數(shù)值模擬在水力壓裂技術(shù)中的應(yīng)用

齊成丞

摘 要：基于導(dǎo)向孔的定向水力壓裂技術(shù)是當(dāng)前對(duì)煤層進(jìn)行卸壓增透的有效方法之一，本文利用RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟件對(duì)導(dǎo)向孔的導(dǎo)向作用效果進(jìn)行模擬研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，同時(shí)壓裂后鉆孔的瓦斯抽采濃度與純量都有顯著的提高，該技術(shù)可以為今后實(shí)施水力壓裂提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1 引言

我國(guó)大多數(shù)煤田煤層透氣性系數(shù)都較低，在抽采時(shí)必須采取措施提高煤層的透氣性系數(shù)，可以說(shuō)煤層透氣性差已經(jīng)成為制約瓦斯抽采甚至煤礦開(kāi)采的瓶頸。針對(duì)這一問(wèn)題，煤炭工作者廣泛應(yīng)用水力壓裂技術(shù)增大煤層的透氣性，在一些礦區(qū)取得了顯著的效果。只有根據(jù)煤礦的具體實(shí)際，設(shè)計(jì)出適宜的定向水力壓裂技術(shù)方案，才能成功地實(shí)現(xiàn)水力壓裂的效益最大化。

2 水力壓裂導(dǎo)向孔的導(dǎo)向卸壓機(jī)理

定向水力壓裂技術(shù)是基于水力壓裂時(shí)壓裂裂隙首先在弱面產(chǎn)生與發(fā)展這一機(jī)理提出的[1]。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，人為創(chuàng)造裂隙弱面及尖端效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)裂隙的定向?qū)Э兀瑥亩映浞值乩盟毫训哪芰浚嵌ㄏ蛩毫阎辛芽p隨意擴(kuò)展造成的能量浪費(fèi)以及存在局部應(yīng)力集中和卸壓盲區(qū)的現(xiàn)象，達(dá)到人們期望的卸壓增透消突效果。導(dǎo)向孔導(dǎo)控即通過(guò)在壓裂孔四周布置一些導(dǎo)向孔，人為創(chuàng)造裂隙弱面空間，誘導(dǎo)壓裂過(guò)程中裂隙向?qū)蚩追较蛏膳c擴(kuò)展[2]。

3 導(dǎo)向孔導(dǎo)向作用效果模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為使數(shù)值模擬的結(jié)果更具現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義，結(jié)合壓裂工作面煤層的賦存條件，建立幾何模型如下：模型尺寸為50m×40m，劃分為500×400個(gè)網(wǎng)格，采用二維平面應(yīng)力分析，受力準(zhǔn)則為摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，分布類型選韋伯分布[4～6]。載荷邊界為頂部施加豎直載荷，等效煤層上部巖層自重13MPa，側(cè)向施加水平載荷，為水平地應(yīng)力10.5MPa，底端固定約束[3]。

3.2 模擬結(jié)果分析

導(dǎo)向孔的方位根據(jù)導(dǎo)控需要進(jìn)行設(shè)定，導(dǎo)向孔與壓裂孔之間的距離要小于它們的影響半徑之和，即小于導(dǎo)向孔的破碎裂隙范圍與壓裂孔的壓裂范圍之和，否則有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向功能。為研究導(dǎo)向孔的導(dǎo)向作用效果，在幾何模型的中心壓裂孔四周均勻布置4個(gè)導(dǎo)向孔，起定向卸壓作用。結(jié)合本次壓裂地點(diǎn)巷道兩幫需要增透的范圍，將導(dǎo)向孔與壓裂孔的距離定為8m。初始注水壓力設(shè)為10Mp，水壓力增量為0.2Mp，模擬煤層裂隙擴(kuò)展動(dòng)態(tài)特征，見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)向孔定向水力壓裂的剪應(yīng)力分布云圖

圖中，應(yīng)力的大小與顏色灰度有關(guān)，顏色越亮，表示所受剪應(yīng)力越大，煤體的破壞越顯著。從圖1可以看出：水壓從10增加到17Mpa期間，沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，只是在壓裂孔周圍形成一個(gè)近似環(huán)狀的白色壓力增高帶，在此階段，水壓相對(duì)較小，高壓水主要以滲流方式進(jìn)入鉆孔周圍的裂隙及原煤孔隙中。水壓達(dá)到17Mpa時(shí)，孔壁周圍開(kāi)始有微裂紋產(chǎn)生，此時(shí)，水壓已相對(duì)較大，裂隙的發(fā)展對(duì)水壓相當(dāng)敏感，很小的水壓增量，就能促使裂縫的快速發(fā)展延伸，在P=17.8Mpa時(shí)，主裂紋已基本形成。煤層的破裂壓力約為17Mpa，裂縫的范圍接近10m。在現(xiàn)場(chǎng)壓裂時(shí)，由于需克服管路摩阻及重力的作用，高壓泵的注水壓力應(yīng)大于17Mpa，根據(jù)注水管路的性能，泵注最高壓力定為18Mpa。。

4 效果分析

1）水力壓裂影響范圍考察

本次試驗(yàn)采用礦用瞬變電磁儀對(duì)壓裂影響范圍進(jìn)行探測(cè)，瞬變電磁儀主要應(yīng)用于井下裂隙斷層、含水區(qū)的探測(cè)，由于其方便準(zhǔn)確的特點(diǎn)，受到礦井工作人員的普遍歡迎。

探測(cè)后，利用瞬變電磁儀專業(yè)軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，得到水力壓裂后瞬變電磁儀探測(cè)的視電阻率擬斷面圖，見(jiàn)圖2。圖中顏色由紅到藍(lán)，表示視電阻率由高到低，對(duì)應(yīng)的含水性則是由小到大。可以看出在煤壁前方30m、巷道兩側(cè)15m的范圍內(nèi)，視電阻率分布較低，含水性較大，可以判定，壓裂水已到達(dá)這些區(qū)域，水力壓裂的影響范圍為15m左右。

2）抽采效果考察

壓裂完畢，待鉆孔中的水排盡后，將壓裂孔與4個(gè)導(dǎo)向孔并入巷道的瓦斯抽采管道進(jìn)行合閘抽采，并對(duì)抽采濃度以及抽采純量進(jìn)行測(cè)試，在壓裂結(jié)束后的3天內(nèi)，每班都要對(duì)抽采純量、抽采濃度、抽采負(fù)壓等參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)并做好記錄。之后，每日觀測(cè)一次相應(yīng)參數(shù)并記錄。連續(xù)觀測(cè)時(shí)間視參數(shù)變化情況而定，一般不少于20天。將這些參數(shù)與該巷道壓裂前抽采的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出水力壓裂后的瓦斯抽采量提高了4倍左右，可見(jiàn)水力壓裂取得了良好的卸壓增透效果。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)壓裂前后瓦斯抽采指標(biāo)的比較，得出水力壓裂的卸壓增透效果顯著，水力壓裂確為該礦瓦斯治理的有效方法，值得在整個(gè)礦井推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張國(guó)華. 水力壓裂鉆孔始裂特點(diǎn)分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（6）：790-794.

[2] 馮彥軍，康紅普. 水力壓裂起裂與擴(kuò)展分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（2）：3169-3173.

[3] 李樹(shù)剛，馬瑞峰. 煤層水力壓裂增透影響半徑試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，41（3）：9-13.