察哈素煤礦導向槽定向水力壓裂增透技術研究

魏 遠，趙尤信

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；2.煤科通安〈北京〉智控科技有限公司，北京市朝陽區，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區，100013；4.煤炭智能開采與巖層控制全國重點實驗室，北京市朝陽區，100013)

0 引言

隨著煤層開采深度的增加，瓦斯抽采難度越來越大，煤與瓦斯突出問題日益嚴重，嚴重制約著煤礦的安全運營和高效生產[1-3]。針對開采深度大、透氣性低和瓦斯抽采困難的煤層，通過強化措施提高煤層的抽采效率很有必要，目前，常用到的煤層增透方法有開采保護層卸壓增透法[4]、鉆孔卸壓增透法[5]、高能液體擾動卸壓增透法[6-7]和爆生氣體擾動卸壓增透法[8]等，其中，水力壓裂技術在煤層卸壓增透中應用廣泛。

水力壓裂增透技術通常應用于堅硬煤層中，通過在煤層鉆孔中注水，使煤體產生裂隙，從而增加煤層透氣性。周西華等[9]對水力壓裂增透進行了現場試驗并建立了煤層損傷-應力-滲流耦合模型進行數值模擬，其模擬結果和現場試驗結果均表明壓裂后煤層透氣性提高了67倍，瓦斯抽采純量得到大幅度提升；馬海峰等[10]提出了“W-S-W”強化水力壓裂增透技術，并與普通水力壓裂進行了試驗對比，結果顯示“W-S-W”水力壓裂后煤層瓦斯體積分數比普通水力壓裂提高了1.2倍，瓦斯抽采效果更明顯；PROFIT M等[11]構建了水力壓裂裂縫擴展力學模型，基于流固耦合離散元方法模擬分析了不同參數對水力壓裂效果的影響；MARSDEN H等[12]以澳大利亞高瓦斯礦井為例，分析了納米技術在煤層水力壓裂增透中應用的可行性和有效性；賈進章等[13]以馬堡煤礦為研究對象，應用RFPA2D-flow數值模擬方法研究了多點布孔方式對水力壓裂效果的影響，確定了該礦水力壓裂有效抽采半徑為3 m。前人的研究主要集中在水力壓裂效果、壓裂參數選擇等方面，而對定向水力壓裂技術應用的研究相對較少。

鑒于此，筆者以察哈素10號煤礦24130工作面為工程背景，建立煤巖應力-損傷-滲透的水力壓裂抽采耦合模型，應用COMSOL軟件模擬水力壓裂過程中煤體損傷及瓦斯抽采效果，研究導向槽對水力壓裂的影響以及定向水力壓裂的增透效果。研究成果對進一步改善煤層增透效果、節約工程成本具有重要意義，為定向水力壓裂技術在其他礦區的應用提供指導。

1 數值模擬理論研究

1.1 固體應力場控制方程

水力壓裂與瓦斯抽采過程受煤體應力變化、瓦斯吸附應力變化等影響，瓦斯運移應力場控制Navier方程為[14]：

(1)

式中：G——剪切模量，Pa；

μ——泊松比；

K——煤巖體積模量，Pa；

αm、αf——孔隙與裂隙對應的Biot系數；

pm——孔隙流體壓力，Pa；

V——流體流速，m/s；

ε——煤巖體應變，Pa；

Fi——體積力，Pa；

pf——裂隙流體壓力，Pa。

1.2 損傷控制物理方程

煤層為非均勻的彈性物質，其孔隙、裂隙損傷應變滿足Weibull分布，概率密度函數f(u)滿足如下方程[15]：

(2)

式中：u——單元力學參數；

u0——單元力學參數平均值；

m——均質度參數。

高壓水作用使煤層裂隙變大，損傷量造成煤體原彈性模量變小，當煤體應力狀態壓縮、拉伸破壞時滿足摩爾-庫倫準則：

式中：σ1、σ3——最大和最小主應力，Pa；

β——內摩擦角，(°)；

fc0——單軸抗壓強度，Pa；

ft0——抗壓強度，Pa；

F1、F2——損傷閾值。

煤層注入高壓水的損傷變量D為：

(5)

式中：εt0——最大拉伸主應變；

εc0——最大壓縮主應變。

1.3 煤層滲流場控制方程

水力壓裂與瓦斯抽采過程中存在氣水兩相流，根據達西(Darcy)定律，瓦斯滲流場與裂隙氣水運移場方程為[14]：

式中：t——單位時間，s；

Mg——相對分子量，g/mol；

R——通用氣體常數，J/(mol·K)；

T——溫度，K；

Sg——氣相飽和度；

Sw——水相飽和度；

K——絕對滲透率，m2；

Krw——水相的相對滲透率；

ug——氣相的動力粘度，Pa·s；

uw——水相的動力粘度，Pa·s；

b——滑脫因子，Pa；

Pw——注水壓力，MPa；

φ——裂隙孔隙度；

ρw——水密度，kg/m3；

ρc——煤體密度，kg/m3；

VL——Langmuir吸附體積常量，m3/kg；

PL——Langmuir壓力常量，Pa。

2 定向水力壓裂數值模擬研究

2.1 地質背景

察哈素10號煤礦24130工作面平均煤層厚度為5.54 m，煤層透氣性系數為0.015 5～0.043 7 m2/(MPa2·d)，衰減系數為0.382 0～0.410 4 d-1，煤層堅固性系數f值為0.25～0.35，孔隙率為0.035，屬于較難抽采煤層。

2.2 模型建立

根據24130工作面實際情況，應用COMSOL Mutiphysics數值模擬軟件建立模型，如圖1所示，模型尺寸為42 m×11 m，煤層厚度為5 m，上頂板與下頂板厚度為3 m，布置3個壓裂孔、2個抽采孔、2個定向控制孔。上部受煤層的負巖壓力作用，右側受水平壓力作用，左側為滑動邊界，底部為固定邊界，煤層外部無滲透邊界。煤層基礎參數：初始裂隙孔隙率0.035，瓦斯動力粘度1.84×10-5Pa·s，水的動力粘度0.001 03 Pa·s，Langmuir壓力常量1.85×106Pa，Langmuir吸附體積常量0.025 1 m3/kg，骨架彈性模量8.469×109Pa，煤體彈性模量8.5×109Pa，煤體泊松比0.28，骨架密度1 270 kg/m3，埋深450 m，初始瓦斯壓力0.41 MPa，毛細管力50 000 Pa，滲透率跳躍系數56，注水壓力20 MPa，瓦斯抽采負壓18 kPa，滑脫因子0.76×106Pa，孔隙彈性有效系數0.92，煤體均質度6 m，視密度1.37 t/m3。

圖1 水力壓裂抽采物理模型

2.3 數值模擬結果分析

當模擬設計注水壓力20 MPa、抽采負壓18 kPa時，不同壓裂時刻煤體彈性模量的變化如圖2所示。

圖2 水力壓裂煤體彈性模量

由圖2可知，高壓水注入煤巖中，導向槽使得煤層所受的水平主壓力大于垂直主應力，在煤體水平方向上率先發生巖層拉伸破裂，隨著高壓水注入時間增加，煤層損傷范圍逐漸增大，呈橢圓形變化，破壞后煤巖體滲透率增大。

不同抽采時刻抽采孔附近瓦斯壓力分布情況如圖3所示。由圖3可知，抽采孔附近的瓦斯壓力值明顯小于其他煤體，抽采的有效面積隨抽采天數的增加而逐漸增大。

圖3 抽采孔附近瓦斯壓力分布情況

不同抽采時間瓦斯壓力隨抽采距離的變化情況如圖4所示。圖中以煤層瓦斯壓力下降30%作為煤層抽采半徑的標準，即煤層瓦斯壓力由0.41 MPa下降到0.29 MPa。由圖4可以看出，煤體未壓裂的情況下，抽采10、30、60 d的有效抽采半徑分別為0.8、1.4、1.6 m；水力壓裂后抽采10、30、60 d的有效半徑分別為1.8、2.4、3.9 m，抽采60 d后，有效的抽采半徑對比之前未壓裂抽采半徑增大了2.44倍。

圖4 瓦斯壓力隨抽采距離的變化曲線

3 現場工業性試驗

3.1 鉆孔布置

根據模擬結果和察哈素10號煤礦24130工作面瓦斯地質條件，在進風巷巷幫沿煤層間隔一定距離布置平行鉆孔?？紤]到鉆場實際情況以及試驗效果，本次試驗共施工7個鉆孔，鉆孔孔徑Ф94 mm。將水力壓裂裝置的初始壓力設定為5 MPa，檢查合格后，逐漸將壓力升至10 MPa并保持一段時間，觀察附近控制鉆孔，當附近沒有水從鉆孔中流出，每次適當加壓4 MPa并維持一段時間，直到附近鉆孔有水涌出，然后保持注水壓力不變，至鉆孔水流變清時水力壓裂作業停止。

3.2 現場試驗效果分析

水力壓裂的目的是增大煤體內的裂隙，為瓦斯流動提供通道，提高煤層透氣性。因此，瓦斯流量和濃度的增加幅度是考察壓裂效果的重要指標。在各抽采鉆孔完成后，在鉆孔處安裝流量和濃度監測裝置，監測并記錄常規鉆孔和試驗鉆孔的瓦斯流量和濃度參數。對抽采鉆孔連續監測25 d，得到抽采孔平均瓦斯濃度和瓦斯純量變化曲線如圖5所示。

圖5 抽采孔瓦斯參數變化曲線

由圖5可知，煤巖損傷破裂后，試驗抽采鉆孔瓦斯濃度為36.9%～55.4%，瓦斯純量為0.005 9～0.013 2 m3/min，平均瓦斯濃度42.4%，平均瓦斯純量0.009 8 m3/min；常規抽采鉆孔組瓦斯濃度為5.4%～38.5%，瓦斯純量為0.001 4～0.003 9 m3/min，平均瓦斯濃度為15.4%，平均瓦斯純量為0.001 8 m3/min，因此，水力壓裂后的平均混合瓦斯濃度是壓裂前的2.75倍，平均混合瓦斯純量是壓裂前的5.44倍。由此可見，采取導向槽定向水力壓穿措施的增透效果明顯。

3.3 有效抽采半徑

水力壓裂有效抽采半徑依據下式計算：

(8)

式中：W——煤層的原始瓦斯含量，m3/t；

Qc——累計抽采純量，m3/t；

ρ——煤的密度，t/m3；

Rc——有效抽采半徑，m；

L——有效的鉆孔長度，m；

π——煤的孔隙率；

η——抽采效率，%。

察哈素10號煤礦24130工作面測得的實際瓦斯含量為8.48 m3/t，有效抽采鉆孔長度為50 m，根據式(8)計算得出抽采時間為10、20、30、40、50、60 d時，有效抽出半徑分別為1.5、2.1、2.6、2.9、3.3、3.6 m。由數據擬合可知，水力壓裂有效抽采半徑的擬合公式為Rc=0.489t0.4871，當抽采時間為60 d時，有效抽采半徑為3.6 m，與數值模擬結果大致吻合，驗證了數值模擬模型的有效性。根據察哈素10號煤礦24130工作面未壓裂前的抽采數據可以計算得出抽采半徑達到3.0 m時，需要抽采84 d，而應用水力壓裂后，僅需41 d抽采半徑即可達到3.0 m，抽采的時間縮短了43 d。

4 結論

(1)通過COMSOL Mutiphysics數值模擬分析了察哈素10號煤礦24130工作面導向槽定向水力壓裂穿煤層彈性模量分布，滲透率變化與煤層瓦斯壓裂前后的應力變化。當水力壓裂1 800 s時，損傷區域貫穿，壓裂后抽采壓力迅速下降到有效壓力抽采線，抽采60 d，有效的抽采半徑比未壓裂前增大了2.44倍。

(2)在察哈素10號煤礦24130工作面實施導向槽定向水力壓裂試驗，試驗水力壓裂鉆孔組抽采混合瓦斯濃度是常規鉆孔組的2.75倍，瓦斯抽采純量是常規鉆孔組的5.44倍。

(3)察哈素10號煤礦24130工作面定向水力壓裂滿足有效抽采半徑公式為Rc=0.4787t0.4871，當抽采半徑為3.0 m時，壓裂作業后的抽采時間為41 d，相比常規抽采孔抽采的時間縮短了43 d。