高压水力压裂技术在瓦斯治理中的应用研究

王小鹏

西山煤电股份有限公司镇城底矿 山西 太原 030053

瓦斯突出问题是威胁矿井安全生产的主要问题。目前我国针对我国瓦斯治理主要是通过抽采的方式，但随着开采年限的不断增加，煤矿开采的重点逐步向着深部煤层转移，随着煤层深度的不断增加，煤层的透气性能有所降低，此时抽采瓦斯效果就得到一定的限制，为了解决低渗透煤层瓦斯抽采难的问题[3,4]，利用水力压裂的方式对煤层进行增透措施，从而提升瓦斯的抽采效率，本文利用数值模拟软件对水力压裂裂缝扩展及增透技术进行研究，为后续瓦斯治理提供一定的参考[1]。

1 数值模拟研究

水力压裂是一个涉及到渗流力学、断裂力学和损伤力学的问题，内部涉及渗流场和应力场的多场耦合。因此对水力压裂进行三维分析较为困难，所以本文研究水力压裂选用二维模型进行研究。模拟软件选用ABAQUS模拟软件，模型尺寸设定为40m×40m正方体，在模型中心设定钻孔，在钻孔内设置注水点。对模型进行网格划分，网格单元尺寸为0.1m×0.1m，在模型的左右两边进行应力施加，根据地质资料设定垂直方向应力18MPa，水平方向应力34MPa，注水孔内的注水速率设定为0.003m3/s，对模型的物理参数进行设定，模型弹性模量设定为1.8GPa，抗拉强度为0.5MPa，泊松比为0.3，模型孔隙比0.1，破坏位移为0.001，滤失系数为1E-014，损伤稳定粘性为0.1，完成模型的建立[2]。

首先对裂缝内部的流体压力随时间变化趋势进行分析，绘制流体压力曲线如图1所示。

图1 流体压力曲线

如图1所示可以看出，随着注液时间的不断增大，此时流体压力呈现出先增大后减小的趋势，在时间0s-9s时，此时的流体压力快速增大，钻孔内部的能量快速聚集，在9s时达到最大值即岩石的起裂压力，起裂压裂值为19.2MPa，继续注液到20.2s时，此时在上一阶段快速下降的流体压力在此节点呈现稳定的趋势，不会发生较大幅度的变化。根据以上分析可以看出，岩石的起裂大致可分为三个阶段，分别为压裂准备阶段、压裂阶段和压裂稳定阶段。

对随着注液时间的增长裂缝扩展长度及裂缝宽度进行分析，裂缝宽度及长度随注液时间变化曲线如图2所示。

根据图2可以看出，随着注液时间的增大裂缝的宽度及裂缝扩展长度均呈现逐步增大的趋势，在注液前期此时由于钻孔并未压裂所以钻孔内部能量快速聚集，直到内部能量超过钻孔起裂能量时，钻孔壁发生起裂，此时的能量释放，裂缝发生扩展，此时由于裂缝长度较短，所以能量消耗较小，同时由于裂缝接触面积较小所以液体整体的滤失较低，所以裂缝宽度快速增大，而当裂缝长度达到一定程度后，能量损失及滤失量的增大均会造成内部能量的降低，所以裂缝宽度增长趋势减弱。裂缝长度变化趋势类似，均是由于滤失及能量传递损耗造成的[3]。

对不同注液量下裂缝宽度及裂缝扩展长度变化趋势进行分析，裂缝宽度及长度随注液量变化曲线如图3。

图3 裂缝宽度及长度随注液量变化曲线

根据图3可以看出，随着注液量的增大裂缝的宽度及裂缝扩展长度均呈现逐步增大的趋势，但增长趋势整体呈现减弱的趋势，当注液量为0.001m3/s时，此时的裂缝宽度为0.0043m，而裂缝的扩展长度为9.2m，当注入量增大至0.005m3/s时，此时的裂缝宽度为0.0076m，而裂缝的扩展长度为17.8m。这是由于随着注入量的增大，在相同时间内钻孔内部能量聚集的速度越快，聚集的能量越多，所以在发展扩展时，由于注入量大的能量多，所以裂缝宽度及裂缝的扩展长度均呈现增大的趋势。但通过观察可以看出一味的增大注入量并无法达到扩展长度及裂缝宽度的线性增加，所以适当的注入量不仅能够满足压裂的要求，同时能够降低施工成本。

2 应用研究

镇城底矿22618工作面的西北两侧为实体煤，东侧为已采工作面，工作面由回风顺槽、进风顺槽、切眼等组成。其中，回风顺槽长度为2381.7m，进顺槽长度为2510.6m，工作面切眼长度为290m，可采长度2261.7m。工作面主采6#煤层，6#煤层的厚度为6.25～6.55m，平均厚度为6.4m，回采率94%，工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤采煤法。工作面煤层的原始瓦斯含量约为10.0496m3/t，其中残余瓦斯含量约为2.37m3/t，可解析的瓦斯含量为7.1274m3/t，属于高瓦斯工作面。

对煤层进行水力压裂增透技术应用，选用某矿29020回采工作面作为试验地点，选用KFS98-65压浆水泵、高压管路、高压无缝钢管和封孔胶囊等设备。在增透区域进行钻孔，对钻孔进行封堵，并进行注水，注水时先缓慢注水，等到封孔胶囊接触孔壁后提升注液量，持续高压注水15Min，孔口压力示数在20MPa附近，持续注液，当孔口压力示数降低至14MPa时，此时的煤层裂隙发育明显，完成整个水力压裂过程。对压裂的钻孔进行20d的连续抽采，同时对比常规孔的抽采数据。

经过水力压裂的钻孔抽采瓦斯的流量明显高于常规孔，钻孔整体抽采呈现波动情况，但经过压裂后的钻孔抽采瓦斯流量最小值为0.021m3/min，瓦斯抽采流量的最大值为0.052m3/min，而未经水力压裂卸压的钻孔抽采瓦斯流量最小值为0.006m3/min，瓦斯抽采流量的最大值为0.017m3/min。综合分析可以看出，水力压裂后钻孔的抽采瓦斯量有了较大幅度的提升，增透技术应用取得了较好的效果。

3 结论

（1）随着注液时间的不断增大，此时流体压力呈现出先增大后减小的趋势，岩石的起裂大致可分为三个阶段，分别为压裂准备阶段、压裂阶段和压裂稳定阶段。

（2）利用模拟对裂缝宽度和裂缝长度随时间变化趋势进行研究，发现随着注液时间的增大裂缝的宽度及裂缝扩展长度均呈现逐步增大。

（3）随着注液量的增大裂缝的宽度及裂缝扩展长度均呈现逐步增大的趋势，但增长趋势整体呈现减弱的趋势。