水力壓裂過程中單位注液量變化特征研究

賈宗凱 ，張云龍 ，宋廣明 ，蘇偉偉

（1.阜新礦業（集團）有限責任公司，遼寧 阜新 123000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

中國的煤炭開采主要是地下開采，并且大多數煤層的賦存條件比較復雜，煤層透氣性系數較低，導致煤層瓦斯抽采效率低下，進而為煤炭的安全開采帶來極大困難[1-3]。為此，眾多學者從增加煤層透氣性方面研究并提出水力化增透技術[4-6]（水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等）、爆破增透技術[7-8]（CO2相變致裂、化學炸藥致裂等）及化學改性增透技術[9]（煤體酸化）等。其中，水力壓裂增透技術被廣泛應用。

煤層水力壓裂技術即借助高壓泵向煤層內注入高壓液體使煤體開裂從而提高煤層滲透性能[10]。目前，在煤層水力壓裂過程中其壓裂參數變化規律研究方面，張帆等[11]通過在實驗室對大尺寸真三軸煤巖水力壓裂模擬試驗，得到泵壓隨時間的變化曲線，并分析得到煤巖破裂時泵壓將會出現突然“卸壓”的現象；馮仁俊[12]根據煤層水力壓裂過程中泵壓變化規律將水力壓裂過程分為應力累積階段、裂縫起裂階段、裂縫擴展階段、裂縫多次起裂-擴展階段及裂縫擴展完成5 個階段；KUMARI 等[13]通過在實驗室模擬高溫高壓條件下巖石水力壓裂的試驗，得到巖石起裂壓力與巖石溫度及圍壓之間的關系。在水力壓裂動態變化特征研究方面，林柏泉等[14]通過對煤體水力壓裂過程的數值模擬，將水力壓裂劃分為5 個階段：應力積累階段、微裂紋穩定擴展階段、局部破壞帶形成階段、局部破壞帶擴展與貫通階段、裂隙失穩階段；ZHANG 等[15]通過在實驗室內進行試驗，根據煤巖的破壞程度及其滲透率變化情況將水力壓裂過程分為3 個階段：煤巖壓實階段、煤巖膨脹階段和煤巖破裂階段；SHAN 等[16]根據實驗室水力壓裂試驗中泵壓及裂縫的擴展情況，將水力壓裂劃分為準備、增壓、斷裂、裂紋擴展及斷裂后5 個階段。從這些研究中可以看出，大多數研究均與水力壓裂過程中的注液壓力參數相關，而在注液量參數方面的研究較少，且鮮有對整個水力壓裂過程中注液量變化特征的分析和研究，特別是在整個水力壓裂過程中其注液量與注液壓力之間的關聯性研究上；此外，在對煤層整個水力壓裂過程的描述上也主要是依據注液壓力參數的變化，并且各劃分標準也不同。為此，以金鐘煤礦1703 采煤工作面為工程試驗地點，通過對煤層鉆孔進行水力壓裂試驗來研究整個水力壓裂過程中其單位注液量的變化特征，以及其單位注液量與注液壓力之間的關聯性，并據此對整個水力壓裂過程進行不同階段的劃分。

1 煤層水力壓裂機理及過程

煤層水力壓裂的基本原理就是通過向煤層內部注入高壓液體，借助高壓液體來改變煤層內部的應力分布，并使得煤體內部出現裂縫，從而增加煤層的透氣性，進而提高煤層氣的抽采效率[17]。整個水力壓裂過程可以簡述為在高壓液體作用下煤體內部原生裂隙與人工裂縫的產生、發展和貫通的過程。在向煤層內部注入壓裂液的初期，由于注液管路、壓裂鉆孔及其周邊裂隙內部還未被壓裂液充填，以及需要檢測管路的密封性，因此該階段注液壓力較小且相應的注液量也??；當注液管路、壓裂鉆孔及其周邊裂隙充滿壓裂液后，開始人為提高注液壓力，此時壓裂鉆孔內部的壓裂液開始儲能，并不斷擴大其浸潤周邊煤體的范圍，但其所需要的液體量較少，因此在煤體出現裂縫前，隨著注液壓力的不斷上升，其注液量并不會隨之上升，該階段簡稱“憋壓”[18]；而當煤體開裂后，煤體內部空間發生一定程度的膨脹，進而導致注液壓力出現短暫的“卸壓”現象，而相應的注液量在煤體內部空間膨脹及裂隙周邊煤體毛細作用影響下將會出現短暫的上升，隨后再次進入“憋壓”階段，直到裂縫末端的壓裂液所儲能量能夠克服周邊煤體內部的最小主應力時，煤體內部將會再次出現開裂及裂縫擴展的現象，如此循環，直到裂縫末端的壓裂液所具有的能量不足以使煤體再次開裂。

2 煤層水力壓裂試驗

2.1 試驗工作面概況

本次煤層水力壓裂過程中單位注液量變化規律研究的試驗地點為筠連縣金鐘煤礦有限公司1703 采煤工作面，該工作面回采7#煤層，其瓦斯含量及瓦斯壓力分別為4.48 m3/t 和0.37 MPa，該煤層普氏硬度為3.3～5.89。1703 采煤工作面走向長度為480 m（已回采360 m），傾向長度為120 m，煤層傾角為14 °，煤層平均厚度為1.40 m；該工作面采用走向長壁后退式采煤法，全部跨落法管理采空區頂板。當前，該工作面已施工若干抽采鉆孔，已施工抽采鉆孔布置示意圖如圖1。

圖1 已施工抽采鉆孔布置示意圖Fig.1 Layout of constructed extraction boreholes

2.2 壓裂設備及布置

本次1703 采煤工作面水力壓裂設備主要包括泵組（BRW200/31.5 型乳化液泵及配套水箱）、高壓膠管、壓裂桿、高壓封孔膠囊及監測設備等，水力壓裂設備整體連接示意圖如圖2。

圖2 水力壓裂設備整體連接示意圖Fig.2 Overall connection diagram of hydraulic fracturing equipment

此外，根據金鐘煤礦井下實際條件，由于與1703 采煤工作面進風巷和回風巷相連巷道的斷面面積都比較小，無法使水力壓裂所需要的泵組通過，因此將泵組布置在靠近1703 采煤工作面的中央變電所附近的巷道內，泵組與壓裂鉆孔之間通過高壓膠管進行連接。

2.3 鉆孔布置

根據試驗目的及1 703 采煤工作面現場實際條件，同時結合現場實際需求，在1 703 采煤工作面內共布置3 個水力壓裂孔和2 個控制孔，受回風巷巷道維修及管路安裝的影響，各鉆孔均在進風巷內沿煤層向回風巷方向施工，各鉆孔施工參見表1。

表1 各鉆孔施工參數Table 1 Construction parameters of each borehole

各鉆孔布置示意圖如圖3。其中，1#控制孔和2#控制孔的作用分別是控制1#壓裂孔和2#壓裂孔的壓裂范圍。

圖3 各鉆孔布置示意圖Fig.3 Layout diagram of each borehole

2.4 注液壓力調節

對煤層進行水力壓裂時，需要對整個壓裂過程中的注液壓力進行不斷調節，以便不斷為高壓液體補充能量來起裂煤體，進而提高煤層的增透效率。本次金鐘煤礦1703 采煤工作面水力壓裂試驗中注液壓力調節方案如圖4。

圖4 注液壓力調節方案Fig.4 Liquid injection pressure regulation scheme

3 單位注液量計算

本次煤層水力壓裂過程中所使用的液體流量計分別安裝在乳化液泵與水箱之間的進液管和回液管上。其中，進液管上安裝的是1#流量計，其檢測的液體流量值為QJ，即QJ為由水箱進入到乳化液泵的液體流量；回液管上安裝的是2#流量計，其檢測的液體流量值為QH，即QH為由乳化液泵回流到水箱里的液體流量。在進行水力壓裂過程中，水箱內的壓裂液在進入到乳化液泵內后，只有一部分壓裂液在乳化液泵的作用下通過高壓管進入煤層鉆孔，而另一部分壓裂液則通過回液管重新回到水箱。因此，水力壓裂過程中的實際注液量Q的值為QJ與QH的差值，即：

式中：Q為水力壓裂過程中高壓管液體流量，即實際注液量，m3；QJ為進液管液體流量，m3；QH為回液管液體流量，m3。

為方便對注液量數據的處理和分析，引入單位液體流量，即1 min 時間內通過各管路的液體流量。令QUF為高壓管單位液體流量，即單位注液量，則某1 min 高壓管的單位注液量為：

4 試驗結果

根據上述水力壓裂試驗方案，分別對3 個壓裂孔進行水力壓裂試驗。其中，1#壓裂孔和2#壓裂孔在壓裂過程中分別與1#控制孔和2#控制孔相互連通，而3#壓裂孔未出現與控制孔相互連通的現象?？紤]到1#壓裂孔和2#壓裂孔在壓裂過程中的壓裂參數變化規律基本相同，為減少篇幅，僅對2#壓裂孔和3#壓裂孔的相關數據進行分析。分析之前需要說明的是，2#壓裂孔在壓裂至43 min 時，2#控制孔出現流水現象，因此在壓裂至45 min 時停止壓裂；3#壓裂孔共壓裂90 min，其中注液壓力在45～90 min 期間一直保持在30 MPa，并且與其相距35 m 的2#控制孔直到壓裂結束也未出現流水現象。為便于分析，將2#壓裂孔壓裂過程中前43 min 劃分為正常壓裂區域，之后為非正常壓裂區域；將3#壓裂孔壓裂過程中前50 min 劃分為正常壓裂區域，50～90 min 劃分為非正常壓裂區域。2#壓裂孔和3#壓裂孔在其壓裂過程中各管路單位液體流量變化曲線如圖5，單位注液量與注液壓力之間的變化曲線如圖6。

圖5 各管路單位液體流量變化曲線圖Fig.5 Unit liquid flow change curves of each pipeline

圖6 各壓裂孔單位注液量與注液壓力變化曲線圖Fig.6 Variation curves of unit fluid injection volume and fluid injection pressure of each fracturing borehole

從圖5 中可以看出：在正常壓裂區域內，將2#壓裂孔和3#壓裂孔的進液管單位液體流量數據進行擬合處理后可以發現其整體變化趨勢呈“拋物線”，并沒有呈現線性增長的變化趨勢，考慮到整個壓裂過程中其注液壓力一直在增加，說明進液管單位液體流量并不隨注液壓力的不斷升高而不斷增大；同時，將2#壓裂孔和3#壓裂孔的回液管單位液體流量數據進行擬合處理后可以發現其整體變化趨勢也呈“拋物線”，說明其與進液管單位液體流量整體變化趨勢具有一定的聯動性；而在非正常壓裂區域內，2#壓裂孔的回液管單位液體流量在短時間內表現出快速下降的變化趨勢，而進液管單位液體流量和單位注液量則表現出快速增加的變化趨勢，其原因主要在于2#壓裂孔與2#控制孔連通后，水流阻力減小，乳化液泵的注液效率大大提高；相應的3#壓裂孔在非正常壓裂區域內，其回液管單位液體流量呈現明顯上升趨勢，而進液管單位液體流量和單位注液量均呈現明顯下降趨勢，其原因主要在于煤體內的裂縫末端由注液壓力所形成的擾動應力已經無法克服其周邊煤體的最小主應力，從而無法使煤體再次開裂，進而導致乳化液泵整體工作效率降低，使通過進液管由水箱進入到乳化液泵內部的壓裂液大部分又通過回液管進入到水箱，因此導致進入煤體的單位注液量迅速減少。另外，從圖5 中也可以看出2#壓裂孔和3#壓裂孔的單位注液量變化趨勢在正常壓裂區域內均可以描述為：下降階段（壓裂前期1～5 min）和波動階段。

從圖6 中可以看出：2#壓裂孔和3#壓裂孔在整個壓裂過程中均出現3 次注液壓力“卸壓”的現象；其中，2#壓裂孔分別在壓裂至16、24、30 MPa 時出現“卸壓”現象，相對應的壓裂時間分別為25、34、43 min，并且第3 次“卸壓”是因為2#壓裂孔與2#控制孔相互連通所導致；3#壓裂孔分別在壓裂至16、20、28 MPa 時分別出現“卸壓”現象，相對應的壓裂時間分別為22、27、41 min，3#壓裂孔在整個壓裂過程均未與其他鉆孔相互連通，因此在每次出現“卸壓”現象后很快又恢復到“卸壓”前的注液壓力水平，而沒有像2#壓裂孔那樣與控制孔相互連通后其注液壓力快速、持續地下降；相應的，2#壓裂孔和3#壓裂孔在整個壓裂過程中均出現3 次單位注液量明顯波動的現象，即先升高后又快速恢復至升高前的單位注液量水平；2#壓裂孔分別在壓裂至25、34、43 min 時出現明顯的波動現象，與其注液壓力出現“卸壓”的時間相同； 3#壓裂孔分別在壓裂至22、27、41 min 時出現明顯的波動現象，同樣與其注液壓力出現“卸壓”的時間相對應；并且，2#壓裂孔和3#壓裂孔在其壓裂過程中，其注液壓力均表現出每次從出現“卸壓”現象到恢復至“卸壓”前的注液壓力水平這個過程基本與其單位注液量從出現升高現象到恢復至升高前的單位注液量水平的過程相對應，說明各壓裂孔在壓裂過程中，其注液壓力與其單位注水量具有較好的關聯性，即當注液壓力出現明顯下降時，其實際單位注液量將會出現明顯升高，并且當注液壓力恢復至下降前壓力值時其單位注液量也隨之恢復至升高前的水平；分析其原因主要在于當煤體內的壓裂液所積蓄能量值大于其周邊煤體本身所存在的最小主應力值時，煤體將會出現開裂及裂縫擴展現象，此時煤體內部充液空間增加，在壓裂液未得到補充前，其壓力將會出現明顯的下降，注液阻力也隨之下降，故導致更多的壓裂液被注入到煤體內，進而為卸壓的壓裂液補充能量；隨著壓裂液的不斷補充，壓裂液積蓄的能量將會不斷恢復至下降前的水平，相應的注液阻力也隨之上升，進而單位注液量將會逐漸恢復至原來的水平；當裂縫末端壓裂液所積蓄的能量達到再次起裂煤體的水平時，上述過程將會再次循環，直到裂縫末端壓裂液所積蓄的能量無法使煤體再次開裂，而此時僅在浸潤裂隙周邊煤體上需要一定量的壓裂液，并且其需求量越來越小，因此，為維持煤體內部壓裂液的壓力值，所需壓裂液的量也逐步減少，進而導致其單位注液量也逐步降低。

綜上，在2#壓裂孔和3#壓裂孔的整個壓裂過程中，當煤體出現開裂及裂縫擴展時，各壓裂孔的注液壓力與其單位注液量均會出現明顯的“波動”現象，并且兩者具有較好的關聯性，即注液壓力出現明顯的“卸壓-恢復”現象時，其單位注液量則表現出明顯的“升高-恢復”現象，并且整個變化過程兩者具有同步性。因此，根據單位注液量的變化也可判斷煤體是否出現開裂及裂縫擴展的現象；同時，也可根據壓裂過程中單位注液量的變化來主動調節其注液壓力。例如，在煤層水力壓裂過程中出現實際單位注液量明顯降低的情況時，可通過主動提高其注液壓力來加速煤體開裂和減少“憋壓”時間，進而縮短整個水力壓裂過程。

5 水力壓裂過程階段劃分

在對煤層進行水力壓裂時，根據不同管路內單位液體流量的變化特征，同時結合各壓裂孔的單位注液量與其注液壓力之間的關聯性，可將水力壓裂大致劃分為3 個階段：

1）階段1：充液階段。此階段持續時間較短，其作用主要是向高壓管路、鉆孔及鉆孔周邊的裂隙注入壓裂液，并在壓裂液不斷進入上述空間的過程中，逐漸浸潤鉆孔周邊煤體；同時，通過較低的注液壓力向煤體鉆孔內注入壓裂液也可以對高壓管路的連接及壓裂孔的封孔質量進行初步驗證。由于該階段注液壓力一般比較小，不足以讓壓裂液積蓄一定的能量并使煤體起裂，因此該階段不會產生煤體開裂及裂紋擴展的現象。

2）階段2：蓄能與煤體開裂循環階段。該階段首先為蓄能，其作用主要是為起裂煤體做準備，待壓裂孔及其周邊裂隙充滿壓裂液后，通過不斷調節注液壓力，使鉆孔及其周邊裂隙內壓裂液的能量不斷增大。在壓裂液不斷蓄能過程中，隨著其自身能量的逐漸增大，壓裂液浸潤其周邊煤體的范圍也會隨著加大；當壓裂液積蓄的能量大于煤體自身所存在的最小主應力時，將進入煤體開裂及裂縫擴展階段，此時煤體將會初次開裂，并產生裂縫。同時，注液壓力將會出現“卸壓-恢復”現象，相應的，單位注液量將會出現“升高-恢復”現象；待第1 次煤體開裂及裂縫擴展結束后，壓裂液將重新進入蓄能階段，當裂縫末端的壓裂液再次能夠克服其周邊煤體最小主應力時，煤體將會再次開裂，如此循環，直到進入煤體停止開裂階段。

3）階段3：停止開裂階段。此階段裂縫末端的壓裂液雖然具有一定的能量，但是在裂縫阻力、瓦斯壓力及原始地應力等因素的影響下[19]，其能量已無法克服周邊煤體本身所存在的最小主應力，因此，該階段的煤體將不再開裂。此時，單位注液量將會出現明顯的下降，而回液管的單位液體流量將會明顯提高，其原因主要在于煤體不再開裂，進而導致進入煤體內部的壓裂液流量逐漸減少。

6 結 語

1）正常水力壓裂過程中，進液管及回液管的單位液體流量數據擬合曲線均呈“拋物線”狀，而單位注液量則可以劃分為下降階段和波動階段，其原因主要與鉆孔充水、煤體浸潤及煤體開裂與裂縫擴展相關。

2）煤體水力壓裂過程中，在出現煤體開裂及裂縫擴展時，其注液壓力與單位注液量的變化具有一定的關聯性，即注液壓力將會出現明顯的“卸壓-恢復”現象，而單位注液量則會出現“升高-恢復”的象，并且兩者具有同步性。

3）根據各壓裂孔水力壓裂過程中其單位注液量的變化特征，將整個水力壓裂過程劃分為3 個階段：充液階段、蓄能與開裂循環階段和停止開裂階段。