顺层长钻孔多缝槽控制压裂裂缝扩展规律研究

2021-05-10薛伟超李艳增齐黎明仇海生季淮君

煤矿安全 2021年4期

薛伟超，李艳增，齐黎明，仇海生，季淮君

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116；4.华北科技学院安全工程学院，北京101601；5.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

定向控制水力压裂技术广泛应用于煤矿井下煤层增透[1-2]、消突[3]、防治冲击地压[4]、坚硬顶板控制[5-7]和提高顶煤冒放性[8]等方面，其关键在于对水力裂缝的形态和数目的控制和裂缝扩展方向的导向作用。通过割缝钻头或者水射流割缝形成预置导向槽控制水力裂缝走向、形态及改变裂缝数目等是主要的定向控制措施[9-13]，国内学者进行了大量的研究。赵文豪[14]研究了预置缝槽水压爆破压裂的机理，认为射流割缝能形成一定范围内的卸压区和结构弱面，在水压爆破产生的高速水流和二次压缩波的激励下诱导裂缝扩展，增加煤层透气性；郭先敏等[15]通过真三轴物理模拟和有限差分软件FLAC3D确认了定向割缝能够降低水力压裂的破裂压力，形成理想的裂缝形态；秦松[16]对顶定向水力压裂控制坚硬顶板的最佳割缝位置进行模拟，得出预割缝在基本中间及靠近直接顶位置时坚硬顶板控制效果最佳；王耀锋等[17]研究了导向槽定向压穿增透抽采煤层瓦斯的机理，应用现场后煤层瓦斯抽采半径扩大了1 倍，瓦斯抽采量提高了3.87 倍。然而，目前研究多集中在单缝槽控制，单个钻孔控制压裂范围较小，对于单一钻孔内多预置缝槽同时定向压裂的研究很少。因此，在前期研究预置缝槽长度和缝槽偏角对水力裂缝扩展影响规律[18]的基础上，基于唐口煤业工程条件，采用RFPA软件进行模拟，进一步研究顺层长钻孔多缝槽控制压裂条件下缝槽间距对水力裂缝扩展的影响规律。

1 工程地质概况

唐口煤矿位于济宁矿区，为高瓦斯矿井，主采3#煤层，地面标高+36.3～+36.6 m，井下标高-942.2～-898.6 m，煤层平均厚10 m，平均倾角2°，普氏硬度系数为1.52。3#煤层结构简单，煤层及顶板均为弱冲击地压倾向性，3#煤层顶底板情况见表1。

表1 3#煤层顶底板情况Table 1 Roof and floor of 3# coal seam

唐口煤矿3#煤层6304 工作面设计采用长钻孔多缝槽控制压裂工艺。为使水力裂缝扩展致整个工作面，合理的割缝预置缝槽密度是实现良好煤层压裂效果的前提条件和关键参数。

2 模拟方案

为了研究合理的预置缝槽密度，采用RFPA2D数值模拟软件进行模拟。RFPA 软件基于损伤力学和等效连续介质力学，考虑煤岩体变形破坏的非均质特征，能描述多孔介质流固耦合的应力场、渗流场并显示煤岩体水力压裂过程中岩石破坏裂纹的萌生、扩展过程[19-20]。

2.1 物理模型

在6304 工作面运输巷正帮煤体实施顺层钻孔水射流割缝预置缝槽控制压裂。从6304 工作面运输巷垂直巷道向工作面实施顺层长钻孔进行长钻孔多缝槽控制压裂工艺措施，钻孔长L=120 m，孔径94 mm，钻孔倾角+8°。钻孔施工完毕后采用水射流预置缝槽，然后采用两堵一注、带压注浆的封孔方式封孔，待封孔段凝固稳定后实施水力压裂。顺层长钻孔多缝槽控制压裂物理模型示意图如图1。

图1 顺层长钻孔多缝槽控制压裂物理模型示意图Fig.1 Schematic of the physical model of the controlled fracturing with multi-preset slots along the coal seam

定义预置缝槽的密度ρ 为单位钻孔长度上预置缝槽的数目，单位m-1，它是缝槽间距d 的倒数。模拟不同缝槽密度对水力裂缝扩展的影响。预置缝槽编号规则如下：以钻孔中间缝槽M 为基准，钻孔中间缝槽以里的预置缝槽编号为T 系列，钻孔中间缝槽以外的缝槽编号为B 系列，不同预置缝槽密度模拟方案见表2。

2.2 数值模型

根据物理模型提炼相应的数值模型，结合工程实践，选取200 m×200 m 的煤层区域，建立200×200个单元格的平面应变模型，钻孔长度为120 m，封孔长度为30 m。顺层长钻孔预置缝槽水力压裂模拟方案如图2，σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力，单侧预置缝槽长度Ls为5 单元格。

表2 不同预置缝槽密度模拟方案Table 2 Simulation scheme of different preset slot densities

图2 顺层长钻孔预置缝槽水力压裂模拟方案Fig.2 Simulation schemes of hydraulic fracturing with pre-set slots in the coal seam borehole

假设：①高压水在钻孔内没有压力衰减；②忽略水流在钻孔和煤层裂缝中传递的时间，认为高压水在瞬间充满整个钻孔。试验过程中采用分步增加钻孔水压力的方法来模拟水力压裂过程，初始钻孔压力5.0 MPa，钻孔水压增量0.5 MPa/step，顺层长钻孔多缝槽控制压裂数值模拟参数见表3。

3 模拟结果

3.1 多缝槽控制压裂的裂缝扩展形态

模拟过程中水压裂缝的扩展基本过程如下：水压裂缝首先在部分预置缝槽尖端处萌生、起裂、扩展。单一顺层长钻孔不同缝槽密度条件下，顺层长钻孔多缝槽水力压裂裂缝扩展形态如图3。

表3 顺层长钻孔多缝槽控制压裂数值模拟参数Table 3 Numerical simulation parameters of the controlled fracturing with multi-preset slots along the coal seam

图3 顺层长钻孔多缝槽水力压裂裂缝扩展形态Fig.3 Fracture propagation morphology of the hydraulic fracturing with pre-set slots in the coal seam borehole

从图3 可以看出，随着钻孔水压力的增大，萌生的尖端裂缝在地应力和预置缝槽诱导应力及水压力的共同作用下，大致沿预置缝槽的方向（即垂直于最小水平主应力方向）扩展。

当缝槽间距d=40 m 时，主要有M 和T 缝槽延伸开来的水压主裂缝；当缝槽间距d=30 m 时，主要有M 和T1 缝槽延伸开来的水压主裂缝；当缝槽间距d=20 m 时，主要有M 和T1 缝槽延伸开来的水压主裂缝；当缝槽间距d=30 m 时，主要有M、T1 和T2缝槽延伸开来的水压主裂缝；水压主裂缝绝大部分集中在钻孔中部及中上部。这是在钻孔内及缝槽内水压完全相等没有衰减的条件下的模拟结果。在实际煤层钻孔中，在压裂初期，高压水在钻孔中流动，由于煤壁的沿程阻力和煤壁孔隙的漏失作用，必然导致钻孔水压力向孔内传递存在一定的衰减，此时必然是孔口附近的控制缝槽先充满水并且优先开裂；当高压水充满钻孔并稳定一段时间后，忽略顺层钻孔的高差影响和孔隙的微弱漏失，则钻孔内水压基本处处相等，则有模拟中出现的钻孔中部缝槽诱导裂缝扩展延伸。实践可使用封孔器分段压裂使水压裂缝在整个煤体充分发育。

每个模拟方案中均不止1 个缝槽产生水压裂缝；但多缝槽同时压裂时，并不是每个缝槽都能诱导产生水压主裂缝，存在优势缝槽优先诱导产生水压主裂缝并随钻孔水压力增大而继续扩展。产生主裂缝的优势缝槽主要集中在钻孔中段，如M 缝槽和T1缝槽。定义：①水压主裂缝自钻孔到裂缝扩展最远处在最小主应力σh上的投影长度为水压主裂缝的长度，表征水压裂缝在煤层平面内垂直于钻孔方向的扩展范围；②主裂缝终点与该缝槽开孔处的连线与最小主应力所夹的锐角为裂缝张开角，表征裂缝扩展的均匀程度。不同缝槽密度条件下压裂的裂缝扩展参数见表4。

表4 不同缝槽密度条件下压裂的裂缝扩展参数Table 4 Fracture propagation parameters of the hydraulic fracturing with different slot densities

从表4 可以看出，当预置缝槽间距d=40 m 时，各预置缝槽之间压裂及裂缝扩展之间的影响小，预置缝槽诱导的水压主裂缝起裂占比为2/3。随着预置缝槽密度的增大，缝槽间距减小，各个预置缝槽诱导的水压主裂缝之间产生相互影响，产生的水压裂缝增多，裂缝起裂占比约从2/5 到2/3 不等，对应的裂缝张开角从3°到25°逐渐增大，裂缝扩展更加均匀。

单侧最大主裂缝长度随预置缝槽间距变化关系如图4。即随着预置缝槽密度的增大，各个预置缝槽之间的水压主裂缝扩展之间的影响逐渐增大，水压主裂缝扩展张开所需抵消的周围裂缝限制力越大，单侧水压主裂缝的长度L 整体趋于减小的趋势，具体符合L=-5.02d+38.8（R2=0.751）（10≤d≤40）的函数关系，R2为相关系数。

图4 单侧最大主裂缝长度随预置缝槽间距变化关系Fig.4 Relationship between the maximum unilateral length of the main crack and the spacing between the preset slots

D1 和D2 方案的主裂缝长度和裂缝张开角相近，平均32.6 m，这与现场实践中单孔压裂裂缝扩展长度30 m 相接近。D3 和D4 方案主裂缝长度和裂缝张开角相近，但是较前1 组单侧主裂缝长度有所减小而主裂缝张开角有所增大，且这2 组之间的差异相对较大。为了平衡裂缝最大长度与裂缝均匀度，取2 组试验的中间值ρ=0.04（d=25 m）作为指导实践的合理缝槽密度（间距）。

3.2 多缝槽控制压裂的起裂压力与扩展压力

不同缝槽间距煤层压裂的裂缝起裂与扩展压力见表5。

表5 不同缝槽间距煤层压裂的裂缝起裂与扩展压力Table 5 Crack initiation and propagation pressure of coal seam hydraulic fracturing with different slot spacings

多缝槽控制水力压裂的缝槽尖端裂缝起裂压力均为2.0 MPa，起裂步时为1-2 step，模拟初期即起裂。这是由于多缝槽对煤岩体结构和物理力学性质的改造，缝槽尖端在造缝时已经发生应力解除，含有孔隙和天然裂隙的双重孔隙结构的煤岩体在高压水的压力作用下极易发生楔形张拉破坏，在原生裂缝和卸压裂缝基础上进一步延伸形成萌生裂缝，随着钻孔水压力的不断增大而扩展，裂缝起裂声发射参量柱状图如图5。

图5 裂缝起裂声发射参量柱状图Fig.5 Acoustic emission parameters of crack initiation

多缝槽控制水力压裂的裂缝稳定扩展压力为18.0 MPa，相应的模拟步时为33-1 step，缝槽密度的大小对于多缝槽控制水力压裂的裂缝稳定扩展压力基本没有影响。

3.3 多缝槽控制压裂的卸压效果

在钻孔预置缝槽时，会使钻孔周围煤体随钻孔排出形成一定的自由面，煤体在原岩应力的作用下膨胀变形，导致煤层顶底板向煤层方向发生微运移，造成一定范围内的应力降低。水力压裂产生大量水压裂缝同时躯替出煤层中的瓦斯，在压裂结束后在逆水压梯度作用下煤层中的水排出，形成卸压区。钻孔卸压，煤体塑性变形，水压裂缝驱赶瓦斯、破坏煤岩结构、弱化力学性能，煤体润湿等综合作用，实现冲击能量的释放，有利于防治冲击地压。多缝槽控制压裂卸压区为模拟应力图中的应力降低阴影区，多缝槽控制压裂卸压效果如图6。S1、S2、S3、S4为4 个方案中水力压裂形成的卸压区面积，m2。

图6 多缝槽控制压裂卸压效果Fig.6 Pressure relief effect of the multi-slot controlled hydraulic fracturing

从图6 可以看出，卸压区面积最大为3 293 m2，最小为2 052 m2，平均2 537 m2，多缝槽控制压裂具有显著的卸压作用。多缝槽控制压裂有缝槽卸压和水压裂缝卸压的双重卸压作用。从趋势来说，随着预置缝槽间距减小、密度越大，水压主裂缝在最小主应力方向的长度越小，水压裂缝的卸压作用范围也相应减小；当预置缝槽间距减小至20 m 时，主要表现为预置缝槽的卸压作用。从防治冲击地压角度讲，减小缝槽间距会增加施工工程量和施工时间，同时减小了煤层平面内垂直于钻孔方向上的卸压范围，不具有技术经济性。

3.4 多缝槽控制的增透效果

水力压裂能在煤体中产生大量裂缝，驱赶瓦斯，提高煤层的渗透率。在孔隙、裂隙内流体渗透特征不变的条件下，渗透率与渗透系数正相关，渗透系数的增大必然是由于渗透率的增大引起的。水压裂缝在M 缝槽左侧扩展良好，取模型中M 预置缝槽左端20 m 位置为研究对象，分析其渗透系数变化，压裂前后M 缝槽左侧20 个单元格渗透系数变化如图7。