基于RFPA的水力压裂增透影响半径数值模拟研究

李新明 ，梁忠秋

(1.山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033602；2.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

随着我国煤炭开采强度的增加，越来越多的矿井将步入深部开采，但是深部区域的煤层地应力和瓦斯压力却很高[1]，透气性差，导致煤层瓦斯抽采效果差、本煤层钻孔打钻量大，对矿井的采掘衔接产生严重影响[2]。所以针对矿井瓦斯含量高、透气性系数差的煤层，如何高效抽采瓦斯成为各大煤炭企业的技术难题，而解决此难题的最佳方法是煤层的卸压增透[3-4]。

现在我国大多数矿井采用的卸压增透方法是水力化措施[5]、开采保护层[6]、深孔预裂爆破[7]及液态CO2相变致裂爆破[8]。相关学者对此进行了大量研究。何福胜等[9]通过在斜沟煤矿开展的水力压裂试验表明，水力压裂区域煤层的透气性系数、瓦斯抽采浓度和抽采纯量显著提高；许江等[10]通过多场藕合煤层气开采物理模拟试验系统，发现水力压裂全过程包括4个阶段，即应力积累阶段、微破裂发育阶段、裂缝失稳扩展阶段、破裂后阶段，压裂过程中水压力场的演化跟裂缝的发育、扩展有着密切的联系，水力压裂裂缝主要沿最大主应力方向扩展；石欣雨等[11]采用原煤试样开展煤岩水力压裂物理模拟实验及煤岩裂缝检测实验，发现对于井下厚储层，通过“分段-分压”压裂方式来构造横纵交织的裂缝网，可以显著提高瓦斯的抽采效率，同时避免在含较多纵向原生裂缝及较大断层的井壁位置布置射流孔，防止引起煤储层顶板、底板失稳破坏，造成安全事故；吴拥政等[12]在余吾煤业公司S1206煤柱留巷瓦排巷开展水力压裂试验，结果表明，采用定向水力压裂能显著减弱坚硬顶板产生的悬顶现象，割断保护煤柱上方的坚硬顶板，将悬臂区自然冒落，减小煤柱和实体煤载荷，破坏应力转移和分配比例，提高留巷受力状态，留巷变形显著变小。

本文借助理论研究与数值模拟，研究低透气性煤层水力压裂时裂隙裂纹发育扩展规律以及应力的变化规律[12]，并在山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿开展现场试验，观察现场压裂效果[13]，为高瓦斯低透气性煤层卸压增透、提高抽采效果提供科学依据[14]。

1 压裂增透机理

水力压裂原理为通过高压水破碎煤体，煤层中的裂隙和多级弱面的边界区域因为高压水的影响开始支撑多级弱面壁[15]，从而膨胀破碎煤体，大量的裂隙得到张开发育扩展延伸，在高压水持续注入下，裂缝裂隙源源不断地延伸和扩展，分割煤体的内部，在分割过程中增大了煤层内部体积，同时相互联通的裂隙再次形成一个繁杂的网络，迫使煤层分解压裂，显著提升透气性[16-17]，水力压裂裂隙演变如图1所示。

2 建立数值模型

依据斜沟煤矿现场实际数据，构建15 m×5 m的数值模拟模型，如图2所示，将模型划分为300×100的网格，同时填充实体材料。然后在模型的中间描绘r=0.056 5 m的圆，并填充空洞，用来作为数值模拟过程中的水力压裂钻孔，向模型的旁边添加10 MPa的初始应力，在模型的垂直方向施加19.5 MPa的初始应力。模拟时将高压水的初始压力设置为8 MPa，然后每步升高0.15 MPa，从第一步开始合计运算开挖50步，模型参数见表1。

图1 裂隙发生扩展次序

图2 压裂模型

模型参数参数数值备注均质度/m2在实验室测得弹性模量均值E0/GPa8在实验室测得抗压强度均值σc/MPa12在实验室测得摩擦角φ/(°)37查询资料获得泊松比μ0.25计算获得压拉比 C/T10计算获得内聚力/MPa0.22查询资料获得残余强度系数ξ0.1查阅文献得到渗透系数k/md-18.64×10-4查询资料获得瓦斯压力/ MPa0.2现场测定获得

3 模拟结果分析

3.1 压裂后裂隙裂纹扩展延伸情况

压裂过程中裂隙裂纹扩展延伸情况如图3所示。

图3 压裂过程裂隙裂纹扩展情况

从图3可以看出，钻孔最外边的水压始终保持最高，外缘产生环形的水压增高带，伴随注水压力升高，环形的水压增高带面积逐渐扩大，钻孔内裂纹裂隙持续生成和延伸，当注水压力为15.5 MPa时，在钻孔附近发生局部破碎，钻孔内部弱面发生失稳情况，裂纹裂隙源源不断地向远处延伸，这时压力值就是从钻孔稳定破坏到失稳破坏的分界点，无需增加压力，裂纹就可以持续向远处扩展，形成一系列新弱面，为后续水压破裂煤体产生的裂隙裂纹运移提供新的弱面，最后产生良好的相互交织贯通的多裂隙裂纹网络，为瓦斯运移奠定基础。

3.2 最大剪应力变化情况

压裂过程中最大剪应力变化情况如图4所示。

图4(a)为注水压力8 MPa的最大剪应力变化情况，这时候在煤层钻孔里面积存大量的高压水，伴随着压力升高，钻孔附近的应力开始重新分布，接着模拟计算以每步增加0.15 MPa，水压开始有序增大；当注水压力升高到11 MPa时，位于钻孔较远地点的剪应力处于增大状态，而且距离钻孔越近的剪应力越大，这时候钻孔附近逐渐产生微裂隙，附近区域的煤体呈现塑性状态；当水压增加到14 MPa时，最大剪应力一直增大，裂纹裂隙越来越多，当注水压力超过煤体粘结力与抗压强度之和时，导致煤体开始破坏，裂隙裂缝继续扩展，一直向远离钻孔的方向延伸；当注水压力升高至15.5 MPa时，计算停止，此时水力压裂使煤层产生大量的裂隙，在钻孔周围发生局部破碎现象，向深孔运移延伸扩展的裂隙明显增多，煤层破裂区域面积大，达到卸压增透的目的。

图5为有效影响半径与注水压力的关系曲线。从图5可知：当水压很小时，有效影响半径升高的幅度也很小。当注水压力不断升高，钻孔内的高压水持续向深部运移，渗透到楔形弱面裂隙中，原因是煤层中存在粘结力与地应力，二者的相互作用导致注到煤层中的高压水流动速度明显减慢，未能持续渗流，尽管水力压裂的影响面积一直在增大，但裂缝裂隙演变速度减缓，最终有效影响半径保持在7 m。

图5 有效影响半径与注水压力的变化规律

4 现场试验

4.1 钻孔布置

在斜沟煤矿18205材料巷430 m处开展水力压裂现场试验，压裂钻孔布置如图6所示，钻孔深度为40 m，压裂孔封孔长度20 m，检验孔封孔长度8 m。设置最高注水压力为16 MPa，以确保施工安全与封孔的质量。通过观察水从检验孔流出的情况作为水力压裂效果考核指标。

图6 钻孔布置

4.2 水力压裂效果考察

4.2.1 注水压力的变化

压裂开始时，先压裂4号压裂孔，将注水的初始压力设置为2 MPa，试验过程中观察得到当压力为12 MPa时，3号检验孔内开始渗水，且渗水量越来越多，在孔壁周围形成大裂隙，钻孔的孔壁发生碎小煤块落下，形成钻孔失稳破裂现象，与模拟结果基本吻合。4号孔水压变化如图7所示。水力压裂现场共注水14 min，压力保持16 MPa左右，注水量达到4.2 m3。

图7 4号压裂孔压力变化情况

完成4号孔压裂试验后，开始对2号孔实施同样压裂步骤，2号压裂孔水压变化情况如图8所示，由图8得到，当水压升高到13 MPa时，压力表指针不再变化，保持稳定，此时发现1号、3号检验孔内并无水涌出。试验结果证明18205材料巷水力压裂有效影响半径超过7 m。

图8 2号压裂孔压力变化情况

4.2.2 抽采效果分析

水力压裂后现场观测钻孔瓦斯抽采浓度和流量，收集数据，绘制压裂前后的变化曲线，如图9和图10所示。

图9 压裂前后抽采浓度变化情况

图10 压裂前后抽采流量变化情况

从图9得到，随着抽采时间的延长，瓦斯开始自然衰减，未实施水力压裂煤层区域的瓦斯浓度由高到低开始衰减，从10.7%的高浓度降低至浓度2.1%，平均瓦斯抽采浓度为5.26%。实施压裂措施后，显著增大抽采浓度，从抽采浓度12.8%升高至34.7%，平均抽采浓度为23.28%，整体走向趋势为高—低—高，这是因为刚开始抽采时钻孔内部积聚大量的瓦斯在高速高压水的影响下突然向检验孔附近运移扩散，形成大量的高浓度瓦斯，接着高浓度的瓦斯跟着高压水流出钻孔，无数的瓦斯运移通道再次得到贯通，煤层中的游离瓦斯由于负压的影响运移到抽采钻孔中，再次产生大量的高浓度瓦斯，所以瓦斯抽采浓度又达到峰值，第4～8 d瓦斯浓度高达31.08%。

由图10可看出，水力压裂完成后抽采纯量明显提高，变化范围在0.012 9～0.087 9 m3/min，平均0.044 3 m3/min；然而未压裂时钻孔的抽采纯量却很低，只有0.001 34～0.012 2 m3/min，抽采平均浓度仅为0.004 59 m3/min。通过分析对比试验数据发现：压裂影响区域浓度增大了3.43倍，瓦斯抽采纯量提高8.65倍。

4.2.3 透气性系数变化

压裂完成后测定煤层的透气性系数为1.18 m2/(MPa2·d)，而压裂前煤层透气性系数仅为0.082 m2/(MPa2·d)，提升13.4倍，明显增大了18205工作面煤层的透气性，确保了抽采效果。

5 结 语

1) 在高压水的影响下，煤层内部的新生裂隙经历三个阶段：裂隙压缩、裂隙稳定延伸和裂隙不稳定扩展，不断发育延伸的裂隙将钻孔内积聚的能量涌出，从而增大透气性系数。

2) 通过在18205材料巷开展压裂增透试验，结果证明：压裂区域内钻孔抽采浓度升高3.43倍，瓦斯抽采纯量增大8.65倍，煤层的透气性系数提高13.4倍，抽采效果得到明显改善。