李 文，王廣宏，歐 聰，李守瑞，李向往，趙華軍，劉建華，趙 壁

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

目前井下定向遠(yuǎn)距離鉆進(jìn)及水力壓裂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤層瓦斯治理，應(yīng)用結(jié)果表明定向長(zhǎng)鉆孔及水力壓裂技術(shù)能夠有效提高煤層瓦斯抽采效率，降低瓦斯治理成本[1-2]。針對(duì)低滲碎軟難以實(shí)現(xiàn)本煤層遠(yuǎn)距離成孔的煤層巷道瓦斯治理，定向長(zhǎng)鉆孔目前多采用煤層頂?shù)装宕邮釥罘种Э椎牟伎追绞剑瑸榱嗽黾鱼@孔泄壓范圍，其分支孔多沿煤層巷道走向鉆進(jìn)，并一味追求煤層段鉆孔進(jìn)尺；對(duì)于可實(shí)現(xiàn)本煤層遠(yuǎn)距離成孔的碎軟低滲煤層巷道瓦斯治理，定向長(zhǎng)鉆孔多采用本煤層羽狀、梳狀分支孔的布孔方式。然而目前對(duì)于井下定向長(zhǎng)鉆孔的水力壓裂基本是利用已施工的定向抽采長(zhǎng)鉆孔為基礎(chǔ)實(shí)施水力壓裂，與定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂有關(guān)的研究多以描述壓裂工藝流程、壓裂效果考察為主[3-4]，很少有依據(jù)與裂隙延伸擴(kuò)展密切相關(guān)的煤層巷道所處地應(yīng)力環(huán)境的特點(diǎn)而采取最有利布孔方式的考察，因此往往存在壓裂參數(shù)選取不合理、對(duì)裂隙起裂壓力、起裂位置及延伸擴(kuò)展規(guī)律把握不準(zhǔn)等問(wèn)題，基本難以實(shí)現(xiàn)最有利的壓裂效果。為了避免新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂的盲目性，基于2130煤礦實(shí)際地質(zhì)情況，利用RFPA2D-FIOW軟件通過(guò)數(shù)值模擬手段，開(kāi)展基于一定地應(yīng)力條件下定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂模擬研究并應(yīng)用于工程實(shí)踐，以期為低滲突出煤層巷道瓦斯治理工作提供技術(shù)支持。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)概況

新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井所處大地構(gòu)造位置位于北天山褶皺帶南部，距中天山褶皺帶很近。在構(gòu)造體系圖上，位于東西向構(gòu)造和北西西向構(gòu)造帶的復(fù)合部位，該部位構(gòu)造應(yīng)力集中，動(dòng)力變質(zhì)作用明顯，煤層受到強(qiáng)烈的擠壓、剪切變形，煤層與巖層之間普遍發(fā)育層間滑脫作用。依據(jù)新疆自治區(qū)煤礦瓦斯地質(zhì)圖，2130煤礦位于吐哈盆地高突瓦斯帶與準(zhǔn)南逆沖推覆高突瓦斯帶的交匯部位，歷史上2130煤礦發(fā)生過(guò)1次中型突出，突出煤量879 t、瓦斯量26 496 m3[5]。

1.2 地應(yīng)力特點(diǎn)

利用空心包體應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)的礦區(qū)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)行了相應(yīng)的線性回歸分析，得出的三大主應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律如式（1）：

式中：σZ為垂直主應(yīng)力，MPa；H為煤層埋深，m；σH為水平最大主應(yīng)力，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa。

水平最大主應(yīng)力傾角在-15.62°～-20.50°，方位在206.33°～213.24°，與區(qū)域主要地質(zhì)構(gòu)造傾向（新疆天山應(yīng)力區(qū)）基本一致。水平最小主應(yīng)力方位與區(qū)域主要地質(zhì)構(gòu)造走向基本一致，傾角與水平面約呈40°。垂直主應(yīng)力基本上等于巖體自重應(yīng)力，其平均比值為0.93～1.17。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

定向長(zhǎng)鉆孔施工時(shí)，鉆孔在煤層中鉆進(jìn)距離可達(dá)幾十米至上百米，由彈性力學(xué)理論可知，當(dāng)1個(gè)位于無(wú)限體中的鉆孔受到無(wú)限遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場(chǎng)的作用時(shí)，離開(kāi)鉆孔端部一定距離的部位處于平面應(yīng)變狀態(tài)，因而可將整個(gè)計(jì)算模型作平面應(yīng)變模型考慮[6]。據(jù)有關(guān)研究表明，當(dāng)所取地層模型尺寸為鉆孔孔徑的20倍以上時(shí)，可忽略邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響[7]，由于定向長(zhǎng)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工孔徑為96 mm，因此，此次建立尺寸大小為5 m×5 m方形模型，作單元?jiǎng)澐譃?00×300=90 000個(gè)，且在模型中部開(kāi)挖直徑為100 mm的圓形空洞，用以表示煤層中的壓裂鉆孔，即可滿足模擬的需求，在模型周邊以應(yīng)力邊界條件的方式施加鉆孔所受到的2個(gè)主應(yīng)力，在鉆孔內(nèi)部邊緣施加滲流載荷p。水力壓裂模型如圖1。

圖1水力壓裂模型Fig.1 Hydraulic fracturing model

建立的各數(shù)值計(jì)算模型單元所需力學(xué)參數(shù)如彈性模量、強(qiáng)度、泊松比等，均是來(lái)自于煤層實(shí)測(cè)資料且按照Weibull分布函數(shù)隨機(jī)賦值各計(jì)算單元中的，鑒于新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦煤巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并參考已有類似性質(zhì)煤巖體數(shù)值模擬研究，此次選取均質(zhì)度為3來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬所需煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模型參數(shù)來(lái)自于2130煤礦4號(hào)煤層。

表1 數(shù)值模擬所需煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Coal and rock mechanical parameters required for numerical simulation

2.2 模擬方案

模擬主要考察2130煤礦4號(hào)煤層埋深500 m水平應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，鉆孔布孔方式對(duì)水力壓裂起裂壓力、起裂位置及裂隙延伸擴(kuò)展規(guī)律的影響。依據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，2130煤礦煤層埋深500 m時(shí)的應(yīng)力分布特征見(jiàn)表2。

表2 2130煤礦埋深500 m時(shí)的應(yīng)力分布特征Table 2 Distribution characteristics of principal stress at 500 m buried depth of 2130 coal mine

在無(wú)構(gòu)造應(yīng)力作用的條件下，應(yīng)力滿足式（2）：

式中：μ為煤體泊松比，無(wú)量綱。

依據(jù)2130煤礦4號(hào)煤層泊松比可求得礦區(qū)側(cè)壓系數(shù)σH/σZ或σh/σZ為0.43，對(duì)比表2可知，礦區(qū)埋深500 m水平最大主應(yīng)力受構(gòu)造應(yīng)力影響較大，其構(gòu)造系數(shù)達(dá)到0.84，符合2130煤礦所在艾維爾溝礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置的應(yīng)力狀態(tài)。

2.3 布孔方式對(duì)水力壓裂的影響

2.3.1 沿水平最小主應(yīng)力方向布孔

當(dāng)沿水平最小主應(yīng)力方向布孔時(shí)，鉆孔受到的σZ=10.876 MPa、σH=8.601 MPa，應(yīng) 力 差 為2.275 MPa，初始滲流載荷設(shè)計(jì)為6 MPa，步長(zhǎng)100步，每步增量0.1 MPa，最大載荷16 MPa。沿水平最小主應(yīng)力方向布孔時(shí)水力壓裂裂隙擴(kuò)展特征如圖2。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，沿水平最小主應(yīng)力方向布孔時(shí)，隨著初始滲流載荷的增加，模型首先以發(fā)生彈塑性形變?yōu)橹?，孔徑不斷擴(kuò)大并產(chǎn)生剪切損傷，但沒(méi)有產(chǎn)生明顯破裂，孔隙水壓力呈圓環(huán)狀由鉆孔向四周依次均勻降低；隨著滲流載荷的進(jìn)一步增加，模型達(dá)到強(qiáng)度極限而發(fā)生初始破裂，破裂壓力為12.2 MPa，破裂方式以拉張破裂為主，只在裂隙的尖端處產(chǎn)生分散狀剪切破裂，且破裂強(qiáng)度隨著滲流載荷的增加而逐漸加強(qiáng)，裂隙面的粗糙程度隨著滲流載荷的增加而逐漸加強(qiáng)，裂隙主要沿著最大主應(yīng)力方向（垂直主應(yīng)力方向）以線性延伸擴(kuò)展為主，只是在較高滲流載荷時(shí)，線性裂隙的尖端逐漸產(chǎn)生扇狀剪切破壞圈。

2.3.2 沿水平最大主應(yīng)力方向布孔

圖2 沿水平最小主應(yīng)力方向布孔時(shí)水力壓裂裂隙擴(kuò)展特征Fig.2 Fracture propagation characteristics of hydraulic fracturing when holes are arranged along the horizontal minimum principal stress direction

當(dāng)沿水平最大主應(yīng)力方向布孔時(shí)，鉆孔受到的σZ=10.876 MPa、σh=5.215 MPa，應(yīng) 力 差 為5.661 MPa，初始滲流載荷設(shè)計(jì)為2 MPa，步長(zhǎng)80步，每步增量0.1 MPa，最大載荷10 MPa。沿水平最大主應(yīng)力方向布孔時(shí)水力壓裂裂隙擴(kuò)展特征如圖3。

圖3 沿水平最大主應(yīng)力方向布孔時(shí)水力壓裂裂隙擴(kuò)展特征Fig.3 Fracture propagation characteristics of hydraulic fracturing when holes are arranged along the horizontal maximum principal stress direction

由圖3可以看出，沿水平最大主應(yīng)力方向布孔時(shí)，隨著初始滲流載荷的增加，模型首先以發(fā)生彈塑性形變?yōu)橹?，孔壁不斷產(chǎn)生剪切損傷但并沒(méi)有產(chǎn)生明顯破裂，孔隙水壓力呈圓環(huán)狀均勻分布，隨著滲流載荷的進(jìn)一步增加，模型達(dá)到強(qiáng)度極限而發(fā)生明顯剪切破裂，破裂壓力為4.8 MPa，整個(gè)破裂過(guò)程中始終以剪切破裂為主，伴隨有一定的拉伸破壞。模型剪切破裂強(qiáng)度隨著滲流載荷的增加而逐漸加強(qiáng)，在較低滲流載荷階段，主裂隙主要沿著與最大主應(yīng)力方向約呈32°角以共軛“X”型延伸擴(kuò)展為主，在較高滲流載荷階段，“X”型共軛主裂隙左右支之間產(chǎn)生進(jìn)一步的擴(kuò)散剪切破壞。

2.3.3 沿垂直主應(yīng)力方向布孔

當(dāng)沿垂直主應(yīng)力方向布孔時(shí)，鉆孔受到的σH=8.601 MPa、σh=5.215 MPa，應(yīng)力差3.386 MPa，初始滲流載荷設(shè)計(jì)為5 MPa，步長(zhǎng)70步，每步增量0.1 MPa，最大載荷12 MPa。沿垂直主應(yīng)力方向布孔時(shí)水力壓裂裂隙擴(kuò)展特征如圖4。

圖4 沿垂直主應(yīng)力方向布孔時(shí)水力壓裂裂隙擴(kuò)展特征Fig.4 Fracture propagation characteristics of hydraulic fracturing when holes are arranged along the direction of vertical principal stress

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，沿垂直主應(yīng)力方向布孔時(shí)，隨著初始滲流載荷的增加，模型首先以產(chǎn)生彈塑性形變?yōu)橹?，孔徑不斷擴(kuò)大，孔壁不斷出現(xiàn)拉伸、剪切損傷但并產(chǎn)生明顯破裂，孔隙水壓力呈圓環(huán)狀均分布，隨著滲流載荷的進(jìn)一步增加，模型達(dá)到強(qiáng)度極限而發(fā)生破裂，破裂壓力為7.1 MPa，在整個(gè)滲流載荷加載過(guò)程中，拉張、剪切2種破裂方式始終共存，共同主控破裂樣式，在較低滲流載荷時(shí)，裂隙模式單一，較高滲流載荷時(shí)，在裂隙的兩端產(chǎn)生大范圍的樹(shù)根狀剪切破裂圈。裂隙破裂強(qiáng)度隨著滲流載荷的增加而逐漸加強(qiáng)，初期，拉張裂隙受到剪切作用的影響，延伸擴(kuò)展方向偏離最大主應(yīng)力方向，主要沿著與主應(yīng)力方向呈42°夾角延伸擴(kuò)展，后期，裂隙受到拉張作用影響主要沿著最大主應(yīng)力方向延伸擴(kuò)展。

2.3.4 模擬結(jié)果

目前水力壓裂設(shè)計(jì)過(guò)程中廣泛使用的巖石起裂壓力計(jì)算公式有HubbertWillis（H－W）公式（式（3））和Haimson—Fairhurst（H－F）公式（式（4））[8-9]：

式中：pb為起裂壓力，MPa；T為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；p0為巖石初始孔隙壓力，MPa；v為煤體泊松比，無(wú)量綱；η=a（1-2v）/2-2v，a=0.8，0≤η≤0.5。

H-W公式適用于非滲透性巖石，故計(jì)算的起裂壓力偏大，可作為驗(yàn)證計(jì)算的上限，H-F公式適用于滲透性巖石，故計(jì)算的起裂壓力偏小，可作為驗(yàn)證計(jì)算的下限，埋深500 m水平水力水力壓裂起裂壓力見(jiàn)表3。

表3 埋深500 m水平水力壓裂起裂壓力Table 3 Initiation pressure of 500 m horizontal hydraulic fracturing

從計(jì)算結(jié)果可以看出，通過(guò)模擬計(jì)算求解的巖石起裂壓力在2個(gè)起裂壓力理論解析解的上下限之間，并且接近于理論上限值，這是因?yàn)槟繕?biāo)煤層屬于特低滲煤層，滲透率極低（0.004 85×10-15m2）接近于非滲透性巖層，同時(shí)說(shuō)明此次模擬結(jié)果是可靠的。

綜上所述，針對(duì)新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦埋深500 m水平條件，采取不同的布孔方式，其對(duì)水力壓裂起裂壓力、起裂位置及裂隙延伸擴(kuò)展規(guī)律具有不同的影響，布孔方式的不同，歸根到底是鉆孔所處地應(yīng)力環(huán)境不同，其中隨著應(yīng)力差的增大，水力壓裂起裂壓力逐漸減小，裂隙延伸擴(kuò)展方式逐漸由拉張破裂過(guò)渡為剪切破裂，這與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果是一致的[10]。同時(shí)，隨著布孔方式的不同，裂隙延伸擴(kuò)展同樣長(zhǎng)度所需的滲流載荷大小具有明顯差異，沿水平最大主應(yīng)力方向布置壓裂鉆孔時(shí)，所需的滲流載荷最小，其次為沿垂直主應(yīng)力方向，最大為沿水平最小主應(yīng)力方向。

3 工程應(yīng)用

定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂試驗(yàn)點(diǎn)為2130煤礦4號(hào)煤層24223運(yùn)輸巷，巷道平均埋深約500 m。4號(hào)煤層為2130煤礦主采煤層之一，被鑒定為煤與瓦斯突出煤層，煤層走向近東西向，傾角為37°～42°，平均厚度9 m，煤層透氣性系數(shù)為0.194 m2/（MPa2·d），堅(jiān)固性系數(shù)0.54，煤層破壞類型II～Ⅲ類。

根據(jù)前文模擬結(jié)果，且壓裂工程設(shè)計(jì)以壓裂壓力低、壓裂鉆孔施工少、裂隙延伸擴(kuò)展范圍大為目標(biāo)，選取沿水平最大主應(yīng)力方向布置壓裂鉆孔，這種布孔方式下，裂隙延伸擴(kuò)展方向既可以照顧到煤層走向和法向，同時(shí)也可以照顧到煤層傾向，此時(shí)主裂隙主要沿著與垂直主應(yīng)力約呈32°角以共軛“X”型延伸擴(kuò)展為主，而由前文可知，水平最小主應(yīng)力與水平面約呈40°角，因此共軛“X”型剪切主裂隙的左支與水平面約呈18°延伸擴(kuò)展，右支與水平面約呈82°延伸擴(kuò)展，2130煤礦4號(hào)煤層平均厚度為9 m，在煤層走向延伸擴(kuò)展距離約為27 m，法相延伸擴(kuò)展距離為煤層厚度?？紤]到4號(hào)煤層難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成孔，因此壓裂鉆孔設(shè)計(jì)為穿煤層頂板梳狀鉆孔，分支孔間距設(shè)計(jì)為30 m，最大壓力設(shè)計(jì)為30 MPa，為滿足巷道掘進(jìn)要求，此次共設(shè)計(jì)施工3個(gè)梳狀定向長(zhǎng)鉆孔，控制巷道走向300 m，定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)、竣工參數(shù)分別見(jiàn)表4、表5。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，3個(gè)梳狀定向長(zhǎng)鉆孔總進(jìn)尺3 909 m，總見(jiàn)煤段315 m，梳狀定向長(zhǎng)鉆孔竣工軌跡平面圖如圖5。

表4 定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)Table 4 Directional long drilling layout parameters

表5 定向長(zhǎng)鉆孔竣工參數(shù)Table 5 Completion parameters of directional long borehole

圖5 梳狀定向長(zhǎng)鉆孔竣工軌跡平面圖Fig.5 Directional long borehole trajectory plan

鉆孔采用封孔器封孔后，連接注水管路及設(shè)備實(shí)施壓裂，并時(shí)刻監(jiān)測(cè)注水壓力與流量變化。通過(guò)在孔口安裝壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)孔內(nèi)壓力變化的遠(yuǎn)距離精確監(jiān)測(cè)，流量及累計(jì)注入量通過(guò)安裝在泵注系統(tǒng)管路中的流量計(jì)實(shí)施監(jiān)控。3個(gè)壓裂鉆孔的起裂壓力介于4.9～5.2 MPa，最大壓力介于21～26 MPa，其中起裂壓力與模擬結(jié)果4.8 MPa非常接近，進(jìn)一步說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的，3個(gè)鉆孔的起裂壓力與最大壓力之所以表現(xiàn)為依次降低，是由于壓裂順序影響所致，1號(hào)孔最先壓裂，然后依次為2號(hào)孔、3號(hào)孔。鉆孔壓裂完后1個(gè)月，瓦斯抽采效果對(duì)比如圖6。

圖6 瓦斯抽采效果對(duì)比Fig.6 Comparison of gas drainage effects

由圖6可知，抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)和流量均表現(xiàn)出先增大，后減小至穩(wěn)定狀態(tài)的特征，平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為17.7%，平均抽采純瓦斯流量為1.53 m3/min，相比前期該水平沿煤層巷道走向布孔水力壓裂措施，抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了2.7倍，抽采純瓦斯量提高了11.8倍。

4結(jié)論

1）沿水平最大主應(yīng)力方向布置壓裂鉆孔時(shí)，起裂壓力為4.8 MPa，主裂隙主要沿著與垂直主應(yīng)力方向約呈32°角以共軛“X”型延伸擴(kuò)展為主，破裂方式主要為剪切破裂。

2）沿水平最小主應(yīng)力方向布置壓裂鉆孔時(shí)，起裂壓力為12.2 MPa，主裂隙主要沿著垂直主應(yīng)力方向延伸擴(kuò)展，破裂方式主要為拉張破裂。

3）沿垂直主應(yīng)力方向布置壓裂鉆孔時(shí)，起裂壓力為7.1 MPa，主裂隙先與水平最大主應(yīng)力方向約呈42°角延伸擴(kuò)展為主，隨后轉(zhuǎn)為沿水平最大主應(yīng)力方向延伸擴(kuò)展，破裂方式既有剪切破裂，也有拉張破裂。

4）采用沿水平最大主應(yīng)力方向布置壓裂鉆孔實(shí)施壓裂后，起裂壓力介于4.9～5.2 MPa，平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為17.7%，平均抽采純瓦斯流量為1.53 m3/min，相比于前期該水平沿煤層巷道走向布孔水力壓裂措施，抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高了2.7倍，抽采純瓦斯量提高了11.8倍。