變流量縫網壓裂技術在松軟煤層中的研究與應用

鄧敢博

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤層開采深度的不斷加深[1-3]，煤層滲透率進一步降低，滲透率成為了提高瓦斯抽采效率的主控因素。對煤層采取水力化措施是增加滲透率的常用方法之一，高壓水注入到煤層中，不僅增加了透氣性，水擠壓了煤層瓦斯的吸附空間，促進了其解吸。從應用效果來看，水力壓裂以其增透范圍廣泛、成本相對低廉，在各煤礦取得了廣泛的應用。雖然井下水力壓裂的工藝和壓裂過程相對成熟，但是對壓裂施工參數的合理性分析不夠準確，從而導致達不到預期的壓裂效果，反而會發生其他事故，如誘發煤與瓦斯突出、頂底板破碎、煤體變形等。因此，合理的施工參數對于提高煤層滲透率、進而促進瓦斯抽采具有重要的現實意義[4-5]。

近年來，對于改進深部煤層水力壓裂工藝、提高壓裂效果方面，國內外做了大量的研究工作[6-9]。較為主流的是體積壓裂—縫網改造技術(SRV)，采用“穩定高壓力和大流量”的工藝，在煤層形成一個立體縫網系統，提高瓦斯導流能力。但由于這種工藝的高壓力和流量對壓裂設備、人員面臨巨大的挑戰，并且由于煤層儲存的復雜性、非均質性，對于“穩定大排量”注入的方式并不敏感，不易讓煤巖產生破裂及裂縫發的延伸，反而會引起壓裂泵組壓力迅速升高。除此之外，還有分段水力壓裂、分段多簇射孔、定向水力壓裂技術等，但因在深部煤層地應力高等復雜地質環境的緣故，采用一般的注水應用效果并不理想，加大注水壓力又會導致壓裂事故的產生。在井下低滲透氣性松軟煤層水力壓裂的施工中，由于松軟煤層致裂主要呈現剪切破壞，與常規壓裂起裂方式不同，在保證安全作業的前提下，形成縫網結構[10]，提高水力壓裂增滲效果是目前急需解決的問題。因此，在論述煤儲層水力壓裂機理和過程的基礎上，從理論上分析注水壓力對煤層水力壓裂效果的影響，結合現場應用，最終確定出合理的注水壓力。對于提高煤層滲透率，最終提升瓦斯抽采效率，同時對水力壓裂技術在煤礦上的推廣應用具有較強的現實意義。

1 松軟煤層縫網壓裂機理

縫網壓裂技術起先用于低滲透率的砂巖油氣藏、頁巖氣藏的壓裂設計[11-12]，其主要目的不是單一地增加裂縫的長度及高度的導流能力，而是在結合設計合理的水力壓裂施工參數及儲層特征參數，最大限度地提高主裂縫轉向的可能性，最終形成主裂縫及多個分支裂縫相互交叉的類似網格狀的縫網系統。微縫網的形成與保持是實現增透有效的充要條件，煤層最大主應力與最小主應力之差是裂縫擴展的先決條件；小于塑性煤體起裂壓力時，微縫網不再延展，但應力場的作用將使煤體繼續發生塑形變形(不可恢復)，使得縫網結構得以固化保持(如砂子在應力作用下產生塑性流變，其孔網結構不會閉合)，實現持續增透。對于大部分松軟煤層來說，其為非均質體，包含著各類的缺陷和天然裂隙，因而要在松軟煤層中形成縫網，重點在于先在較大的原生主裂縫擴展延伸，繼而在裂縫內提升其凈壓力，使得天然裂隙或者煤儲層缺陷能夠張開，最后形成縫網。縫網壓裂得以進行的力學原理是分支裂縫在儲層天然裂隙的擴展上形成的[13]，如圖1所示。

圖1 松軟煤層水力壓裂縫網形成示意Fig.1 Schematic of hydraulic fracturing network formation in soft coal seam

一般來說，對于煤巖來說，天然裂隙發生的為張性破裂，根據Warpinski及Teufel破裂準則，應力與壓力的關系，如式(1)所示：

p>σn

(1)

而當水力壓裂作用松軟煤層，在天然裂隙以剪應力為主時，則天然裂隙在此刻易發生剪切滑移，此時：

|τ|>τ0+Kf(σn-p)

(2)

式中，σH和σh分別為最大和最小水平主應力；τ0為松軟煤層內部的黏聚力；τ為作用在天然裂隙的剪切應力；Kf為天然裂隙的摩擦系數。

根據經典的彈性力學理論，正應力和剪應力之間的關系可由如式(3)、式(4)表示：

(3)

(4)

當水力壓裂主裂縫與天然裂隙相交時，意味著之間已經相互連通，隨著壓裂的進行，壓裂液進入到原生裂隙，此時原生裂隙的孔隙壓力變為：

p(x，t)=σh+pnet(x，t)

(5)

將式(3)—(5)代入式(1)中整理得到，若煤層發生張性破裂時所需的凈壓力為：

(6)

而發生剪切破壞時，裂縫內所需的凈壓力為：

Kfcos 2θ)]

(7)

pnet max(x，t)=σH-σh

(8)

因此，如果發生張性破裂時，破裂最大值為水平主應力的差值。

(9)

Kfcos(arctanKf)]

(10)

由于軟煤的黏聚力相對較小，對破裂不起作用，因此與張性破裂一樣，發生剪切破壞的最大值依然為水平應力之間的差值。

如上述分析可知，在含天然裂隙的松軟煤層中，水力壓裂主裂縫促使天然裂隙形成縫網的關鍵條件是，施工裂縫內的凈壓力大于煤儲層水平應力之間的差值。

2 水力壓裂松軟煤層縫網壓裂的關鍵技術

按照上述縫網壓裂的力學原理可以得出，在施工中，理論上如果凈壓力達到水平應力的差值，但對于原生裂隙不發育的部位，需加上煤體的抗張強度，此為臨界壓力，就可以在原生裂隙的基礎上形成新裂縫[14]。故在縫網壓裂的設計中最重要的是如何選擇合適的方法來提高裂縫內的凈壓力。裂縫內的凈壓力主要受到2種因素的影響：①松軟煤層儲層特征參數，如主應力、彈性模量、泊松比等；②水力壓裂技術參數，如水力壓裂流量、壓力、壓裂液黏度及加砂比，如果將二維PK模型運用其中，則可得出裂縫內流體壓力梯度方程如下：

(11)

式中，q為水力壓裂注入流量；μ為縫內壓裂液的黏度；w為壓裂裂縫寬度。

在煤體中裂縫破裂及延伸過程中，分支裂縫的形成，需滿足以下破裂條件[15]：

(12)

(13)

式中，pf為煤體破裂張力；p0為初始孔隙壓力；σf為煤體抗張強度；φ為孔隙度；υ為泊松比。

根據現場施工的相關資料，推導出2個水平主應力之間的差值Δσ的計算公式為：

Δσ=2σh-p0-pf+σf

(14)

根據石油行業經驗[15-16]，提升縫內凈壓力的方法主要有酸化預處理、變排量、變黏度、液量控制等。在實施手段主要有3種方法：①采用變參數射孔；②壓裂時變排量變粒徑加砂；③適時停泵。對于松軟煤層來說，其縫網壓裂設計不能單純地按照石油行業來進行，需要考慮煤層的特點及盡量不傷害煤層的情況下進行，而且松軟煤層一般采取清水壓裂，控制高壓水進入煤層總量，一般采取變流量及適時停泵的方法進行。

3 縫網壓裂現場試驗

3.1 試驗區域工作面概況

水力壓裂試驗區為平煤十二礦己15-31040工作面煤巷條帶區域，施工地點為己15-31040進風巷低位瓦斯治理巷。己15-31040工作面垂深928～977 m，平均煤厚3.3 m，煤層傾角平均10°，堅固性系數為0.3，為典型的松軟煤層[17]。

結合該區域的地質資料及巷道布置情況，壓裂半徑按30 m，鉆孔間距為50 m，共試驗6個壓裂鉆孔，鉆孔終孔位置距煤層頂板0.5 m左右，不穿透煤層。壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置Fig.2 Hydraulic fracturing drilling arrangement

3.2 壓裂設計思路及工藝

壓裂參數設計涉及到壓裂設備選型、壓裂施工參數及壓裂效果。其主要涉及泵注壓力及注入液量的設計。

3.2.1 壓裂設備選型

壓裂泵組示意如圖3所示，水力壓裂系統由壓裂泵、壓力表、專用水箱和封孔器組成。本次壓裂試驗泵體使用BYW450/70煤礦井下壓裂泵組，壓裂泵采用額定最大工作壓力70 MPa，最大水排量為450 L/min。壓裂泵組共分3個檔位，各檔位輸出壓力與流量參數見表1。

圖3 壓裂泵組示意Fig.3 Fracturing pump assembly diagram

表1 壓裂泵組輸出參數Tab.1 Fracturing pump set output parameters

高壓管路選用φ66.7 mm高壓膠管，鉆孔內采用優質無縫鋼管，鋼管抗壓承載能力不低于40 MPa。

3.2.2 裂縫凈壓力模擬

根據相關試驗[18]，該煤層最小主應力為12 MPa，初始孔隙壓力為3 MPa，煤體抗張強度為0.45 MPa。根據初次試壓結果顯示，煤體破裂壓力為19 MPa。根據上述公式計算得到兩個水平主應力差值為2.45 MPa，因此必須保證裂縫內凈壓力大于2.45 MPa，才能使得分支縫的延伸與擴展。

采用裂縫模擬的軟件，模擬了壓裂排量為0.2 m3/min時裂縫凈壓力的變化趨勢(圖4)。由圖4可知，若采取常規的穩流量壓裂，裂縫內的凈壓力只能達到2 MPa左右，因此必須采取提升裂縫內部凈壓力的措施。

圖4 常規壓裂裂縫凈壓力模擬Fig.4 Conventional fracture net pressure simulation

變流量壓裂裂縫凈壓力模擬如圖5所示。采用非穩定流量的壓裂措施對裂縫進行模擬，由圖5可知，松軟煤層裂縫內部凈壓力隨著流量的升高而升高，當流量達到0.4 m3/min時，凈壓力達到2.6 MPa。如果保持高流量，壓裂泵勢必保持著高壓力，產生極大的安全隱患。而后隨著施工流量的降低，裂縫內的凈壓力略有下降，當流量降到0.2 m3/min時，裂縫內凈壓力仍然能保持在2.5 MPa，完全滿足計算分支裂縫產生所需求的凈壓力。

圖5 變流量壓裂裂縫凈壓力模擬Fig.5 Simulation of net fracture pressure in variable flow fracturing

3.3 現場實施及壓后效果

壓裂鉆孔施工完成后，檢驗鉆孔是否按照設計參數施工。驗孔完成后，采用多次注漿封孔工藝進行封孔；封孔完成后，待水泥漿凝固72 h方可進行高壓水力壓裂試驗。

3.3.1 水力壓裂現場實施過程

在此次煤層水力壓裂實施過程中，1號壓裂孔按如下步驟進行：在按照管路連接好壓裂泵后，采用動態流量注水方法，從水力壓裂開始到結束，每次壓裂孔注水需要120 min左右(表1)，壓裂泵組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個檔位來回切換，開始先用第Ⅴ檔位，每5 min換到一個檔位，之后保壓10 min，后面又用5 min升高檔位，4個檔位交替進行。根據監控視頻顯示，當頂板或者巷幫裂隙分別出現小范圍陰濕時，此時停止水力壓裂、關閉閥門，其余壓裂孔按照常規穩流量進行壓裂。壓裂過程中的相關參數見表2。

表2 各孔壓裂相關參數Tab.2 Fracturing parameters of each hole

從表2可以看出，2號—6號壓裂孔在注水壓力、保壓壓力、14 d后最終壓力及累計注水量趨于一致，而1號壓裂孔壓裂過程中的參數明顯高于其他孔，這說明1號壓裂孔周圍較其他孔形成了較為豐富的裂隙，表現為較高的保壓壓力及較大的累計注水量。

3.3.2 水力壓裂煤巖效果考察

壓裂孔壓裂過程中，均未發現巷道頂板變形的預兆。1號壓裂孔保壓時間最長，初期保壓23 MPa，14 d后孔口保壓壓力仍有8 MPa；2號、3號、5號和6號壓裂孔14 d后的保壓壓力均降為0。2號壓裂孔和3號壓裂孔壓裂過程中巷道頂板漏水較為嚴重，形成了幾處雨簾，隨著多次壓裂的開展，漏水現象得到明顯減緩。4號、5號和6號壓裂孔壓裂過程中巷道頂板無明顯漏水現象，巷道頂板完整性較好。

3.3.3 壓裂后抽采效果考察

進行單孔平均瓦斯抽采濃度和單孔瓦斯抽采純量考察，并與相鄰己15-31030采面之前常規穩定流量壓裂、未壓裂區域抽采數據進行對比分析(圖6、圖7)。

圖6 煤層區域抽采濃度對比曲線Fig.6 Extraction concentration comparison curve in fractured zone

圖7 煤層區域單孔抽采純量對比曲線Fig.7 Scalar correlation curve of single hole extraction in fractured area

通過以上數據得出，1號孔變流量縫網水力壓裂后該區域抽采30 d瓦斯抽采平均濃度達到48.36%，2號—6號孔穩定流量常規壓裂區域瓦斯抽采平均濃度為32.43%，未壓裂區域瓦斯抽采濃度為12.04%。相比之下，變流量縫網壓裂瓦斯抽采濃度分別為穩流量壓裂、未壓裂區域的1.49倍及4.01倍。變流量縫網壓裂平均單孔瓦斯抽采純量為0.062 6 m3/min，穩流量常規壓裂瓦斯抽采純量為0.024 3 m3/min，未進行水力壓裂區域單孔抽采純量0.006 7 m3/min。相比之下，變流量縫網瓦斯抽采純量分別為穩流量常規壓裂、未壓裂區域的2.58倍及7.72倍。通過這些抽采數據說明水力壓裂技術增加了瓦斯抽采濃度和純量，但是采用變流量縫網壓裂的方法進行水力壓裂效果更佳。

4 結論

通過對松軟煤層縫網水力壓裂的理論分析和現場試驗，得出以下結論。

(1)在分析松軟煤層縫網壓裂機理和力學原理的基礎上，得出對于松軟煤層產生分支縫網的含天然裂隙的松軟煤層中，水力壓裂主裂縫促使天然裂隙形成縫網的關鍵條件是施工裂縫內的凈壓力大于煤儲層水平應力之間的差值。

(2)通過裂縫模擬軟件得出變流量壓裂可以增加裂縫內的凈壓力，在松軟煤層形成縫網結構，并進行了現場試驗，變流量注入壓裂的保壓壓力及累計注水量均高于常規壓裂孔?？疾炝藛慰淄咚钩椴蓾舛群图兞?，與原始煤層及穩定流量常規壓裂的方法相比，變流量縫網壓裂增透效果明顯較好，該方法可以作為水力壓裂增透技術借鑒的一種方法。

(3)變流量水力壓裂只是縫網壓裂的一種形式，隨著煤層開采難度的不斷增大，勢必會有更多的縫網水力壓裂技術應用于現場，需要進行更加深入地研究。