松软低透气性煤层水力压裂增透瓦斯抽采技术研究

王建伟

(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；3.太原理工大学，山西 太原 030024)

近年来，随着我国能源结构的优化，科技水平和非化石能源等的快速发展，煤炭消费比重逐年下降。但至2025年，我国煤炭消费需求量仍高达28亿～29亿t，占能源消费总量的50%～52%[1]，可见在未来一定时期内煤炭在我国能源消费中仍占主体地位。煤与瓦斯突出是制约矿井安全高效生产的主要因素，已成为专家学者和矿山科技工作者关注的焦点问题[2]。

煤层瓦斯抽采作为瓦斯治理的根本措施，可有效降低煤层瓦斯含量和风流瓦斯浓度，实现瓦斯灾害的防治[3]。对松软低透气性煤层瓦斯治理时，常规瓦斯抽采钻孔工程量大、有效影响范围小、瓦斯抽采效率低、抽采瓦斯浓度衰减速度快，瓦斯治理效果不理想[4-5]。采取强化措施增加低透气性煤层孔隙和裂隙以提高瓦斯抽采效果，是松软低透气性煤层瓦斯治理领域的重大科技攻关课题[6-7]。目前，煤层卸压增透技术主要有深孔松动爆破[8]、水力割缝[9]、水力冲孔[3,10]、CO2相变致裂[11]、保护层开采[12]和水力压裂[13-14]等，其中水力压裂技术凭借增大煤层透气性、有效降低地应力和卸压增透范围大等优点，在我国各大煤矿区得到广泛应用[15-19]。

阳泉矿区有典型的高瓦斯松软低透气性煤层，为提高瓦斯抽采效果，减小钻孔工程量，缓解矿井生产接替紧张的问题，笔者采用PFC2D颗粒流数值模拟软件，研究不同注水流量和压裂时间对松软低透气性煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的影响规律，在新景煤矿3#煤层南五底抽巷进行水力压裂试验，并对水力压裂增透效果进行考察，以期为该矿区和类似工程条件矿井采用水力压裂增透技术提供一定借鉴。

1 工程概况

新景煤矿位于山西东部阳泉矿区，矿区面积约为 2 102.47 km2。3#煤层厚度为1.76～2.80 m，平均厚度为2.25 m，平均倾角为5°。煤的坚固性系数f为 0.38～0.52。3#煤层赋存稳定，顶板为高岭石泥岩和砂质泥岩，底板为砂质泥岩，煤层瓦斯含量为18.17 m3/t，瓦斯压力为1.9 MPa，透气性系数为1.16×10-3m2/(MPa2·d)，衰减系数为0.097，百米巷道瓦斯抽采量仅为275.33 m3/d，属典型的高瓦斯、松软低透气性难抽放煤层。

3#煤层南五底抽巷位于保安分区南翼东部，东邻南五正巷，西邻3107工作面(未掘)，南邻芦南二区7206和7208工作面采空区，北邻3108工作面(未掘)，地面标高为1 020～1 170 m，井下标高为518～558 m。巷道顶板距3#煤层底板20～33 m，设计长度为1 595.2 m。

2 水力压裂合理注水参数优化研究

由于水力压裂过程中煤层铅垂方向位移受上覆岩层限制远小于水平方向变形，故将煤层简化为平面应变模型[15]。笔者采用PFC2D颗粒流数值模拟软件,对不同注水流量和压裂时间条件下松软低透气性煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的影响规律进行研究。

2.1 模型建立

假设数值模拟过程中总注水流量为有效注水流量和注水滤失流量之和，将有效注水流量与总注水流量之比定义为压裂液效率。在此前提下建立了如图1所示的边长为50 m的正方形数值计算模型，并在模型中部设置1个小直径圆孔来表示压裂孔。通过伺服控制系统使模型内部最大水平应力σ1和最小水平应力σ3保持预定值。所建数值模型共包含 2 345 个颗粒，颗粒最小粒径为0.42 m，最大粒径和最小粒径之比为1.66。图1中Lu为裂隙扩展长度，箭头指向为注入水压作用位置和方向，注水加压通过控制流量实现。

为确保数值模拟结果真实可靠，基于新景煤矿煤岩物理力学参数和相关工程经验，经过多次试验、调整后确定的煤岩宏观和微观物理力学参数如表1和表2所示。

表1 煤岩宏观物理力学参数

表2 煤岩微观物理力学参数

2.2 模拟方案

为了探究不同注水流量和压裂时间对松软低透气性煤层水力压裂效果，采用控制变量法按如下2种方案分别进行多次模拟试验。

方案一：将注水流量分别设置为5.08、6.88、8.68、10.48、12.28、14.08、17.68 m3/h，并使其他参数保持一致；

方案二：将压裂时间分别设置为400、450、500、550、600、650、700 s，并使其他参数保持一致。

2.3 数值模拟结果及分析

2.3.1 注水参数对压裂半径的影响

压裂半径随压裂时间和注水流量的变化情况如图2所示。

(a)注水流量为定值

由图2(a)可知，当注水流量一定时，水力压裂半径随压裂时间的延长呈幂函数形式增长；压裂时间相同时，压裂半径随注水流量增加而增大。

由图2(b)可知，当压裂时间一定时，压裂半径随注水流量增加也呈幂函数形式增长；注水流量相同时，压裂半径随压裂时间的延长而增大。

对上述数据进行分析得到压裂半径与压裂时间、注水流量间的拟合关系式(相关性系数R=0.95)：

L=9.58(Qt)-1/2-1.35

(1)

式中：L为压裂半径，m；Q为注水流量，m3/h；t为压裂时间，s。

2.3.2 注水参数对压裂裂缝最大开度的影响

压裂裂缝最大开度随压裂时间和注水流量的变化情况如图3所示。

(a)注水流量为定值

压裂裂缝最大开度是衡量水力压裂效果的重要指标[6,11]。由图3(a)可知，当注水流量一定时，压裂裂缝最大开度随压裂时间的增加呈幂函数形式增长，且压裂时间相同时，注水流量越大水力压裂裂缝最大开度越大；由图3(b)可知，当压裂时间一定时，压裂裂缝最大开度随注水流量的增加也呈幂函数形式增长，且注水流量相同时，压裂时间越长水力压裂裂缝最大开度越大。

对上述数据进行分析得到压裂裂缝最大开度与压裂时间、注水流量间的拟合关系式(相关性系数R=0.97)：

W=0.02+3.21×10-5Q1.04t0.80

(2)

式中W为裂缝最大开度，m。

2.3.3 注水参数对压裂裂缝数目的影响

压裂裂缝数目随压裂时间和注水流量的变化情况如图4所示。

(a)注水流量为定值

内部裂缝数目是决定松软低透气性煤层渗透性的主要影响因素，也是评估水力压裂增透效果的关键指标[15]。由图4(a)可知，当注水流量一定时，裂缝数目随压裂时间增加呈幂函数形式增长，且同一压裂时间下注水流量越大所获得的裂缝数目越多；由图4(b)可知，当压裂时间一定时，裂缝数目随注水流量增大也呈幂函数形式增长，且同一注水流量下压裂时间越长所获得裂缝数目越多。

对上述数据进行分析得到裂缝数目与压裂时间、注水流量的拟合关系式(相关性系数R=0.86)：

N=40.70+4.39×10-5Q2.75t2.48

(3)

式中N为压裂裂缝数目。

2.3.4 压裂半径、裂缝开度和裂缝数目修正公式

通过对不同注水参数下松软低透气性煤层压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的量化研究，建立了相应的拟合关系式。由于上述拟合关系式未考虑压裂液漏失对压裂效果的影响，与实际水力压裂过程存在误差，需对上述拟合关系式进行修正。研究表明，压裂液漏失速度计算公式如下[12]：

v=0.054Δp(kφ/ηt)1/2

(4)

式中：v为压裂液漏失速度；Δp为裂隙孔压；k为煤层渗透率；φ为孔隙率；η为压裂液黏度；t为时间。

相对其他煤层，松软低透气性煤层具有较大的泊松比、较低的弹性模量和低“压敏性”的特征。引入煤层压缩参数Cf对式(4)进行修正：

v=0.054Δp(kCfφ/ηt)1/2

(5)

式中Cf为煤层压缩参数。

由式(5)可知压裂液总漏失量为：

Q漏=∬vdtdA

(6)

式中：Q漏为压裂液总漏失量；A为压裂裂缝断面面积。

因此，压裂液效率计算公式如下：

ξ=(Q-Q漏)Q-1

(7)

式中ξ为压裂液效率。

将式(7)分别代入式(1)、式(2)和式(3)中，得到考虑压裂液漏失情况下的松软低透气性煤层水力压裂半径L、裂缝最大开度W和裂缝数目N的修正计算公式：

L=9.58(ξQt)-1/2-1.35

(8)

W=0.02+3.21×10-5(ξQ)1.04t0.80

(9)

N=40.70+4.39×10-5(ξQ)2.75t2.48

(10)

3 水力压裂工程试验

结合新景煤矿3#煤层实际生产地质资料和南五底抽巷布设情况，设计压裂半径为40 m，按70 m的孔间距分2个阶段先后共施工7个水力压裂钻孔，具体布置如图5所示。

图5 南五底抽巷水力压裂钻孔布置图

3.1 试验设备及试验过程

基于现场勘查结果，将BYW450-70型煤矿井下水力压裂泵组安装在距南五底抽巷45 m处的 3#煤层集中配风巷内并进行调试，连接过程由专人负责，保证管路、阀门等连接可靠，不漏水[19]。

基于泵注压力、用液量公式及类似工程条件下煤层水力压裂施工经验[6,20]，确定3#煤层水力压裂起裂压力为20 MPa，泵注压力为25 MPa，注水量为100～120 m3(现场压裂时根据实际情况随时调整注水量)。本次水力压裂试验采用全程封孔方式封孔，水泥浆封孔至煤层底板以上1 m处，待水泥浆凝固48 h后进行水力压裂试验[21]。由于水力压裂试验期间乳化液泵故障及其他因素的影响，注水不能连续进行，导致1#～7#水力压裂钻孔注水时间为 65～370 min，注水结束后关闭截止阀开始进入保压期，保压时间为7～30 d。在水力压裂过程中，对注水参数进行监测以考察水力压裂效果。

3.2 水力压裂效果考察

3.2.1 水力压裂有效范围考察

为了考察水力压裂有效范围，分别在3#、4#和7#压裂钻孔周围不同距离处施工效果检验钻孔并取样，采用DGC型瓦斯含量直接测定装置和烘干法分别对煤样瓦斯含量和含水率进行测定，水力压裂区域效果检验钻孔布置及参数测定结果如图6所示。

图6 压裂区域效果检验钻孔布置及参数测定结果

由图6可知，水力压裂后，松软低透气性煤层瓦斯含量随与水力压裂钻孔距离的增大而增大，这是煤层瓦斯受高压水作用向压裂延伸方向运移的结果。在实际水力压裂过程中，3#压裂钻孔泵注压力为20 MPa，注水量为98 m3，压裂半径为52.26 m；7#压裂钻孔泵注压力为25 MPa，注水量为90 m3，压裂半径为47.75 m。由此可知，南五底抽巷水力压裂泵注压力为20～25 MPa、注水量为90～100 m3时，水力压裂半径约为50 m。

3.2.2 水力压裂实施后瓦斯抽采效果分析

水力压裂完成1个月后，在新景煤矿南五底抽巷3#和4#水力压裂区域按5 m×5 m的间距布置瓦斯抽采钻孔抽采瓦斯，并与未压裂区域煤层瓦斯预抽钻孔瓦斯抽采效果进行对比分析。水力压裂后煤层百米巷道瓦斯抽采量为623.24 m3/d，而未压裂区域百米巷道瓦斯抽采量仅为255.47 m3/d，水力压裂后百米巷道瓦斯抽采量为未压裂区域的 2.4倍；水力压裂后煤层透气性系数和衰减系数分别为2.57×10-2m2/(MPa2·d)和0.033，分别为未压裂区域煤层的22.0倍和0.34倍；3#煤层原始煤体平均瓦斯含量为18.17 m3/t，将煤层瓦斯含量降至 8 m3/t以下时视为抽采达标，压裂和未压裂区域煤层瓦斯含量测试结果表明：未压裂区域穿层钻孔瓦斯抽采半径为2.5 m时，瓦斯抽采达标时间为370 d；水力压裂区域穿层钻孔瓦斯抽采半径分别为2.5、3.5、4.5 m时，瓦斯抽采达标时间分别为176、275、454 d。表明在相同抽采半径下，水力压裂区域煤层瓦斯抽采达标时间较未压裂区域缩短了一半以上。

未压裂和压裂区域煤层抽采瓦斯浓度(CH4体积分数，下同)随抽采时间的变化情况如图7所示。

图7 水力压裂前后钻孔抽采瓦斯浓度与单孔抽采瓦斯纯流量对比曲线

由图7可知，水力压裂区域钻孔抽采瓦斯浓度为7.23%～61.42%，平均为23.11%；未压裂区域钻孔抽采瓦斯浓度为4.52%～19.42%，平均为10.68%。水力压裂区域煤层钻孔平均抽采瓦斯浓度约为未压裂区域的2.2倍，最高达4.6倍。

由图7还可知，水力压裂区域单孔抽采瓦斯纯流量为5.75×10-4～1.02×10-2m3/min，平均为2.75×10-3m3/min；未压裂区域单孔抽采瓦斯纯流量为1.63×10-4～3.53×10-3m3/min，平均为1.03×10-3m3/min。水力压裂区域煤层单孔平均抽采瓦斯纯流量是未压裂区域的2.7倍，最高达19.0倍。

4 结论

1)采用PFC2D颗粒流数值模拟软件，对不同注水参数下松软低透气性煤层水力压裂效果的研究结果表明，当注水流量一定时，水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数量随压裂时间的增加呈幂指数函数形式增长；当压裂时间一定时，水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数量随注水流量的增大呈幂指数函数形式增长。

2)基于松软低透气性煤层物理力学特征，引入压裂液效率ξ，得到了松软低透气性煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的修正计算公式。

3)现场水力压裂试验表明：泵注压力为20～25 MPa、注水量为90～100 m3时，水力压裂半径约为50 m；水力压裂实施后，煤层透气性系数为2.57×10-2m2/(MPa2·d)、百米巷道抽采瓦斯流量为623.24 m3/d、钻孔平均抽采瓦斯浓度为23.11%、单孔平均抽采瓦斯纯流量为2.75×10-3m3/min，分别为未压裂区域煤层的22.0、2.4、2.2和2.7倍。