煤層高壓注水壓裂增透效應研究

楊理強,韓云春,陳本良,豐安祥,芮千龍

(1.煤炭開采國家工程技術研究院, 安徽 淮南 232001;2.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司, 安徽 淮南 232001;3.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司, 安徽 淮南 232001;4.深部煤炭安全開采與環境保護全國重點實驗室, 安徽 淮南 232001;5.煤礦瓦斯治理國家工程研究中心, 安徽 淮南 232001;6.淮南礦業(集團)有限責任公司, 安徽 淮南 232001)

水力壓裂技術廣泛用于松軟低透氣性煤層瓦斯抽采增透增產工藝[1-2],胡千庭等[3]通過物理模擬試驗分析了裂隙周邊的應力場特征和裂縫動態擴展過程,研發了煤層頂板分段水力壓裂技術。張衛華等[4]提出了水力沖壓聯合卸壓增透抽采瓦斯技術,先在煤層中施工水力沖孔導向孔,再開展水力壓裂,并在鶴壁礦區進行了應用,煤層透氣性增加了2倍多。但是,水力壓裂技術依然存在壓裂后裂縫重新閉合、起裂位置及方向難以控制、起裂壓力較高和壓裂液漏失等技術難題,及壓裂效率低、瓦斯抽采衰減快等實際問題,極大限制了水力壓裂技術的應用和推廣[5-7]. 本文采用數值模擬研究了高壓水對煤體增透卸壓效應和煤體塑性變形的影響,并在煤礦現場進行了應用研究和效果考察,以期為煤層高壓注水壓裂增透提供技術支撐。

1 煤層高壓注水壓裂數值分析

為了模擬煤層高壓注水壓裂的卸壓增透過程,開展鉆孔壓裂數值模擬分析,在煤體中設計一條10 m長裂縫,見圖1. 模型尺寸X=20 m,Z=20 m,模型右側設為固定約束邊界,上側、下側和左側設為壓力邊界,初始應力為20 MPa,模型參數見表1.

表1 模型參數取值

圖1 模型網格及裂縫設計

由于裂縫注水可能造成煤層應力集中,直接影響煤層瓦斯的透氣性和采掘安全,因此,模擬分析了裂縫周圍的應力分布等情況。其中Z方向的應力變化見圖2,當煤體采用裂縫注水壓裂時,裂縫周圍先出現增壓區,煤體應力為32 MPa左右,底部出現卸壓區,煤體應力為7 MPa左右。

圖2 Z向應力分布

水力壓裂停止后的Z向應力分布云圖見圖3. 水力壓裂后,裂縫兩側產生大范圍卸壓塑性變形區,僅在裂縫前端有局部應力集中,說明通過水力壓裂可以有效快速降低鉆孔周圍應力,促進卸壓瓦斯快速擴散。

圖3 水力壓裂停止后Z向應力分布

2 高壓水力壓裂工業試驗和效果考察

2.1 工程背景和施工工藝

選擇某礦為煤層高壓水力壓裂試驗地點,該礦主采3#煤,煤質松軟,預抽鉆孔施工時經常出現卡鉆夾鉆及成孔困難等問題。煤層原始瓦斯為6.2～7.6 m3/t(最高16.04 m3/t),K1值為0.11～0.41,鉆屑量為2.8～4.5 kg/m. 原始瓦斯壓力為0.12～0.66 MPa,煤層堅固性系數0.3～0.6,瓦斯放散初速度為12.6～21.3 mmHg,鉆孔瓦斯流量衰減系數0.109 3～0.113 5 d-1,煤層透氣性系數為0.010 4～0.047 5 m2/(MPa2·d),屬較難抽采煤層。目前該礦井抽、掘、采銜接緊張,主要由于3#突出煤層區域預抽達標周期為180 d,制約礦井產能釋放。該次高壓水力壓裂效果考察,共設計導向孔和壓裂孔合計22個,布置見圖4(D1—D12為導向孔,Y1—Y12為壓裂孔)。

圖4 鉆孔布置

在壓裂實施過程中,先施工導向孔D1,然后依次施工Y1、D2、Y2、D3、Y3、D4、Y4、D5、Y5、D6、D7、Y6、D8、Y7、D9、Y8、D10、Y9、D11、Y10、D12. 鉆進施工采用φ125 mm鉆頭,壓裂孔與導向孔設計參數見表2,壓裂孔和導向孔均采用“兩堵一注”注漿封孔方法,壓裂孔有效封孔長度20 m,導向孔封孔長度10 m.

表2 壓裂孔與導向孔設計參數

壓裂施工具體過程:在完成前期壓裂系統穩定性和安全性檢查后,先關閉單向閥處的截止閥,開泵并檢查溢流閥壓力表的變化,使壓力升高至10 MPa;打開單向閥處的截止閥,完全打開溢流閥,啟動注水泵,調節溢流閥,開始鉆孔壓裂;注水15 min后,若壓力表沒有變化,停泵檢查管路及鉆孔密封情況,利用溢流閥控制壓裂壓力,保持壓力平穩上升;預定在3 MPa、5 MPa、7 MPa壓力處分別維持2 min,然后根據壓力需要調節壓力變化。在整個壓裂過程中使水力壓力保持在15 MPa以下;當達到結束判斷標準時,停泵結束壓裂作業。

2.2 高壓水力壓裂實施效果考察

2.2.1 水力壓裂抽采瓦斯量分析

為了考察高壓水力壓裂實施效果,開展了壓裂前后瓦斯純量和抽采總量變化的對比分析。圖5是總孔板瓦斯純量變化對比圖,由圖可知,壓裂孔在20天內的瓦斯抽采純量明顯高于普通孔,其壓裂孔瓦斯純量是普通孔瓦斯純量的1.7～3倍。壓裂孔在前10天內的瓦斯純量平均為0.17 m3/min(最高0.18 m3/min),10天后,隨著裂縫閉合,壓裂孔瓦斯抽采純量出現波動,但壓裂孔瓦斯純量依然高于普通孔瓦斯純量,普通孔瓦斯純量保持在0.06～0.10 m3/min.

圖5 瓦斯純量變化對比

圖6是總孔板瓦斯抽采總量變化對比圖,壓裂孔瓦斯抽采總量在20 d內明顯高于普通孔,考察的壓裂孔瓦斯抽采總量也為普通孔瓦斯抽采總量的1.7～3倍。壓裂孔在前10 d內的瓦斯抽采總量平均在240 m3左右,最高瓦斯抽采總量為260 m3/min. 10 d后,隨裂縫閉合,壓裂孔瓦斯抽采總量有所下降,但壓裂孔瓦斯抽采總量依然高于普通孔瓦斯抽采總量,普通孔瓦斯抽采總量在80～140 m3的較低水平上波動。

圖6 瓦斯抽采總量對比

2.2.2 壓裂前后抽采半徑變化情況分析

壓裂前該礦順層鉆孔有效抽采半徑為1.5～2.5 m,鉆孔間距2 m,瓦斯抽采難度大,抽采濃度低。該次壓裂抽采半徑考察避開地質構造帶施工10個考察鉆孔,直徑125 mm,分布在水力壓裂鉆孔Y1側和Y10側,垂直于巷道壁施工,且所有鉆孔軌跡相互平行,打鉆結束后立即封孔,壓裂孔封孔長度不低于20 m,考察孔封孔長度不低于15 m. 鉆孔間距按照圖7設計施工。

圖7 測試鉆孔示意

在普通抽采鉆孔施工至煤層預定深度之前,連續觀測10個考察孔的流量變化情況,每10 min觀測一次,觀測次數不少于4次;施工普通抽采鉆孔后,連續觀測10個考察孔流量變化情況,每10 min觀測一次,觀測次數不少于6次。

在Y1和Y10實施水力壓裂之前,連續觀測10個考察孔流量變化情況,每10 min觀測一次,觀測次數不少于4次;水力壓裂鉆孔內實施壓裂結束后,連續觀測10個考察孔流量變化情況,每10 min觀測一次,觀測次數不少于6次,并計算其平均值;連續觀測3天,測試全部結束。

當距壓裂孔最遠的考察孔與其瓦斯抽采量升高的最后值相比,3次測量值均增加15%以上,此處的距離作為壓裂鉆孔有效抽采半徑,測量值增加5%以上的距離,作為壓裂鉆孔影響半徑。通過現場測量發現,1#、2#、3#、4#、-1#、-2#、-3#、-4#考察孔在壓裂鉆孔壓裂施工后的瓦斯涌出量均出現明顯增大,與其瓦斯抽采量升高前的最后值相比,均增大15%以上;5#考察孔距壓裂鉆孔為6.5 m,其增大的比例與其他考察孔相比較小,增幅為7%;-5#測試鉆孔瓦斯抽采量升高值小于5%. 因此,取4.5 m作為壓裂鉆孔有效抽采半徑,6.5 m作為壓裂鉆孔影響半徑,煤層實施高壓注水壓裂后,其鉆孔有效抽采半徑明顯增大。

3 結 論

通過對某礦3#煤層開展水力壓裂數值模擬分析和現場應用研究,得出如下結論:

1) 數值模擬表明,高壓注水壓裂可使裂縫兩側出現大范圍卸壓區,裂縫水力壓裂在整體消災方面具有一定優勢。

2) 通過開展順層鉆孔水力壓裂試驗和效果考察表明,與普通抽采孔對比,實施高壓注水壓裂后的煤層瓦斯抽放可以維持高流量和長周期抽采。

3) 煤層高壓注水壓裂孔在20天內的瓦斯抽采純量和抽采總量明顯高于普通孔,均為普通孔的1.7～3倍。

4) 煤層經高壓注水壓裂后,抽采鉆孔的有效抽采半徑由1.5～2 m提高到4.5 m,增透卸壓效果顯著。