松软煤层水力压裂有效半径影响范围主控因素分析

2021-09-08张兆一

矿业安全与环保 2021年4期

张兆一

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

突出矿井的消突工作是目前各大生产矿井急需解决的难题之一。随着近年来水力压裂增透技术的应用，在一定程度上缩短了抽采时间、提高了抽采效率，进而提高了掘进生产速度[1-4]。但在实际压裂过程中不同压力、不同注水量与水力压裂有效半径之间的关系存在诸多差异。

水力压裂的基本原理是利用超高压或高压压裂泵组将压裂液注入煤岩体内，当注入的外界压力超过煤岩体自身的耐压强度与地应力时，会在压裂孔附近开始产生裂隙。虽然目前井下各种水力压裂设备与配套工艺相对成熟，但在不同的地质条件下，对于水力压裂效果完全不同，主要因其不同地质条件下压裂基本参数的考察不够精准，尤其在松软低透气性煤层中的压裂往往达不到预期的效果，或因松软低透气性煤层中压裂时间、压裂水量与有效半径关系的不确定性，导致压裂效率低、压裂效果差。在进行松软低透气性煤层的水力压裂工程实践过程中，压裂泵组的注水压力、压裂时间、压裂水量是较为关键的参数，注水压力、压裂水量不能无限地增大，压裂时间不能无限地延长。

因此，在松软低透气性煤层水力压裂的施工中，在保证安全高效的前提下，合理地确定压裂时间、压裂水量与有效半径之间的关系是松软低透气性煤层水力压裂增透急需解决的问题之一。通过数值模拟分析压裂时间、压裂水量与有效半径的关系，结合现场工程实践应用，最终确定出三者之间的关系。对于提高松软低透气性煤层压裂效率，节省压裂时间，以及压裂技术在相同条件下的煤矿中应用具有较强的指导作用。

笔者以工程实践为基础，运用颗粒离散元程序模拟各流量下水力压裂有效半径与压裂水量、压裂时间的关系[5]，结合现场试验注水压力在17～33 MPa内，考察在一定注水压力条件下松软低透气性煤层的水力压裂水量、压裂时间与有效半径之间的相对关系，进而优化压裂时间、提高压裂效率。

1 松软煤层水力压裂增透机理分析

松软煤层水力压裂增透的基本原理是通过高压泵组将压裂液(高压水或加入其他介质的液体)注入煤岩体内，伴随压力持续增大，当超过地应力和煤体自身强度时压裂孔处便由近及远地产生裂缝，同时在煤体中原有裂隙的基础上进一步进行扩展和延伸，使煤层中大量的裂缝相互贯通，增加了煤层中瓦斯运移的微观通道；促使吸附状态的瓦斯向游离状态转化，进而提高压裂煤层的透气性。与此同时，高压水渗透到煤体的微观孔隙之中，因煤体对水分的吸附能力高于对瓦斯的吸附能力，煤体在水分的包围下，吸附在煤体孔隙中的游离瓦斯因吸附能力较弱而会被水分排挤到大量的裂隙之中；在抽采钻孔的负压作用下，大量的游离瓦斯通过贯通的裂隙，运移至瓦斯抽采孔中，提升了抽采管中瓦斯浓度，进而提高瓦斯的抽采效率。

对煤层进行水力压裂时，在高压水体冲击作用下，由于煤体的原始强度被破坏，使煤体由弹性区转为塑性区，无法承受工作面前方的超前支撑压力，应力增高区会向煤体深部转移。减弱了工作面附近的支撑压力，压裂改变了工作面前方的应力分布，在某种程度上降低了煤与瓦斯突出的概率。当压裂停止后，煤体中存在大量的瓦斯运移通道，极大缩短瓦斯的抽采时间，减少了工作面的瓦斯涌出量。

水力压裂主要有3个阶段：

1)压裂液对煤体进行宏观湿润，在压力升高的过程中对煤体进行起裂；

2)破坏煤层的弹性状态，迫使煤体产生大量的微观裂隙；

3)煤体在大量水的微观浸润下，由于煤体与瓦斯和水的吸附能力不同，水分逐步取代游离态瓦斯，最终提高煤层的透气性。

2 水力压裂工程概况

新景矿保安分区3107进、回风巷(南五正、副巷)位于井下+420 m水平，其全长为1 601 m；煤层平均厚度2.26 m，坚固性系数最小值为0.38，3号煤层为松软低透气性煤层，瓦斯压力最高可达2.26 MPa。为了提高3号煤层透气性、降低瓦斯含量、平衡煤体瓦斯压力，提高煤巷的掘进效率，在3107底抽巷布置穿层钻孔进行水力压裂作业。设计半径为40 m，间距为70 m，共7个压裂孔(1#～7#)。底抽巷压裂区域钻孔布置及压裂泵组示意图如图1所示。

(a)南五底抽巷压裂区域钻孔布置

根据压裂现场泵组的施工记录，压裂水量和最大注水压力参数如表1所示。压裂泵组的额定参数如表2所示。

表1 压裂水量和最大注水压力

表2 压裂泵组输出参数

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立

在压裂现场取得煤岩样品，在实验室测定其抗压强度、抗拉强度等基础数据参数，同时在经过交叉对比、分析试验的基础上[6-7]，确定对应的微观颗粒离散元计算参数，如表3、表4所示。

表3 煤岩物理力学基本参数

表4 煤岩微观物理力学参数

在确定微观物理力学参数及地质参数情况下[8]，建立不同条件下压裂水量、压裂时间的数值计算模型，最后利用颗粒离散元程序进行不同条件参数的注水压裂数值模拟试验。具体方案如下:

1)探讨不同压裂水流量的有效半径与压裂时间之间的关系，设置4组不同的流量，分别为5.076、10.476、14.076、17.676 m3/h。

2)探讨不同压裂时间条件下有效半径与压裂水流量之间的关系，设置4组不同的压裂时间，分别为400、500、600、700 s。

设计截取50 m×50 m的平面为模拟压裂区域，压裂孔布设在中部。通过模拟设置预定的最大水平应力σ1和最小水平应力σ3，建立如图2(a)所示的数值模型，模拟的压裂孔如图2(b)所示，图中lu为压裂过程中裂隙的扩展长度，采用控制流量的注水加压方式。

图2 水力压裂数值模拟模型示意图

3.2 各压裂水流量下对比分析有效半径与压裂时间的关系

通过设定压裂水流量来模拟有效半径与压裂时间之间的关系，结果如图3所示。由图3可知，当压裂水流量一定时，松软低渗煤岩压裂有效半径随压裂时间的增加而增大。在相同的压裂时间下，流量越大，有效半径相对越大。但现场压裂泵组流量不可能无限大，当流量在9.2～27.3 m3/h内，某个压裂时间，存在有效半径最优。

(a)压裂水流量5.076 m3/h

3.3 各压裂时间下对比分析有效半径与压裂水流量的关系

各压裂时间下的松软低渗煤体有效半径与压裂水流量之间的关系拟合曲线如图4所示。

(a)压裂时间400 s

由图4可知，当压裂时间一定时，松软低渗煤岩压裂有效半径与压裂水流量呈正比例关系；在保持压裂水流量一定的情况下，压裂时间是保证压裂有效半径的另一关键因素。

然而，压裂水流量越大对泵组的要求也越高，注水时间不可能无限长。以下通过建立二者的回归分析来进一步确定最优关系。

3.4 压裂有效半径回归分析

基于压裂有效半径与压裂时间、压裂水量呈非线性正比例关系，运用数理统计方法拟合三者之间的关系，如式(1)所示，其相关系数为0.95。

(1)

式中：L为压裂有效半径，m；Q为压裂水流量，m3/h；t为注水压裂时间，h；系数a=9.582，b=1.348。

根据公式(1)和现场压裂参数分别计算理论压裂有效半径，结果见表5。

表5 不同压裂水流量下理论压裂有效半径计算结果

4 现场压裂试验数据分析

对于现场的水力压裂有效半径考察，通过钻孔施工效果检验孔、顶板渗水情况、钻孔的瓦斯含量、含水率等参数来判定该处是否处在压裂影响范围内[9]。压裂试验期间没有出现顶板掉落现象，压裂孔周边围岩存在渗水现象，具体情况见表6。

表6 压裂孔周边围岩渗水情况统计

使用DGC型瓦斯含量直接测定装置测试煤样的瓦斯含量，使用烘干法测试煤层含水率[10],测试结果见表7。

表7 压裂区域检验孔参数测试结果

通过对压裂钻孔周围渗水情况、煤体含水率观测分析可知:2#压裂孔注水量在28 m3左右时，压裂有效半径在20 m以上；3#压裂钻孔注水量在95 m3左右时，压裂有效半径在52 m以上；4#压裂孔注水量在107 m3左右时，压裂有效半径在35 m以上；5#压裂孔注水量在70 m3左右时，压裂有效半径在50 m以上；6#压裂孔注水量在 25 m3左右时，压裂有效半径在30 m以上；7#压裂钻孔注水量在88 m3左右时，压裂有效半径在47 m以上。绘制的拟合曲线如图5所示。