深部低透氣性煤層上向穿層水力壓裂強化增透技術

蔡　峰，劉澤功

(1.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南　232001；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南　232001；

3.煤與煤層氣共采安徽省重點實驗室，安徽 淮南　232001)

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深部低透氣性煤層上向穿層水力壓裂強化增透技術

蔡峰1,2,3，劉澤功1,2

(1.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南232001；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南232001；

3.煤與煤層氣共采安徽省重點實驗室，安徽 淮南232001)

摘要:煤層氣的長時間、高效抽采的是當前煤層氣災害治理與煤層氣資源利用過程中亟需解決的問題。利用數值模擬實驗與工程試驗相結合的方法，系統(tǒng)地研究了井下底抽巷對目標煤層進行水力壓裂強化增透技術。研究發(fā)現(xiàn)，水力壓裂的裂隙擴展過程經歷了能量與應力累積、微裂隙產生、局部壓裂損傷、煤體抵抗失效與裂隙迅速拓展以及壓裂水能量再蓄集再擴張循環(huán)5個階段，水力壓裂產生了大量的裂隙，再加上頂底板碎脹作用而使煤層卸壓，使得煤體透氣性大幅提高。水力壓裂工程試驗驗證了壓裂水的運移軌跡，與數值模擬與分析結果相吻合，實現(xiàn)了大范圍增透和長時效的煤層氣抽采，從而為深部低透氣性煤層強化增透和煤層氣高效抽采提供了技術保障。

關鍵詞:低透氣性煤層；井下；水力壓裂；增透

煤層氣(又稱為瓦斯)是制約礦井安全生產的主要因素之一[1]，但也是一種優(yōu)質的能源，可用于發(fā)電、取暖、化工等眾多領域[2]。因而，安全高效的抽采煤層氣，一方面可以消除安全隱患，另一方面又可以獲得煤層氣能源，實現(xiàn)變害為寶[3]。

為了提高煤層氣資源的抽采率，自“十一五”以來，國家在一些代表性的礦區(qū)實施了大型油氣田及煤層氣開發(fā)國家科技重大專項，以期促進煤層氣的高效抽采和產業(yè)化。

然而，我國多數礦區(qū)的煤層氣抽采難度普遍較大，特別是在兩淮礦區(qū)，由于煤層埋藏深、煤層軟、煤層透氣性低等因素，導致煤層氣抽采困難，嚴重制約著礦井生產安全[4]。盡管通過深孔預裂爆破、水力沖孔等措施使得透氣性在短期內迅速提高，但是由于煤層的埋藏較深、地應力較大、煤層較軟，煤體透氣性會在短時間內迅速衰減到原來的水平[5]。因而，如何確保長時間、高效的抽采煤層氣是目前亟需解決的問題[6]。

水力壓裂技術在石油工程領域應用廣泛，是油氣開發(fā)工程的主要增透技術之一[7]。其方法是在地面打豎井到油氣儲層，然后利用高壓泵將水或壓裂液壓入儲層，并將其壓裂，從而大幅提高儲層透氣性，實現(xiàn)高效抽采油氣資源[8]。但在煤層氣抽采過程中應用此方法時，由于地面鉆井定位困難、施工成本較高、成本回收周期長等眾多技術經濟問題，這一技術的應用受到了制約[9]。而在井下從煤層底板向上施工水力壓裂鉆孔并實施水力壓裂，由于其施工精度高、成本低等特點使其成為了一個重要的可選方案，在這一領域，國內外研究較少。

本文利用數值模擬和現(xiàn)場工程試驗相結合的方法，系統(tǒng)的研究了井下煤層水力壓裂強化增透技術，實現(xiàn)了煤層氣的強化增透和抽采，有效的解決了煤層氣抽采的時效性難題，為相似條件下的煤層氣強化抽采提供借鑒。

1數學模型

1.1煤體多孔介質方程

煤體是一種多孔介質，根據多孔介質控制方程，煤體骨架的幾何方程、物理方程、平衡方程以及邊界條件[10]可表述為

(1)

(2)

(3)

(4)

在水力壓裂過程中，高壓水在煤體中流動的流動方程、連續(xù)性方程以及邊界條件[11]為

在區(qū)域Ω內：

(5)

(6)

在壓裂水載荷邊界位置：

(7)

在煤體孔隙壓力邊界位置：

(8)

1.2Cohesive損傷模型

Cohesive損傷模型起裂的判定準則[12]為

(9)

1.3Cohesive流動性質

壓裂水沿Cohesive單元切向流特性方程[13]為

(10)

式中，p為壓裂水的壓力，Pa；μ為壓裂水的動力黏度，Pa·s；t為裂隙開口寬度，m；q為壓裂水切向體積流量，m3/s。

Cohesive單元內壓裂水法向流量[7]為

(11)

式中，pt,pb為壓裂水流入和流出單元的壓力，Pa；ct,cb為壓裂水流入和流出單元的濾失系數，m3/(Pa·s)；pi為單元中面壓力，Pa；qt,qb為壓裂水流入和流出單元的流量，m3/s。

2水力壓裂數值模擬與分析

2.1數值模型與參數

數值模擬計算以淮南礦業(yè)集團顧橋礦1115(1)長壁工作面所屬的11-2煤層為例，利用RFPA-Integrated數值模擬軟件進行建模和模擬，如圖1所示。數值模型的尺寸為20 m×30 m的長方形，將其劃分成72 600個單元。在煤層的中部開挖一個直徑為94 mm的水力壓裂孔。

圖1　數值模型Fig.1　Numerical model

煤層垂深860 m，煤層氣含量為11.3 m3/t，煤層氣壓力為3.2 MPa，通過地應力測定，煤層所在位置垂向地應力為12 MPa，水平方向地應力為4.2 MPa。該處煤體的力學參數見表1。利用Monte-Carlo法對基元進行初始化[14]，如式(4)所示，并使各單元的參數符合Weibull分布[15]，

(12)

式中，φ(E)為彈性模量為E的統(tǒng)計基元數；m為均質系數，這里取m=3；E0為彈性模量的均值。

2.2數值模擬與分析

圖2顯示了水力壓裂過程中垂向應力場動態(tài)分布情況，結合圖3所示的水力壓裂過程中裂隙場分布和能量積聚圖可以分析出，在水力壓裂的裂隙擴展過程經歷了以下5個階段：

(1)能量與應力累積階段。

這一階段壓裂水主要通過滲流方式進入煤體的原始孔隙和裂隙，在高壓壓裂水的作用下，煤體的微裂隙也逐漸被高壓水充實，其中的煤層氣被壓縮，煤層氣壓力增大并成為阻礙高壓水進一步潤濕煤體的重要因素。在這一階段，聲發(fā)射現(xiàn)象和次數較少、能量也較小，在壓裂孔周圍形成一個環(huán)形放射狀應力集中帶。

表1　煤層與頂底板力學參數

圖2　水力壓裂過程中垂向應力動態(tài)分布(MPa)Fig.2　Dynamic distribution of vertical stress during hydraulic fracturing

圖3　水力壓裂過程中裂隙場動態(tài)分布Fig.3　Dynamic distribution of cracks field during hydraulic fracturing

(2)微裂隙產生階段。

隨著壓裂水壓力的不斷增加，壓裂孔周圍應力進一步升高并產生了許多零星分布的微裂隙，這些微裂隙在壓裂孔左右兩側的密度較高，由于產生了微裂隙，在這一階段，聲發(fā)射現(xiàn)象和次數明顯增多，如圖3(b)所示。

(3)局部壓裂損傷階段。

隨著壓裂水壓力的進一步增加，微裂隙不斷的發(fā)育、延伸和合并，在壓裂孔左右兩側逐漸形成兩個主裂隙，其方向大致呈水平。同時，在主裂隙尖端附近產生了一些不與主裂隙溝通的微小裂隙。壓裂水的壓力沿著裂隙(特別是主裂隙)的方向擴展，聲發(fā)射的次數和能量都有大幅度的提高，形成了局部裂隙損傷，裂隙發(fā)展較快。

(4)煤體抵抗失效與裂隙迅速拓展階段。

由于壓裂水能量的不斷累積，當壓裂水的壓力足以克服地應力和煤體強度時，導致煤體抵抗失效，主裂隙迅速擴展，如圖3(c)所示。同時，由于主裂隙迅速擴展，裂隙中的自由空間增大，壓裂水的壓力迅速降低。

(5)壓裂水能量再蓄集再擴張循環(huán)階段。

壓裂水的壓力在壓裂泵的作用下再次蓄能增壓，當壓裂水的壓力再次足以克服地應力和煤體強度時，煤體抵抗再次失效，主裂隙再次迅速擴展，同時壓裂水的壓力再次降低，并進入再蓄能再擴張的循環(huán)往復過程。

水力壓裂同時也導致頂底板發(fā)生局部位移，當這種局部的位移達到一定程度時，會導致頂底板破裂同時使煤層的體積脹大。但當水力壓裂結束后，頂底板的破裂位置的巖體由于碎脹作用將無法恢復到原來的狀態(tài)，這些碎脹的巖體起到了支撐上部巖體的作用而使得煤體膨脹卸壓，這將大幅提高煤體的透氣性。

2.3起裂壓力與埋深的關系

根據海姆假設，垂向地應力與埋深之間存在著一個線性關系，因而可通過埋深來計算獲得垂向地應力[2]。為了能夠確定起裂壓力，在模擬過程中，將初始水壓定為6 MPa，每步增加水壓0.1 MPa。同時，調整垂直地應力并使水平地應力為垂直地應力的1/3進行反復模擬，以確定不同埋深條件下的起裂壓力，模擬結果如圖4所示。

圖4　起裂壓力與埋深的關系Fig.4　Relation between crack pressure and buried depth

由圖4可以看出，隨著埋深的增加，起裂壓力也逐漸增大，兩者之間大致呈線性關系。在水力壓裂工程實踐中，由于多數壓裂泵的工作壓力是不可以動態(tài)調整的，因而可以在水力壓裂作業(yè)前，根據煤層的埋深和圖4所計算結果，對壓裂泵的工作壓力進行預設。

3水力壓裂工程試驗研究

試驗地點選在淮南礦業(yè)集團顧橋礦1115(1)長壁工作面底板抽采巷，煤層傾角為12°，在該工作面的巷道掘進前，在底板抽采巷向上打鉆孔實施水力壓裂作業(yè)，以提高煤體的透氣性，縮短抽采達標時間。

3.1水力壓裂和效果考察方案

壓裂設備選用南京六合煤礦機械公司生產的BZW-200/56型乳化泵，額定壓力56 MPa，額定流量200 L/min。管路系統(tǒng)采用兩路φ19 mm，額定壓裂75 MPa的高壓鋼網軟管。水力壓裂孔的布置如圖5所示，壓裂孔的直徑為94 mm，傾角為70°。

圖5　水力壓裂孔的布置Fig.5　Arrangement of hydraulic fracturing borehole

水力壓裂后，為了考察壓裂效果，在壓裂孔周圍40 m范圍內的煤層進行取樣分析，取樣鉆孔的設計如圖6所示，分別對每個取樣鉆孔取出的煤樣測定含水率、煤層氣含量、孔隙率特性。由于單個鉆孔的煤層氣流量較小，單個鉆孔的流量測定精度難以保證，因而在煤層參數測定完成后，將T1～T7組鉆孔合并為一組接入煤層氣抽采系統(tǒng)并安裝一個流量計進行煤層氣抽采量考察，如圖6所示。

圖6　取樣鉆孔與水力壓裂孔終孔位置Fig.6　Arrangement of sample and hydraulic fracturing borehole

3.2水力壓裂過程

根據數值模擬結果，將壓裂泵的工作壓力設定為33 MPa，壓裂孔煤層段為篩管，巖石段采用“一堵二注”工藝帶壓二次注漿，壓力6～8 MPa。水力壓裂作業(yè)分為3個階段：

第1階段，2014-08-19，開啟雙臺泵進行壓裂作業(yè)，壓力穩(wěn)定在31～33 MPa之間，共計壓裂時間65 min，壓入水量18.09 t。壓裂后進入巷道觀察，無異常；

第2階段，2014-08-21，開啟雙臺泵進行壓裂作業(yè)，壓力穩(wěn)定在30～35 MPa之間，共計壓裂時間530 min，壓入水量202.25 t，壓裂結束后：壓裂孔以西0～5 m處，巷道底臌，地坪開裂，無片幫掉頂及滲水現(xiàn)象；壓裂孔以東0～10 m，巷道頂板有輕微掉漿皮現(xiàn)象，部分錨桿孔滲水；壓裂孔以東15 m處，巷幫局部掉漿皮，巷頂開裂放線較明顯，周圍錨桿孔口有滲水現(xiàn)象；壓裂孔西35 m，有1處裂隙滴水，伴有煤層氣溢出，周圍部分錨桿孔滲水；32324底板巷對應壓裂孔處頂板側局部掉漿皮；

圖7　水力壓裂后底板巷圍巖變化情況Fig.7　Influence on roof and rib of roadway by hydraulic fracture

第3階段，2014-08-22，壓力穩(wěn)定在30～32 MPa之間，共計壓裂時間212 min，壓入水量84.06 t。水力壓裂后，底板巷圍巖變化情況如圖7所示。

從圖7可以看出，在底板巷進行水力壓裂孔作業(yè)時，會引起底抽巷頂、幫位移從而導致掉漿皮等現(xiàn)象，這與數值模擬和分析結果是一致的。

3.3壓裂后的對比分析

水力壓裂后，保水10 d，將水自由排出后開始施工圖6所示的取樣鉆孔。為了能夠有效的反映出水力壓裂對煤層可抽采特性的影響，在水力壓裂孔以西300 m以外施工9組與圖6布置相同的對比鉆孔，并測定對比鉆孔煤樣的含水率、煤層氣含量以及煤層氣抽采速率，作為未壓裂區(qū)域的煤層氣可抽采特性，并與壓裂后圖6所示的取樣鉆孔的數據進行對比分析。

3.3.1煤層含水率特性

從圖8可以看出，水進入煤體后并不是均勻的向外擴展，而是主要沿著壓裂孔的兩側進行壓裂擴展，圖8中的紅色箭頭表示了水的壓裂擴展方向，這與圖4所示的數值模擬結果是吻合的，同時，由于重力的作用，在壓裂孔的下方，一部分水會向下壓裂擴展。通過對對比鉆孔的煤樣分析獲得，未壓裂區(qū)域煤層的含水率為1.89%，而在圖8所示的壓裂孔周圍40 m的區(qū)域內，多數煤樣煤層的含水率超過4%，因而，從煤層含水率的角度來看水力壓裂的影響半徑超過了40 m。

3.3.2煤層氣含量特性

圖9顯示了水力壓裂后，圖6所示的各取樣鉆孔中煤樣的煤層氣測定結果。從圖9可以看出，在壓裂孔的兩側以及下部區(qū)域煤層氣含量較小，且離壓裂孔越近，煤層氣的含量越小，這與圖8所示的煤體含水率特性相反。

圖8　壓裂后煤體含水率等值線(%)Fig.8　Contour view of rate of water content (%)

圖9　壓裂后煤層氣分布等值線(m3/t)Fig.9　Contour view of CBM (m3/t)

在壓裂孔兩側煤層氣含量均呈現(xiàn)出由內向外逐漸增大的趨勢，東側煤層氣含量明顯高于西側，所測出的較大的煤層氣含量值均出現(xiàn)在東側，這是因為壓裂水在煤體中的不規(guī)則運動所造成的。在水力壓裂的影響區(qū)域內，煤層氣的含量均明顯低于未壓裂區(qū)煤層氣含量值，且壓裂水影響較大的區(qū)域，煤層氣的含量明顯少于壓裂水影響較小的區(qū)域，存在明顯的水驅氣現(xiàn)象。

3.3.3煤層氣可抽采特性

通過在未壓裂區(qū)的對比鉆孔進行煤層氣抽采純量測定，確定未壓裂區(qū)煤層氣的平均單孔抽采流量為0.003 m3/min左右。圖10顯示了水力壓裂區(qū)和未進行水力壓裂區(qū)的平均單孔煤層氣抽采純量與對比情況。通過對圖10的分析，可以發(fā)現(xiàn)：

圖10　壓裂區(qū)和未壓裂區(qū)平均單孔抽采純量與對比Fig.10　Average pure CBM flux and comparison before and after hydraulic fracturing

(1)壓裂影響區(qū)內的煤層氣抽采純量曲線經歷了上升期、峰值期和穩(wěn)定期3個階段，通過多次壓裂抽采試驗，上升期通常為3～6 d，峰值期通常為2～4 d，而穩(wěn)定期通常可達到1個月以上。從圖10可以看出，在上升期的初期，煤層氣的抽采純量反而比未壓裂區(qū)小，之后抽采純量迅速增加，在峰值期，煤層氣抽采純量通常達到未壓裂區(qū)的3～7倍，反映出煤層氣的抽采量隨著煤體內水分的逐漸散失而逐漸提高的趨勢，這是因為在壓裂過程中，水沿著裂隙面滲入煤體，對煤層氣起到一定程度的抑制作用，且在抽采初期，由于水分較多抑制作用較明顯，而隨著水分不斷散失，煤層氣沿著壓裂裂隙不斷涌出，而使得抽采純量不斷提高。在穩(wěn)定期，煤層氣抽采純量也可達到未壓裂區(qū)的2倍以上。

(2)水力壓裂影響區(qū)域內煤層氣抽采純量可以實現(xiàn)1個月以上的連續(xù)高效抽采，時效性較突出。

(3)壓裂后煤層氣高效抽采半徑超過30 m，在現(xiàn)場工程實踐中，可以每隔50 m設置一個水力壓裂孔即可實現(xiàn)目標煤層的高效增透。

4結論

(1)通過利用多孔介質控制方程和Cohesive損傷模型進行數值模擬分析發(fā)現(xiàn)，水力壓裂的裂隙擴展過程經歷了能量與應力累積、微裂隙產生、局部壓裂損傷、煤體抵抗失效與裂隙迅速拓展以及壓裂水能量再蓄集再擴張循環(huán)五個階段，水力壓裂同時也導致頂底板發(fā)生局部位移和破裂，碎脹的巖體起到了支撐作用而使得煤體膨脹卸壓，從而大幅提高煤體的透氣性。

(2)通過水力壓裂工程試驗，發(fā)現(xiàn)在水力壓裂過程中，底板巷的巷幫和巷頂在高壓水的作用下開始出現(xiàn)位移和掉漿皮、裂隙滴水等圍巖斷裂現(xiàn)象，這與數值模擬分析結果相吻合。

(3)通過對壓裂區(qū)煤體含水率和煤層氣含量的采樣分析，驗證了壓裂水的運移軌跡與數值模擬結果相吻合。

水力壓裂影響區(qū)實現(xiàn)了長時效的煤層氣抽采，有效抽采時間超過1個月，單個壓裂孔增透范圍大(超過30 m)，從而為深部低透氣性煤層強化增透和煤層氣高效抽采提供了技術保障，也為相似煤層賦存條件下的煤層氣抽采提供借鑒。

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Simulation and experimental research on upward cross-seams hydraulic fracturing in deep and low-permeability coal seam

CAI Feng1,2,3，LIU Ze-gong1,2

(1.ProvincialandMOEJointEstablishedKeyLabofCoalMineSafetyandHighEfficientMining,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.SchoolofResourceandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;3.KeyLaboratoryofIntegratedCoalExploitationandGasExtractionofAnhuiProvince,Huainan232001,China)

Abstract:Long-time and high-efficiency CBM drainage is a problem for current CBM disasters control and CBM resource utilization.Numerical simulation and engineering experiments were conducted to systematically study the underground hydraulic fracturing technique for greatly increasing the permeability of coal seam.The research results show that there are five stages in the process of hydraulic fracturing,including energy and stress accumulating,micro cracks growing,local damage,local cracks growing and connecting,and fail to resistance of coal and rapid expansion of cracks.A large number of cracks created by hydraulic fracturing,and swelling effect of roof and floor make coal seam pressure relieved,thus,the permeability of coal seam is greatly increased.The engineering experiments validate the migration path of water,and it is in agreement with numerical simulation results.A large-range permeability increase and long-time CBM drainage are achieved.This study provides a technical way for intensified permeability increase and high-efficiency CBM drainage in deep and low-permeability coal seams.

Key words:low-permeability coal seam;underground;hydraulic fracturing;permeability increasing

中圖分類號:TD712

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0113-07

作者簡介:蔡峰(1980—)，男，江蘇徐州人，教授，碩士生導師，博士。E-mail：fcai@aust.edu.cn

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51304006)；國家科技重大專項資助項目(2011ZX05064)；安徽省自然科學基金資助項目(1408085QE87)

收稿日期:2015-09-11修回日期:2015-11-13責任編輯:畢永華

蔡峰，劉澤功.深部低透氣性煤層上向穿層水力壓裂強化增透技術[J].煤炭學報,2016,41(1):113-119.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9014

Cai Feng，Liu Zegong.Simulation and experimental research on upward cross-seams hydraulic fracturing in deep and low-permeability coal seam[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):113-119.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9014