地质构造对脉动水力压裂过程及效果的影响

郝 军

(山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046103)

0 引言

随着煤矿开采深度的增加和开采强度的增大,煤层安全高效地卸压增透消突成为煤矿安全高效生产的重要保证[1-2]。近年来,各种水力化措施在煤矿瓦斯治理和防治煤与瓦斯突出领域越来越受到煤矿企业和学者的重视,包括水力压裂、煤层注水、水力割缝等措施[3-5]。脉动水力压裂技术是在水力压裂技术的基础上发展而来旨在提高煤层瓦斯卸压增透效果的新技术[6-10],林柏泉,李子文,翟成等现场试验研究表明,脉动压裂抽采钻孔与普通抽采钻孔相比,抽采体积分数平均增加了264.7%,瓦斯流量增加了245.5%;翟成,李贤忠,李全贵现场试验研究表明,脉动水力压裂孔抽采纯流量是普通水力压裂孔抽采流量的1.75倍;彭深,林柏泉,翟成现场试验结果表明,与普通瓦斯抽采钻孔相比,压裂孔的瓦斯浓度平均提高4.7倍,纯流量平均提高了6.3倍;导向孔的瓦斯抽采浓度平均提高了3.7倍,抽采纯流量平均提高了3.9倍;谢正红现场对比实验表明,高压脉动水力压裂与普通抽采孔相比,抽采浓度平均增加了396.7%,流量增395.5%;李全贵现场试验研究表明,脉动水力压裂技术实施后,瓦斯抽采浓度提高了2.22倍以上,瓦斯抽采流量提高了2.63倍以上。不少学者已对脉动水力压裂弱化机理、压裂过程中裂隙的扩展规律以及脉动压裂技术方法上进行研究,取得了一定的成果[11-15]。

但是,对于脉动水力压裂适用的地质条件以及地质构造对脉动水力压裂实施产生的影响,有学者进行研究。采用数值模拟和实验室实验研究经常存在边界条件、材料参数等方面的误差,因此,本文选择在具有断层构造的通化矿业集团松树镇煤矿+206水平西一采区和非地质构造区的铁法矿业集团大兴煤矿N2706工作面分别进行现场试验。通过对地质构造区和非地质构造区脉动水力压裂过程和效果的对比,分析地质构造对脉动水力压裂过程及效果的影响,探索脉动水力压裂技术适用的地质条件。

1 矿井概况及地质构造分析

1.1 非地质构造区概况

非地质构造区脉动水力压裂现场试验选择在东北铁法矿业集团大兴煤矿N2706工作面实施。大兴煤矿含煤地层共含煤14层,其中4-2、7-2、9、12煤层为主采煤层,其余为大部分或局部可采。N2706工作面东侧为N2705采空区,南侧为北二采区7-2煤层准备巷道,西侧为未采动区,北侧为矿井边界,与大隆井田相邻。工作面上邻近4-2煤层,煤厚一般为1.20m。4-2煤层与7-2煤层间距一般为54.88m;下邻9煤层,煤厚平均为5.35m。7-2煤层与9煤层间距一般为19.96m。

根据N2705工作面的回采情况及三维地震资料,N2706工作面断层构造较为简单,N2706工作面北部发育一条较大断层,F45号断层,产状为85°∠68°,落差为15.0m,控制可靠,对掘进无影响。

1.2 地质构造区概况及构造分析

地质构造区脉动水力压裂现场试验选择在通化矿业集团松树镇煤矿+206水平西一采区实施。该矿含煤地层中共含煤6层,自上而下编号为Ⅰ～Ⅶ层。其中Ⅰ煤层、Ⅱ煤层普遍发育,基本全区可采,Ⅲ煤层局部可采,其余煤层均不可采。可采煤层的特点:Ⅰ、Ⅱ煤层皆为西部薄东部厚,下部薄上部厚,Ⅲ煤层在东部发育,厚度小,大部分处于最小开采厚度。

矿区位于华北地区辽东隆起区的东部,为单斜构造,轴向北东,向东倾伏。向斜南翼煤层走向近东西,向北倾斜;向斜北翼煤层走向为北东方向、向南东倾斜。南翼煤层露头在横迅河子附近被中生代煤系掩盖;北翼煤层露头在蚊子沟附近被白垩纪火山岩系及第三纪玄武岩掩盖。

矿区共有落差20m以上的主要断层11条,其中9条分布在西部生产区,有2条分布在东部生产区。

松树镇煤矿+206水平西一采区脉动水力压裂区域位置如图1所示。图1中绿框内为脉动水力压裂区域,该区域右侧有r3断层穿过,r3断层走向144°,倾向54°,倾角67°,落差为13m。压裂区域距离r3断层最远距离为40m,最近距离为5m。

图1 松树镇煤矿脉动水力压裂区域位置图

2 脉动水力压裂现场试验

2.1 钻孔布置及参数

地质构造区和非地质构造区的脉动水力压裂钻孔布置方式相同,均采取压裂孔与导向孔交替布置,导向孔在脉动水力压裂区域形成弱面区,引导裂隙方向性扩展。地质构造区压裂孔分别为D1、D2、D3、D4,导向孔分别为Da、Db、Dc、Dd;非地质构造区压裂孔分别为F1、F2、F3、F4,导向孔分别为Fa、Fb、Fc、Fd、Fe。两个区压裂孔和导向孔的间距均为5m。

基于大兴煤矿7煤层赋存条件、N2706工作面与N2706底板瓦斯巷布置方式,选择在N2706底板瓦斯巷交替布置脉动压裂孔和导向孔,终孔至7煤层,钻孔倾角均为9°如图2(a)所示。根据松树镇煤矿地质构造和巷道布置方式,压裂孔D4距离r3断层为5m,导向孔Da距离r3断层为40m如图2(b)所示。

图2 巷道和钻孔布置图

地质构造区和非地质构造区内的脉动水力压裂现场试验压裂孔和导向孔参数见表1和表2。

表1 压裂孔设计参数

表2 导向孔设计参数

2.2 脉动水力压裂实验结果

在地质构造区和非地质构造区实施的脉动水力压裂现场试验采用相同的设备和实施方法,设备主要包括脉动注水泵、溢流阀、脉动注水管路等。

在地质构造和非地质构造区域内的压裂参数及结果见表3。

表3 两种压裂区域压裂过程参数

由表3数据可以看出,地质构造区实施的脉动水力压裂现场试验最长注水时间为55min,最短注水时间为35min;最大脉动压力为4MPa,最小脉动压力为1MPa;最大注水量为6.875m3,最小注水量为5.1m3。且D3、D4压裂孔旁边的导向孔均未出水。非地质构造区实施的脉动水力压裂现场试验最长注水时间为15min,最短注水时间为9min;最大脉动压力为12MPa,最小脉动压力为7MPa;最大注水量为1.5m3,最小注水量为0.6m3,且非地质构造区内的导向孔均出水。两个区的脉动水力致裂上述参数的显著差异,说明脉动水力致裂结果受到了地质构造区裂隙发育的显著影响。

3 地质构造对脉动水力压裂影响分析

通过对比在地质构造区和非构造区域进行的脉动水力压裂现场试验结果,进行地质构造对脉动水力压裂影响的分析,得出地质构造对脉动水力压裂过程及效果的影响规律。

3.1 地质构造对脉动水力压裂过程的影响

在地质构造区和非地质构造区实施的脉动水力压裂现场试验,压裂孔注水时间、注水量、脉动压力的柱状图如图3～图5所示。

图3 压裂孔注水时间

由图3和图4可以看出,地质构造区内压裂孔D1、D2、D3、D4的注水时间均在35～55min之间,注水量均在5～7m3之间;而非地质构造区内压裂孔F1、F2、F3、F4的注水时间均在10min左右,注水量均在1m3左右。在地质构造区的脉动水力压裂注水时间和注水量均远大于非地质构造区的注水时间和注水量,说明地质构造对脉动水力压裂的过程产生了显著影响。由于脉动水力压裂区域内存在断层结构,断面在压裂区域形成弱面区,很容易诱导煤层裂隙向断层方向扩展,脉动水则不断向断层方向运动,对脉动注水形成疏排效应。因此,断层构造导致脉动注水时间和注水量均明显大于非地质构造内的水力压裂。

图4 压裂孔注水量

由图5可以看出,地质构造区内压裂孔D1、D2、D3、D4的脉动注水压力均在3MPa左右,而非地质构造区内压裂孔F1、F2、F3、F4的脉动注水压力均在10MPa左右,分析认为,由于断层构造的存在,导致脉动水力压裂区域内形成一个自然卸压区,对脉动压力形成释放效应,从而导致地质构造区的脉动注水压力显著减小。

图5 压裂孔脉动压力

通过对表3地质构造区数据和距断层距离参数进行回归分析,拟合得出同一地质构造区内压裂孔D1、D2、D3、D4的脉动注水压力、注水量随压裂孔距断层距离的变化关系如图6所示。由图6可以看出,在地质构造内的脉动水力压裂过程中,脉动注水压力和注水量与距断层距离基本成正线性关系,即在地质构造区内压裂孔距离断层构造越近,其脉动注水压力越小,注水量也越小。随着距离从35m(D1压裂孔)减至5m(D4压裂孔),脉动注水压力从D1压裂孔的4MPa降至D4压裂孔的1MPa,注水量从7m3降至5m3左右。进一步证明了断层自然卸压区对脉动压力形成释放效应,阻止了脉动压力的提升,降低了脉动水力压裂的效果。同时,由于断层断面在压裂区域形成弱面区,诱导了煤层裂隙向断层方向扩展,因此,脉动注水则不断向断层方向运动。

图6 脉动压力、注水量与距断层距离的关系

3.2 地质构造对脉动水力压裂效果的影响

基于松树镇煤矿+206水平西一采区和铁岭大兴煤矿N2706工作面在原始瓦斯含量和原始瓦斯压力等原始瓦斯条件的不同,只考虑脉动水力压裂后的瓦斯浓度大小对比有失科学性。因此,在此对脉动水力压裂前后的瓦斯浓度增量进行分析,研究地质构造对脉动水力压裂效果的影响。

在脉动水力压裂完成后,立即连接抽采管路,对压裂孔进行抽采,观测钻孔瓦斯浓度1个月。再分别对地质构造区和非地质构造区钻场抽采钻孔瓦斯浓度数据进行对比,如图7所示。

图7 压裂前后瓦斯抽采浓度随时间变化图

由图7可以看出,在地质构造区和非地质构造区,脉动水力压裂实施后,瓦斯抽采浓度均能明显升高。在地质构造区域内,压裂孔D1、D2、D3、D4的瓦斯抽采浓度普遍大于该区域脉动水力压裂前的对比孔瓦斯抽采浓度如图7(a)所示。其中,压裂孔初始抽采瓦斯浓度在3%～10%左右,而对比孔初始瓦斯浓度范围在0.5%～2%左右。D1压裂孔初始抽采瓦斯浓度达到最大为10%,而对比孔2初始瓦斯浓度最小为0.5%;压裂孔稳定抽采瓦斯浓度在3%～6%之间,而对比孔稳定抽采瓦斯浓度范围在0.5%～2%之间。在断层地质构造区域内实施脉动水力压裂后,初始抽采瓦斯浓度提高6～20倍,稳定抽采瓦斯浓度提高3～6倍。

在非地质构造区域内,压裂孔F1、F2、F3、F4的瓦斯抽采浓度亦普遍大于该区域普通抽采孔瓦斯抽采浓度如图7(b)中所示。普通抽采孔初始抽采瓦斯浓度为10%～15%,而脉动水力压裂孔的初始抽采瓦斯浓度一般为40%～50%之间,是普通抽采孔初始抽采瓦斯浓度的4倍左右;普通抽采孔的瓦斯稳定抽采瓦斯浓度仅2.5%左右,而压裂孔瓦斯稳定抽采浓度达到了25%以上,是普通抽采孔的10倍以上。

通过以上对比分析可以得出,地质构造区内进行的脉动水力压裂前后,稳定抽采瓦斯浓度提高3～6倍,初始抽采瓦斯浓度提高6～20倍;非地质构造区内进行的脉动水力压裂前后,稳定抽采瓦斯浓度提高10倍以上,初始瓦斯抽采浓度提高4倍左右。

针对地质构造区和非地质构造区的初始抽采瓦斯浓度和稳定抽采瓦斯浓度提高倍数的显著差异,分析认为,由于地质构造区相对非地质构造区裂隙发育,赋存的游离态的瓦斯较多,脉动水力致裂之后随着裂隙的导通,地质构造区的初始抽采瓦斯提高倍数大于非地质构造区;与此同时,受脉动致裂裂隙与构造区裂隙导通卸压的影响,使得构造区的致裂压力低于非构造区,有效致裂范围和裂隙发育程度低于非构造区,从而使得地质构造区的稳定抽采瓦斯浓度低于非地质构造区。

由图7也可以看出,在地质构造区和非地质构造区,压裂孔的瓦斯抽采浓度均会经历反复下降又上升的弹性过程。以D1压裂孔为例,最高瓦斯浓度为10%,经过10天,抽采瓦斯浓度降为5%,但在第15天,瓦斯浓度又反弹为8%。其原因是脉动水力压裂后,煤层内存在的水阻止了瓦斯运移的动力学过程,在第15天时,经过排水过程解除了煤层内水对瓦斯运移的封锁,瓦斯浓度又升到8%。基于前述分析,脉动水力压裂在非地质构造区内的注水量要远小于地质构造区内的压裂孔注水量。因此,脉动水力压裂后,地质构造内大量水的存在对瓦斯抽采产生较大的水锁效应,不利于瓦斯抽采。

4 结论

(1) 脉动水力压裂区域内存在断层结构,断面在压裂区域形成弱面区,诱导了煤层裂隙向断层方向扩展,导致脉动注水不断向断层方向运动,从而使地质构造区脉动注水时间和注水量均明显大于非地质构造区。断层自然卸压区对脉动压力形成释放效应,阻止了脉动压力的提升,降低了脉动水力压裂的效果。

(2) 通过对地质构造区和非地质构造区脉动水力压裂前后瓦斯抽采效果的对比分析,地质构造区压裂孔稳定抽采瓦斯浓度提高了3～6倍,初始抽采瓦斯浓度提高了6～20倍;非地质构造区压裂孔瓦斯抽采浓度提高了10倍以上,初始瓦斯抽采浓度提高了4倍左右。地质构造降低了脉动水力压裂前后稳定抽采瓦斯浓度增量,提高了初始抽采瓦斯浓度的增量。

(3) 脉动水力压裂后,地质构造区域煤层内存在大量水的存在对瓦斯抽采产生较大的水锁效应,阻止了瓦斯运移的动力学过程,降低了脉动水力压裂效果,影响了瓦斯的抽采。