據(jù)圖5中試件剖開后染色劑的分布情況，測量染色劑侵染試件的長和寬，可計算出裂隙擴展的大概面積。1#試件聲發(fā)射信號主要分布在xz平面中最大主應(yīng)力右偏15°處，在最大主應(yīng)力方向紅色染色劑呈長方形分布，面積約為30 cm2；2#試件聲發(fā)射信號數(shù)量較少，在xz平面中最大主應(yīng)力方向左偏10°呈直線形分布，與1#試件聲發(fā)射信號分布保持一致，紅色染色劑基本充滿了壓裂管最大主應(yīng)力方向一側(cè)，其面積約為50 cm2；3#試件聲發(fā)射信號分布在xz平面中的面積最大，紅色染色劑侵染了整個試件，呈長方形分布，其面積約為95 cm2；4#試件聲發(fā)射信號集中在xz平面壓裂管周圍，基本沒有擴展，剖開試件后發(fā)現(xiàn)，裂隙沿著壓裂管方向?qū)ㄔ嚰撞繉?dǎo)致壓裂液漏出，其面積最小，約為15 cm2。水力壓裂裂隙面積隨流量先增加后減小。

綜上所述，流量對水力壓裂裂隙擴展面積的影響至關(guān)重要，提高水力壓裂液流量可以增加裂隙擴展的面積，有助于形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)流量過大時，破裂壓力增高容易形成形態(tài)單一、擴展范圍小的裂隙，不利于形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

1)相同實驗條件下，水力壓裂液不同流量引起的注入壓力變化產(chǎn)生了不同的破裂壓力，流量與注入壓力變化量、破裂壓力呈正相關(guān)關(guān)系。

2)不同流量的泵壓力曲線都經(jīng)歷了儲液─上升─下降─穩(wěn)定4個階段；流量越大則儲液時間越短、壓裂曲線上升和下降的周期越短、穩(wěn)定壓力越高。

3)裂隙擴展面積隨流量增加而增加，當(dāng)流量為 60 mL/min時，裂隙擴展的面積最大，壓裂效果最佳；但當(dāng)流量超過 60 mL/min 時，容易形成形態(tài)單一、擴展范圍小的裂隙網(wǎng)絡(luò)，水力壓裂效果會明顯降低。