煤体多孔联动控制同步水力压裂技术及工程应用

2023-11-24李江涛马文伟

华北科技学院学报 2023年5期

李江涛,马文伟

(1.华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊 065201; 2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122)

0 引言

煤矿瓦斯不但一种高效清洁能源,还对环境有着一定影响,同时也是制约煤矿安全生产的关键问题之一。自然资源部发布的《全国石油天然气资源勘查开采通报(2022年度)》,公布了截至2020年年底,累计探明煤层气地质储量为7259.11亿m3。根据国家统计局数据显示,到2021年中国煤层气产量达到104.7亿m3,占比仅为1.4%。我国煤层气产量低的主要原因是,高瓦斯矿井尤其是深埋高瓦斯矿井普遍存在煤层透气性差的情况,瓦斯抽采效果有限。水力压裂作为一种提高低透气性储层产量的技术已在瓦斯开发中得到广泛应用[1-4]。压裂使煤体内形成大量的微裂隙和贯通裂隙,使煤层瓦斯快速地运移出来,其压裂效果与煤体原生裂隙、受力状况、强度等相关[5-7],因此水力压裂是增加煤层透气性、提高瓦斯抽采效率、降低瓦斯灾害有效的技术手段之一。

实践表明,煤矿井下常规水力压裂工艺对中硬以上煤层进行增透改造更具有效果,但其裂纹扩展范围有限、扩展方向不易控制,部分裂纹在失去水压后重新闭合,使压裂改造效果远未达到预期,因此亟待开发新的压裂工艺与配套装备以提高压裂效率。在复杂应力条件下,裂纹起裂与扩展规律研究仍不够充分,特别是在特殊的压裂技术和工艺条件下(联动控制条件下的分段同步压裂)裂纹起裂和扩展规律、裂纹分布和影响范围,尚缺乏理论支撑、实验研究和实践经验。

1 多孔联动控制同步水力压裂技术及装备工作原理

多孔联动控制同步水力压裂装备系统主要包括高压泵站、高压封孔胶囊、可调式高压注水器、高压密封推杆、联动控制装置(包括联动控制分水箱和联动控制箱),系统工艺布置及系统工作原理如图1所示。稳定可靠的压裂装备是实施压裂工艺的前提,多孔联动控制同步水力压裂系统中最核心的装备为实现多孔同步压裂的联动控制装置和保证封孔效果的高压封孔胶囊。

图1 多孔联动控制同步分段水力压裂工艺布置及系统工作原理示意图

图2 联动控制系统整体流程示意图

联动控制箱(系统)开机后,主控自动将3路压裂孔的进水阀门打开,启动高压泵站,高压泵站将高压水通过联动控制系统的分水箱注入3路压裂钻孔中。随着高压水的持续注入,其中某一个压裂孔与控制孔裂缝导通,高压水通过导通的裂缝不断从控制孔中排出,此时该管路中的水压会有较大幅度的跌落(阈值可调),联动控制箱通过压力传感器检测到超过阈值的信号变化后,自动识别压裂钻孔管路,由电磁阀门控制气动阀门关闭该路高压水,剩余管路继续进行压裂作业。当所有压裂组全部压裂完成后,系统关闭泵站开关,打开回水阀,将胶囊内部高压水卸压后,将压裂装置推出压裂孔,完成钻孔压裂。

2 多孔联动控制同步水力压裂数值模拟

2.1 数值模型

为指导多孔联动控制同步水力压裂技术及装备的现场应用,确定多孔分段压裂参数,本次工程应用选取矿井为山西三元煤业股份有限公司(以下简称“三元煤业”),该矿是晋能集团长治有限公司下辖的主力生产矿井,年生产能力为2.60 Mt/a,现阶段的主采煤层为位于二叠系山西组下部的3号煤层。具体实验地点为三元煤业四采区4302工作面(运输顺槽长1197 m,回风顺槽长1348 m,切眼长189 m)的运输顺槽(煤层埋深为367 m,煤层平均厚度为7.25 m,倾角10°,坚固性系数在0.53～1.00之间),该区域煤体强度较高,且为变质程度较高的贫瘦煤,原始孔隙结构发育,有利于压裂过程中裂缝的延展。根据矿井地质资料和开采现状建立试验工作面运输顺槽煤层顺层多钻孔水力压裂的数值计算模型。水力压裂是一个复杂的非线性的强流固耦合过程,在研究中往往需要通过简化和设定初始条件来最大程度地还原、反映、模拟该过程。由于损伤模型能很好地模拟水力压裂扩展,同时可以分析多裂缝扩展中的应力干扰作用,因此本论文在水力压裂的参数敏感性分析和现场尺度多段压裂研究方面使用损伤压裂模型进行模拟研究。本次研究选取水力压裂KGD模型利用扩展有限元法(XFEM)模拟分析其分段压裂过程,为其现场工业性试验的分段压裂参数设计提供理论参考。

2.2 数值模型构建的边界条件和模拟方案

基于水力压裂损伤模型进行分段压裂研究,数值模型大小为40 m×20 m,压裂孔直径为94 mm,沿同一钻孔由内向外布置3个压力点,巷帮距最近压裂点的距离为20 m,建立4种相邻压裂点间距的数值计算模型,相邻压裂点间距分别为4 m、6 m、8 m和10 m,每个模型的压裂点均以66.67 L/min的恒定排量进行压裂,拟通过数值模拟分析得到其分段压裂的主要压裂参数和压裂点间距对其压裂效果的影响。

表1 多孔分段压裂模型基本物理力学参数表

2.3 模拟结果

图3给出的不同压裂段间距下孔压及裂缝扩展云图直观地表明,随着压裂段间距的增大,裂缝间相干效应随之降低,当压裂段间距超过某一个间距后其裂缝间相干效应消失,分段压裂与单一压裂现象相同,例如:当压裂时长为6000 s,压裂段间距为4 m或6 m时,裂缝两侧孔压最大为0.197～0.211 MPa,受显著的裂缝间相干效应影响,三个压裂段的压裂裂缝长度相差较大;当压裂段间距超过8 m或10 m时,裂缝两侧孔压最大为0.181～0.188 MPa,裂缝间相干效应基本消失,三个压裂段的压裂裂缝长度基本一致。图4给出的中间压裂段入口压力时程曲线表明,不同压裂段间距下裂缝起裂压力基本一致,为24.31～24.36 MPa,压裂段间距为4 m时压裂初期1000 s内的稳定扩展压力为11～13 MPa,压裂后期的稳定扩展压力约为10.5 MPa;当压裂段间距超过8 m或10 m时,整个压裂期间的稳定扩展压力几乎不发生变化,为11.5 MPa左右。图5给出的不同压裂段间距下入口张开度时程曲线同样直观地表明,当压裂段间距较小时,相邻压裂段间存在显著的裂间相干效应,当压裂段间距超过一定间距时,相邻压裂段间的相干效应开始消失,例如:当压裂段间距为4 m时,入口张开度在压裂时长962 s时达到最大,为24.51 mm。当压裂段间距为6 m时,入口张开度在压裂时长1930 s时达到最大,为26.9 mm;当压裂段间距为8 m和10 m时,入口张开度在压裂时长4000～4500 s左右时分别达到最大,分别为29.65 mm和31.62 mm。图6进一步表明,随压裂段间距的增大,相同压裂时长下裂缝扩展长度越来越接近,即相邻裂间相干效应随之降低,例如:当压裂段间距为4 m和6 m时,相同压裂时长下裂缝扩展长度相差较大,当压裂段间距为8 m和10 m时,相同压裂时长下裂缝扩展长度相差较小。

图3 不同压裂段间距下裂缝扩展及孔压(kPa)云图:压裂时间3000 s

图4 不同压裂段间距下入口压力时程曲线

图5 不同压裂段间距下入口张开度时程曲线

图6 不同压裂段间距下裂缝扩展长度时程曲线

综上矿井煤层试验工作面运输顺槽在不同压裂段间距下水力压裂数值模拟分析结果可知,当压裂段间距超过8 m或10 m时,压裂段压裂效果几乎不再受压裂段间距的影响,即每个压裂段的起裂压力、稳定扩展压力、裂缝扩展速度基本一致。因此,当矿井煤层采用分段水力压裂工艺时,综合上述各种因素对水力压裂效果的影响,为获得相对较好的压裂效果,相邻压裂段间距为10 m左右,注水泵压力至少24 MPa,以66.67 L/min的恒定排量进行压裂的连续压裂时间至少为100 min。因此选取工作压力为31.5 MPa,公称流量为400 L/min的BRW400/31.5型泵站。

压裂钻孔和控制孔之间的距离根据工程经验的同时参照分段间距分别取5 m与10 m进行考察确定。

3 多孔联动控制同步水力压裂技术工程应用

3.1 压裂方案设计

根据上述多孔分段同步水力压裂数值模拟结果,本次试验设计压裂距离分别为5 m(用于参考比较)和10 m的两种距离的多孔联动控制同步水力压裂试验,考虑到多孔压裂水量供应的问题,本次采用分段压裂方式,压裂段间距10 m,直径94 mm,注水泵最大压力30 MPa。钻孔及装备布置方式如图7所示,两种压裂孔间距下的压裂参数见表2和表3。

表2 5 m压裂间距时钻孔布置参数

表3 10m 压裂间距时钻孔布置参数

图7 井下多孔联动控制同步分段水力压裂钻孔及装备布置示意图

压裂孔与控制孔间距为5 m时,钻孔的参数设置见表2。压裂孔与控制孔间距为10 m时,钻孔的参数设置如表3所示, 根据上述多孔分段同步水力压裂数值模拟结果,本次试验分别进行压裂距离分别为5 m和10 m的两种距离的多孔联动控制同步水力压裂试验,考虑到多孔压裂水量供应的问题,本次采用分段压裂方式。

图8给出Y-1-1,Y-1-2,Y-1-3压裂钻孔的首段压力时程曲线,分析可知,各个压裂孔的压力时程曲线变化趋势基本一致。高压泵设置的初始压力为30 MPa,流量为200 L/min(一分三)。开启高压泵后,由于分段压裂时压裂段空间较小,高压水很快就充满压裂空间,各个压裂钻孔在1 min之内压力即达到起裂压力,其中Y-1-1钻孔起裂压力为23.3 MPa,Y-1-2钻孔起裂压力为24.2 MPa,Y-1-3钻孔起裂压力为25.4 MPa。煤体起裂后,随着高压水的持续注入,各个压裂钻孔内的压力会有一个小的跌落,在之后的一段时间内,压裂孔内水压在一个小范围内波动,总体呈下降趋势,但相对保持稳定,这段时间即为钻孔的压裂过程,即裂纹扩展过程。Y-1-1钻孔裂纹扩展时间约为26 min,Y-1-2钻孔裂纹扩展时间约为33 min,Y-1-3钻孔裂纹扩展时间约为38 min。在裂纹扩展到一定距离后,压裂孔会与控制孔沟通,此时,压裂钻孔内的水压会有一个很大幅度的跌落,且跌落后继续注入高压水后,压力也不会再上升,Y-1-1钻孔裂纹沟通时间约为28 min,Y-1-2钻孔裂纹沟通时间约为35 min,Y-1-3钻孔裂纹扩展时间约为40 min,统计3孔单段压裂的耗水量约为10 t。

图8 5 m间距压裂钻孔压力时程曲线

图9给出Y-2-1,Y-2-2,Y-2-3压裂钻孔的首段压力时程曲线,分析可知,各个压裂孔的压力时程曲线变化趋势基本一致。高压泵设置的初始压力为30 MPa,流量为200 L/min(一分三)。开启高压泵后,由于分段压裂时压裂段空间较小,高压水很快就充满压裂空间,各个压裂钻孔在1min之内压力即达到起裂压力,其中Y-2-1钻孔起裂压力为22.8 MPa,Y-1-2钻孔起裂压力为24.1 MPa,Y-1-3钻孔起裂压力为22.3 MPa。煤体起裂后,随着高压水的持续注入,各个压裂钻孔内的压力会有一个小的跌落,在之后的一段时间内,压裂孔内水压在一个小范围内波动,总体呈下降趋势,但相对保持稳定,这段时间即为钻孔的压裂过程,即裂纹扩展过程,Y-2-1钻孔裂纹扩展时间约为88min,Y-2-2钻孔裂纹扩展时间约为83 min,Y-2-3钻孔裂纹扩展时间约为98 min。在裂纹扩展到一定距离后,压裂孔会与控制孔沟通,此时,压裂钻孔内的水压会有一个很大幅度的跌落,且跌落后继续注入高压水后,压力也不会再上升,Y-2-1钻孔裂纹沟通时间约为90 min,Y-2-2钻孔裂纹沟通时间约为85 min,Y-2-3钻孔裂纹扩展时间约为100 min,统计3孔单段压裂的耗水量约为25 t。

图9 10 m间距压裂钻孔压力时程曲线

3.2 试验数据分析

钻孔压裂完成后,将各个压裂孔与其沟通的控制孔作为一组,接入抽采系统,每天统计各个编组的瓦斯抽采浓度值、瓦斯抽采混合流量及瓦斯抽采纯量。根据实际情况,进行不间断持续抽采,由于现场情况的特殊性,第一组(钻孔5 m间距)和第二组(钻孔10 m间距)钻孔的记录时间均为30 d。

对比分析各组中压裂钻孔与未压裂钻孔数据,随着抽采的进行,压裂组和对比组的瓦斯浓度均呈下降趋势,但煤体压裂后,瓦斯抽采浓度会有一定程度的提高。第一组(钻孔5 m间距)瓦斯抽采浓度压裂后相比压裂前平均提高1.2倍,第二组(钻孔10 m间距)瓦斯抽采浓度压裂后相比压裂前平均提高1.10倍,如图10所示。煤体压裂后,瓦斯抽采纯量会有较大的提高。第一组(钻孔5 m间距)瓦斯抽采纯量压裂后相比压裂前平均提高2.44倍,第二组(钻孔10 m间距)瓦斯抽采纯量压裂后相比压裂前平均提高2.12倍,见图11。第一组(钻孔5 m间距)瓦斯抽采混合流量压裂后相比压裂前平均提高2.17倍,第二组(钻孔10 m间距)瓦斯抽采混合流量压裂后相比压裂前平均提高1.96倍,如图12所示。