馬堡煤業高壓水力壓裂沖孔工業試驗分析

石 光

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

水力壓裂沖孔技術作為一種煤層壓裂技術可以有效地提高煤層的滲透率,以此強化瓦斯的抽采效率。為達到理想的壓裂效果,常采用數值模擬方法對水力壓裂參數與工藝進行研究[1-5]。張玉等[6]以多孔介質滲流理論為基礎,提出了基于有限容積法的水力壓裂的數值模擬方法。劉嘉等[7]基于多孔彈性理論與最小能量原理建立了水滲流模型,并探究了不同地應力對裂紋擴展的影響。閆曉等[8]依托界面單元法建立了水力壓裂模型,并對裂紋擴展機制進行了研究。楊晨旭[9]針對水力壓裂過程中的巖石變形特性建立了三維水力壓裂模型。郭欣等[10]假設瓦斯滲流符合達西定律與質量守恒定律,依托COMSOL軟件探究了瓦斯有效抽采半徑的影響因素。以上研究內容為水力壓裂增透瓦斯抽采提供了大量的研究基礎,為探究馬堡煤業水力壓裂沖孔增透的適用性,采用數值模擬方法探究了不同注水壓力條件下裂紋擴展特性,并以8205運輸巷底抽巷為試驗對象開展了穿層水力壓裂增透工業試驗。

1 高壓水力壓裂沖孔數值模擬

高壓水力壓裂增透技術會影響抽采鉆孔圍巖應力,并使其重新分布,重新分布的應力場會導致抽采鉆孔周圍裂隙發育,而裂縫發育程度是影響瓦斯抽采效果的主要因素。使用數值模擬軟件RFPA2D-Flow對高壓水力壓裂后抽采鉆孔周圍的水壓力進行仿真,并結合馬堡煤礦的現場實際,通過建立穿層鉆孔高壓水力壓裂物理模型,研究不同注水壓力情況下,高壓水壓致裂裂紋擴展發育狀態,可為現場高壓水力壓裂技術的工業性試驗提供指導。

1.1 數值模型的建立

使用RFPA2D-Flow數值模擬軟件,結合馬堡礦8號煤實際情況,建立單孔穿層鉆孔高壓水力壓裂物理模型,如圖1所示。物理模型是沿著煤層傾向建立的,尺寸10 m×2 m,代表煤層厚度2 m,傾向方向長為10 m,煤層瓦斯壓力為0.186～0.685 MPa,鉆孔與煤層夾角為30°,鉆孔直徑為0.113 m,巖性參數如表1所示。在RFPA2D-Flow中設置初始注水壓力分別為3 MPa、8 MPa、13 MPa、18 MPa.

表1 水力壓裂數值模型力學參數

圖1 數值模擬模型

1.2 水力壓裂沖孔模擬結果分析

圖2表示了穿層鉆孔在不同注入高壓水過程中,鉆孔周圍應力場變化情況,圖中黑色區域表示鉆孔附近的裂隙。圖2(a)中,注水壓力為3 MPa,此時鉆孔周圍并無裂隙產生。圖2(b)中,注水壓力增加至8 MPa,此時鉆孔周圍裂隙萌生出微小裂隙,只在抽采鉆孔與煤層交點位置有小部分的裂隙。圖2(c)中,注水壓力增加為13 MPa,此時裂隙迅速擴展,在鉆孔和煤層底部交點位置萌生較多裂隙。圖2(d)中,注水壓力為18 MPa,鉆孔出現明顯的擴裂,最大影響距離為1.76 m(只有1個穿層鉆孔,附近無穿層鉆孔的條件)。

圖2 不同注水壓力條件下單孔水力壓裂沖孔效果

綜上分析可知,在馬堡煤業煤層條件下,注水壓力為8 MPa時可使煤層產生初始破壞,注水壓力為13 MPa時可使裂隙快速擴張,注水壓力為18 MPa時可使煤層裂隙達到充分破壞。

2 水力壓裂沖孔工業試驗

2.1 水力壓裂鉆孔設計

選取8號煤層的8205運輸巷底抽巷作為試驗對象。此工作面回風巷高、運輸巷低,平均落差為27 m.走向長度為1 130 m(可采推進長度1 100 m),傾向長度為160 m,面積為203 400 m2.工作面以真方位角38°布置。工作面東側為8204采空區,地面標高為+1 268～+1 279 m.巷道寬為4 m,高為3 m,主要用于8205運輸巷區域預抽鉆孔施工用。每8個鉆孔為一組,鉆孔設計剖面圖如圖3(a)所示。每組鉆孔布置上、下兩排鉆孔,每排各布置4個鉆孔,共計8個孔。孔間距為1 m,排間距為0.5 m,鉆孔直徑為113 mm,鉆孔深度35～67 m.鉆孔開孔位置如圖3(b)所示,鉆孔參數如表2所示。

表2 8205運輸巷底抽巷穿層鉆孔參數

圖3 底抽巷水力壓裂鉆孔布置圖

2.2 設計方案數值模擬分析

2號孔水力壓裂時,鄰近的1號孔、3號孔未進行水力壓裂。2號孔與1號孔、3號孔終孔位置距離均為5 m、5 m,1號孔、2號孔、3號孔進入煤層角度分別為30°、26°、23°.在數值模擬軟件中建立20 m×2 m的模型,初始水壓由8 MPa逐漸增加至18 MPa時,裂隙擴展規律如圖4所示。圖4(a)中,注水壓力為8 MPa時,鉆孔附近無明顯裂隙。圖4(b)中,注水壓力為13 MPa,在2號孔與見煤段中間位置萌生了裂隙,2號鉆孔附近裂隙發育明顯。圖4(c)中,注水壓力18 MPa,2號孔和左側的1號孔有明顯的裂隙導通。2號孔進行高壓水力壓裂,鄰近的1號孔、3號孔未進行水力壓裂的條件下,當注水壓力為18 MPa時,2號孔和1號孔之間發育裂隙并且導通,壓裂范圍經測量為2.87 m.

圖4 1號、2號、3號鉆孔水力壓裂沖孔規律

4號孔、5號孔位于運輸巷的兩側,主要用于運輸巷的卸壓,可以有效避免巷道掘進導致的煤與瓦斯突出現象,在數值模擬軟件中建立24 m×2 m的模型,初始水壓由8 MPa逐漸增加至18 MPa時,裂隙擴展規律如圖5所示。

圖5 4號、5號鉆孔水力壓裂沖孔規律

圖5(a)中,注水壓力為8 MPa時,鉆孔附近已經出現裂隙,相比于1號、2號、3號鉆孔的裂隙起裂壓力更小。圖5(b)中,當注水壓力為13 MPa時,兩鉆孔之間的裂隙出現明顯的聯通趨勢,并且快速擴展。當注水壓力達到圖5(c)中所示的18 MPa時,兩鉆孔之間的裂隙已接近于完全貫通。根據實際測量可知,當注水壓力為18 MPa時,壓裂范圍為1.36 m.

7號孔水力壓裂時,鄰近的6號孔、8號孔未進行水力壓裂。7號孔與6號孔、8號孔終孔位置距離均為5 m、5 m,6號孔、7號孔、8號孔進入煤層角度分別為18°、17°、15°,設計見煤長度分別為6.8 m、7.4 m、8.0 m.

在數值模擬軟件中建立26 m×2 m的模型,初始水壓由8 MPa增加至13 MPa時,裂隙擴展規律如圖6所示。圖6(a)中,注水壓力為8 MPa,裂隙迅速發育。圖6(b)中,注水壓力為13 MPa時,7號孔與6號孔裂隙已經導通。由以上分析可得:7號孔進行高壓水力壓裂,鄰近的6號孔、8號孔未進行水力壓裂時,壓裂范圍為1.13 m.

圖6 6號孔、7號孔、8號鉆孔水力壓裂沖孔規律

2.3 設計方案工業試驗分析

上述數值模擬實驗已經驗證了設計的水力壓裂沖孔技術參數具有較好的壓裂效果。因此,在8205運順巷底抽巷250 m位置處,施工第40組穿層鉆孔作為試驗鉆孔,開展試驗研究,水力壓裂鉆孔的注水持續時間均為30 min.

2號穿層鉆孔注水壓力提升至15 MPa時,由于現場條件限制,停止了注水,維持30 min后,附近其他的鉆孔并無返水的情況,表明此壓裂鉆孔的裂紋擴展區域未達到鄰近鉆孔。4號穿層鉆孔注水壓力為15 MPa時,鄰近的鉆孔并無水滲流情況。5號穿層鉆孔注水壓力為18 MPa,附近的第39組4號鉆孔內開始出水,表明兩鉆孔間形成貫穿裂隙通道。7號穿層鉆孔注水壓力為10 MPa, 6號鉆孔有少量返水,裂隙已經發育,但擴展不是很大。由于第40組的5號鉆孔與第39組的4號孔裂隙導通,而兩組鉆孔的間距約為1.1～4.45 m,由此判斷出水力壓裂的裂隙影響范圍為1.1～4.45 m.由此可知,工業試驗的結果與數值模擬的結果較為相近。

3 瓦斯抽采效果分析

為檢驗水力壓裂沖孔技術的實際增透效果,以第40組穿層鉆孔為例,開展了30 d的瓦斯抽采監測。為對比分析抽采效果,選取距水力壓裂鉆孔外側100 m位置的第17組鉆孔作為對照。最終得到30 d的瓦斯體積分數演化曲線如圖7所示。

圖7 壓裂鉆孔與未壓裂鉆孔抽采體積分數曲線

通過對比分析可知,10月27日至11月8日,兩組鉆孔的瓦斯體積分數均處于高位,壓裂組單孔平均體積分數為18.36%,未壓裂組單孔平均體積分數為3.4%.壓裂組單孔平均抽采體積分數是未壓裂組單孔平均體積分數的5.4倍。11月8日至11月22日,壓裂組和未壓裂組抽采體積分數都有衰減,壓裂組和未壓裂組平均抽采體積分數分別為8.15%、4.28%,壓裂組是未壓裂組平均抽采體積分數的1.9倍。整個觀測期間內,單孔平均抽采體積分數壓裂組是未壓裂組的14.26%/3.75%≈3.8倍。

4 結 語

1) 根據馬堡煤業8號煤層的地質情況,依托RFPA2D-Flow模擬了3 MPa、8 MPa、13 MPa、18 MPa注水壓力條件下的鉆孔裂紋擴展情況。分析得出,注水壓力為8 MPa可使煤層產生初始破壞,注水壓力為13 MPa可使裂隙快速擴張,注水壓力為18 MPa可使煤層裂隙達到充分破壞。

2) 采用數值模擬方法分析了穿層鉆孔的壓裂裂紋擴展規律,2號孔注水壓力為18 MPa時,壓裂范圍經測量為2.87 m.4號孔、5號孔注水壓力為18 MPa時,壓裂范圍為1.36 m.7號孔注水壓力為13 MPa時,壓裂范圍為1.13 m,與工業試驗結果較為接近。

3) 經瓦斯抽采效果對比分析,水力壓裂鉆孔組平均抽采體積分數是無水力壓裂鉆孔組的3.8倍。