王長(zhǎng)祿

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100013)

我國(guó)多數(shù)煤層具有非均質(zhì)性、高瓦斯和低滲透的特點(diǎn)[1],致使煤層瓦斯抽采難度大,瓦斯災(zāi)害的危險(xiǎn)性大,故很難直接運(yùn)用瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行抽采瓦斯,通常運(yùn)用高效的增透技術(shù)來(lái)增加煤層的透氣性[2-3]。水力壓裂相對(duì)安全可靠、使用成本較低、增透效果明顯,故水力壓裂逐漸成為增加煤層透氣性的前沿技術(shù)之一。

水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油領(lǐng)域[4]。目前,此技術(shù)也普遍被用于煤層瓦斯增透,眾多科研人員對(duì)此開(kāi)展了大量研究,在理論、實(shí)驗(yàn)、模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方面取得顯著成果?？导t普等[5]通過(guò)理論研究,得到了煤層在進(jìn)行水力壓裂過(guò)程中煤巖表面的損傷應(yīng)力分布變化規(guī)律特征;郭印同等[6]基于頁(yè)巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)煤層水力壓裂后,可產(chǎn)生于煤層紋理垂直的裂隙,并與紋理面開(kāi)裂后產(chǎn)生的裂隙交匯,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀的裂縫;Olovyanny[7]利用模擬手段分析了不同水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力比率、埋深等因素對(duì)水力壓裂效果的影響規(guī)律;林柏泉等[8]基于模擬和工程試驗(yàn)方法,得到了煤層水力壓裂對(duì)煤體的損壞分布特征,并發(fā)現(xiàn)瓦斯壓力是影響壓力效果的主導(dǎo)因素;Zhang等[9]自主搭建水力壓裂真三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),得到了煤巖水力壓裂的裂隙分布規(guī)律。

雖然水力壓裂增透技術(shù)有著諸多優(yōu)點(diǎn),但是常規(guī)的水力壓裂主裂縫擴(kuò)展的不可控導(dǎo)致壓裂裂縫分布不規(guī)律,壓裂孔群難以貫通形成裂隙網(wǎng),損傷破壞區(qū)域范圍小,壓裂后煤層增透效果有限,難以發(fā)揮增透效果。故有學(xué)者提出定向或者導(dǎo)向水力壓裂技術(shù),運(yùn)用控制孔來(lái)引導(dǎo)水力壓裂的裂縫發(fā)展[10]。但是控制孔對(duì)煤層造成的損傷面相對(duì)較小,對(duì)水力壓裂的引導(dǎo)能力相對(duì)較弱,需要一種可以產(chǎn)生較大裂縫或者損傷面的手段來(lái)引導(dǎo)水力壓裂主裂縫。而水力切槽就具備這一特點(diǎn),水力切槽相等于拓寬鉆孔底部損傷范圍。本文采用水力切槽先對(duì)煤體造成損傷弱面,以此來(lái)引導(dǎo)水力壓裂裂縫的拓展發(fā)育。對(duì)切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)的原理進(jìn)行了分析,構(gòu)建了切槽與水力壓裂聯(lián)合增透模型,運(yùn)用Abaqus模擬軟件模擬了水力切槽對(duì)水力壓裂裂隙的拓展導(dǎo)向,最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)的可行性,以期通過(guò)本文的導(dǎo)向復(fù)合增透技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂技術(shù)運(yùn)用實(shí)施提供理論參考。

1 聯(lián)合增透技術(shù)原理分析及模型構(gòu)建

1.1 水力切槽卸壓增透機(jī)理及模型

水力切槽可以等效成底部拓寬孔徑的橫向范圍[11],模型如圖1所示,切槽后,煤體損傷范圍相當(dāng)于鉆孔半徑的10～16倍,卸壓范圍也隨之增大。所以,水力切槽對(duì)水力壓裂的引導(dǎo)能力更強(qiáng)。切槽周?chē)后w出現(xiàn)裂隙,煤體強(qiáng)度降低,卸壓區(qū)和損傷區(qū)的范圍擴(kuò)大。因此,對(duì)于滲透率較低的煤層,運(yùn)用水力切槽技術(shù)來(lái)進(jìn)行卸壓增透能夠取得顯著的效果。

圖1 水力切槽模型Fig.1 Hydraulic groove cutting model

1.2 水力壓裂增透機(jī)理及模型分析

通常,井下水力壓裂過(guò)程中,當(dāng)裂縫起裂壓力大于煤體自身的斷裂所需應(yīng)力時(shí),煤體開(kāi)始出現(xiàn)微小裂隙,隨著注水壓力不斷增大,之后微裂縫開(kāi)始擴(kuò)展成主裂縫。煤層水壓壓裂增透模型如圖2所示。煤體水力壓裂增透后,由于受到地應(yīng)力較大或者水壓不足的影響,裂縫通常為一條主裂縫,很難再形成較大的裂縫分支,只是在主裂縫周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生微小裂隙,導(dǎo)致主裂縫兩邊的煤體沒(méi)有損壞。此時(shí),在主裂縫兩側(cè)會(huì)形成2個(gè)“空白帶”,空白帶是裂縫發(fā)育不均勻?qū)е碌?空白帶的形成致使增透效果不理想,而且空白帶存在著瓦斯突出的危險(xiǎn)。同時(shí),裂隙發(fā)育不均勻,壓裂孔群難以貫通形成裂隙網(wǎng),損傷破壞區(qū)域范圍小;常規(guī)壓裂由于起裂壓力過(guò)高,造成微裂隙不發(fā)育,或者發(fā)育困難,壓裂后煤層增透效果有限,難以發(fā)揮增透效果。因此,控制水力壓裂裂縫擴(kuò)展,提高微裂隙發(fā)育程度,是煤層水力壓裂增透工藝的重要環(huán)節(jié)。

圖2 單一水力壓裂模型Fig.2 Single hydro-fracturing model

1.3 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透模型

基于以上對(duì)水力切槽和水力壓裂的原理及模型分析,提出了水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù),通過(guò)水力切槽產(chǎn)生的大范圍損傷來(lái)引導(dǎo)水力壓裂裂隙的發(fā)育。孔內(nèi)切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透模型如圖3所示。水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)通常首先進(jìn)行切槽作業(yè),待切槽周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)逐漸穩(wěn)定后再進(jìn)行水力壓裂,切槽孔布置在壓裂孔周?chē)?/p>

圖3 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透模型Fig.3 Model of hydraulic fracturing joint antireflection of hydraulic grooving guided

1.4 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)原理

1.4.1 切槽煤巖卸壓應(yīng)力—損傷場(chǎng)的重構(gòu)效應(yīng)

由切槽增透機(jī)理可知[12],煤層鉆孔進(jìn)行切槽后,周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化,其中垂直于切槽面方向的應(yīng)力變化較為明顯,切槽導(dǎo)致煤體卸壓塑性區(qū)的三向應(yīng)力轉(zhuǎn)化二向應(yīng)力。煤體切槽后二次應(yīng)力場(chǎng)σ′滿(mǎn)足:

(1)

其中,Vm為煤體體積;Sk為邊界面S中裂紋面積,則VL煤體平均應(yīng)力為:

(2)

1.4.2 切槽導(dǎo)控水力壓裂與裂隙網(wǎng)構(gòu)建

控制單位內(nèi)煤巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變,通常情況下應(yīng)力將升高,三向應(yīng)力分布狀態(tài)也會(huì)變化,切槽造成的損傷弱面會(huì)引導(dǎo)水力壓裂裂縫發(fā)展,最終水力壓裂裂縫與切槽裂隙形成網(wǎng)狀裂隙。根據(jù)有效應(yīng)力—滲透率方程,卸壓區(qū)滲透率沿x、y方向?yàn)閇13]:

(3)

煤體在應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程中的滲透率變化規(guī)律為先降低、再升高、最后再降低,在未達(dá)到峰值應(yīng)力前,煤體滲透率會(huì)隨著裂隙發(fā)育而增大。根據(jù)Poiseulle方程流量q為[13]:

(4)

式中,m為裂紋數(shù)目;lb為截面積;L為長(zhǎng)度。

由達(dá)西定律可知[13]:

(5)

煤層滲透率k0為:

(6)

2 切槽導(dǎo)向水壓裂聯(lián)合增透模擬

2.1 數(shù)值模擬參數(shù)

本文采用Abaqus軟件模擬分析煤層水力壓裂的演化特征。模型尺寸為8 m×8 m,共設(shè)置1 645 068個(gè)網(wǎng)格單元。模型的左側(cè)邊界中點(diǎn)為壓裂孔,直徑為113 mm,如圖4所示。將水力壓裂視為平面應(yīng)變問(wèn)題,采用Abaqus中的CPE4PH為單元類(lèi)型,模型頂部加14 MPa的均布載荷,水平應(yīng)力取16 MPa,采用流固耦合方式,兩端為水平約束,底端為固定約束,邊界為非反射界面邊界。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖體力學(xué)及滲流參數(shù)Tab.1 Coal and rock mechanics and seepage parameters

圖4 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透數(shù)值模擬網(wǎng)格Fig.4 Numerical simulation diagram of hydraulic fracturing joint antireflection of hydraulic grooving guided

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 單一水力壓裂數(shù)值模擬

單一水力壓裂方案下裂縫發(fā)育過(guò)程模擬云圖如圖5所示。壓裂孔直徑為113 mm,固定其他參數(shù)條件為:瓦斯壓力0.5 MPa,地應(yīng)力為10 MPa,煤體抗壓強(qiáng)度f(wàn)為15 MPa。

圖5 單一水力壓裂情況下數(shù)值模擬Fig.5 Numerical simulation under single hydraulic fracturing

由圖5可知,裂隙初始發(fā)育階段,由于最大主應(yīng)力沿水平方向,壓裂裂隙開(kāi)裂方向?yàn)樗椒较?如圖5(a)所示。受地應(yīng)力影響,通常只是形成單一的主裂縫,如圖5(c)所示,在主裂縫兩側(cè)形成由于致裂不均產(chǎn)生的空白區(qū)域,這種空白區(qū)域很少出現(xiàn)或者不出現(xiàn)裂縫,這種情況下,只在主裂縫周?chē)霈F(xiàn)微裂隙,如圖5(d)所示,不形成較大的裂隙分支,難以形成裂隙網(wǎng),導(dǎo)致增透效果不佳,而且空白區(qū)域還存在著瓦斯突出的危險(xiǎn)。

2.2.2 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透數(shù)值模擬

切槽和水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。其中,壓裂孔徑設(shè)置113 mm,切槽高度為0.3 m,寬度為0.7 m;壓裂孔距離切槽孔中心的距離為5 m。

圖6 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透數(shù)值模擬Fig.6 Numerical simulation of hydraulic fracturing joint antireflection of hydraulic grooving guided

在進(jìn)行水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透后,切槽弱面會(huì)對(duì)水力壓裂主裂縫進(jìn)行引導(dǎo),使得原本水平方向的裂縫開(kāi)始朝切槽損傷弱面發(fā)展,如圖6(b)所示;通過(guò)持續(xù)不斷地注水和切槽弱面引導(dǎo),水平的主裂縫開(kāi)始出現(xiàn)較大的裂縫分支,如圖6(d)所示。在壓裂過(guò)程中,煤體中水分不斷增加,使得煤體發(fā)生軟化,強(qiáng)度降低,壓裂裂縫與切槽弱面逐漸溝通,最終形成相對(duì)均勻的網(wǎng)格狀裂縫,均勻的網(wǎng)格狀裂縫極大地增加了煤層透氣性,同時(shí)也減小了煤層瓦斯壓力,最終提高了瓦斯抽采效率,減少了瓦斯突出事故的發(fā)生。

3 現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)概況

水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)試驗(yàn)地點(diǎn)為山西省沁水煤田東部某礦井6號(hào)煤層工作面。煤層傾角10°～16°,厚度約4.62 m,瓦斯壓力0.37～0.43 MPa,透氣性系數(shù)為0.046 2 m2/(MPa2·d),最大瓦斯含量為7.08 m3/t,堅(jiān)固性系數(shù)為0.48,為可抽采煤層。

3.2 方案設(shè)計(jì)

在該試驗(yàn)地點(diǎn)工作面距切眼 650 m 處施工8個(gè)孔,編號(hào)為1—8號(hào)。其中,3號(hào)孔與7號(hào)孔為壓裂孔,2號(hào)、4號(hào)孔為切槽孔,1號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)孔為觀測(cè)孔。為了減少互相之間的干擾,實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組距離40 m,切槽孔與壓裂孔距離為5 m,觀測(cè)孔與壓裂孔距離為10 m,工程鉆孔布置方式如圖7所示。

圖7 煤層鉆孔示意Fig.7 Schematic diagram of coal seam drilling

3.3 水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透效果分析

3.3.1 鉆孔自然瓦斯涌出量

煤層的鉆孔自然瓦斯的涌出量通常取決于煤層中瓦斯起始時(shí)的涌出強(qiáng)度q0隨時(shí)間變化的CH4流量衰減系數(shù)α,因此可以對(duì)煤層自然瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè),回歸預(yù)測(cè)公式如下所示[14]。

q=q0e-αt

(7)

為了考察試驗(yàn)煤層瓦斯抽采效果的改善程度,本文選取1號(hào)觀測(cè)孔和6號(hào)觀測(cè)孔進(jìn)行瓦斯抽采效果的測(cè)定,通過(guò)為期15天的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),測(cè)試結(jié)果如表2和圖7所示。根據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):井下工程實(shí)踐中實(shí)施切槽引導(dǎo)水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)后,1號(hào)孔初始瓦斯涌出強(qiáng)度為0.153 3 m3/(min·hm),是6號(hào)普通水力壓裂觀測(cè)孔(0.044 2 m3/(min·hm))的3.47倍,并且6號(hào)孔的衰減系數(shù)由0.040 6 d-1降低到1號(hào)孔的0.008 69 d-1,衰減強(qiáng)度降低了約79.6%,這說(shuō)明實(shí)施水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透后,煤層瓦斯抽采效果得到了顯著的提升,瓦斯災(zāi)害事故得到了較好的控制。

表2 301工作面煤層瓦斯涌出量Tab.2 Gas emission from coal seams in working face 301

圖8 百米鉆孔自然瓦斯涌出特征Fig.8 Characteristics of natural gas emission from a 100 meter borehole

3.3.2 煤層透氣性系數(shù)變化分析

為了進(jìn)一步考察試驗(yàn)煤層瓦斯抽采效果,選取觀測(cè)鉆孔5和8號(hào),根據(jù)文獻(xiàn)[15]的煤層透氣性系數(shù)計(jì)算方法來(lái)計(jì)算水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透技術(shù)實(shí)施后的煤層透氣性系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明,原煤層透氣性系數(shù)從0.046 2 m2/(MPa2·d)提高到1.358 2 m2/(MPa2·d),提高了約29倍,這說(shuō)明煤層透氣性得到較大改善。

4 結(jié)論

(1)單一水力壓裂時(shí),由于主裂縫發(fā)育的不可控且無(wú)規(guī)律,故壓裂孔群難以貫通形成裂隙網(wǎng),損傷破壞范圍小;常規(guī)壓裂由于起裂壓力過(guò)高,造成微裂隙不發(fā)育,難以形成支路裂縫,壓裂后煤層增透效果有限,難以發(fā)揮較好地增透效果。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬可知,進(jìn)行水力切槽引導(dǎo)水力壓裂聯(lián)合增透之后,切槽產(chǎn)生的損傷弱面可以引導(dǎo)水力壓裂的方向,使切槽弱面裂縫與水力壓裂裂縫交匯貫通,形成裂縫網(wǎng)格,極大地增加了煤層透氣性。

(3)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水力切槽導(dǎo)向水力壓裂聯(lián)合增透后,聯(lián)合增透觀測(cè)孔的初始瓦斯涌出量是普通水力壓裂觀測(cè)孔的3.47倍,瓦斯涌出量衰減強(qiáng)度降低了79.6%,原煤層透氣性系數(shù)提高了29倍。