煤层高压注水压裂增透效应研究

2024-05-13杨理强韩云春陈本良丰安祥芮千龙

山西焦煤科技 2024年3期

杨理强,韩云春,陈本良,丰安祥,芮千龙

(1.煤炭开采国家工程技术研究院, 安徽淮南 232001;2.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司, 安徽淮南 232001;3.平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司, 安徽淮南 232001;4.深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室, 安徽淮南 232001;5.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心, 安徽淮南 232001;6.淮南矿业(集团)有限责任公司, 安徽淮南 232001)

水力压裂技术广泛用于松软低透气性煤层瓦斯抽采增透增产工艺[1-2],胡千庭等[3]通过物理模拟试验分析了裂隙周边的应力场特征和裂缝动态扩展过程,研发了煤层顶板分段水力压裂技术。张卫华等[4]提出了水力冲压联合卸压增透抽采瓦斯技术,先在煤层中施工水力冲孔导向孔,再开展水力压裂,并在鹤壁矿区进行了应用,煤层透气性增加了2倍多。但是,水力压裂技术依然存在压裂后裂缝重新闭合、起裂位置及方向难以控制、起裂压力较高和压裂液漏失等技术难题,及压裂效率低、瓦斯抽采衰减快等实际问题,极大限制了水力压裂技术的应用和推广[5-7]. 本文采用数值模拟研究了高压水对煤体增透卸压效应和煤体塑性变形的影响,并在煤矿现场进行了应用研究和效果考察,以期为煤层高压注水压裂增透提供技术支撑。

1 煤层高压注水压裂数值分析

为了模拟煤层高压注水压裂的卸压增透过程,开展钻孔压裂数值模拟分析,在煤体中设计一条10 m长裂缝,见图1. 模型尺寸X=20 m,Z=20 m,模型右侧设为固定约束边界,上侧、下侧和左侧设为压力边界,初始应力为20 MPa,模型参数见表1.

表1 模型参数取值

图1 模型网格及裂缝设计

由于裂缝注水可能造成煤层应力集中,直接影响煤层瓦斯的透气性和采掘安全,因此,模拟分析了裂缝周围的应力分布等情况。其中Z方向的应力变化见图2,当煤体采用裂缝注水压裂时,裂缝周围先出现增压区,煤体应力为32 MPa左右,底部出现卸压区,煤体应力为7 MPa左右。

图2 Z向应力分布

水力压裂停止后的Z向应力分布云图见图3. 水力压裂后,裂缝两侧产生大范围卸压塑性变形区,仅在裂缝前端有局部应力集中,说明通过水力压裂可以有效快速降低钻孔周围应力,促进卸压瓦斯快速扩散。

图3 水力压裂停止后Z向应力分布

2 高压水力压裂工业试验和效果考察

2.1 工程背景和施工工艺

选择某矿为煤层高压水力压裂试验地点,该矿主采3#煤,煤质松软,预抽钻孔施工时经常出现卡钻夹钻及成孔困难等问题。煤层原始瓦斯为6.2～7.6 m3/t(最高16.04 m3/t),K1值为0.11～0.41,钻屑量为2.8～4.5 kg/m. 原始瓦斯压力为0.12～0.66 MPa,煤层坚固性系数0.3～0.6,瓦斯放散初速度为12.6～21.3 mmHg,钻孔瓦斯流量衰减系数0.109 3～0.113 5 d-1,煤层透气性系数为0.010 4～0.047 5 m2/(MPa2·d),属较难抽采煤层。目前该矿井抽、掘、采衔接紧张,主要由于3#突出煤层区域预抽达标周期为180 d,制约矿井产能释放。该次高压水力压裂效果考察,共设计导向孔和压裂孔合计22个,布置见图4(D1—D12为导向孔,Y1—Y12为压裂孔)。

图4 钻孔布置

在压裂实施过程中,先施工导向孔D1,然后依次施工Y1、D2、Y2、D3、Y3、D4、Y4、D5、Y5、D6、D7、Y6、D8、Y7、D9、Y8、D10、Y9、D11、Y10、D12. 钻进施工采用φ125 mm钻头,压裂孔与导向孔设计参数见表2,压裂孔和导向孔均采用“两堵一注”注浆封孔方法,压裂孔有效封孔长度20 m,导向孔封孔长度10 m.

表2 压裂孔与导向孔设计参数

压裂施工具体过程:在完成前期压裂系统稳定性和安全性检查后,先关闭单向阀处的截止阀,开泵并检查溢流阀压力表的变化,使压力升高至10 MPa;打开单向阀处的截止阀,完全打开溢流阀,启动注水泵,调节溢流阀,开始钻孔压裂;注水15 min后,若压力表没有变化,停泵检查管路及钻孔密封情况,利用溢流阀控制压裂压力,保持压力平稳上升;预定在3 MPa、5 MPa、7 MPa压力处分别维持2 min,然后根据压力需要调节压力变化。在整个压裂过程中使水力压力保持在15 MPa以下;当达到结束判断标准时,停泵结束压裂作业。

2.2 高压水力压裂实施效果考察

2.2.1 水力压裂抽采瓦斯量分析

为了考察高压水力压裂实施效果,开展了压裂前后瓦斯纯量和抽采总量变化的对比分析。图5是总孔板瓦斯纯量变化对比图,由图可知,压裂孔在20天内的瓦斯抽采纯量明显高于普通孔,其压裂孔瓦斯纯量是普通孔瓦斯纯量的1.7～3倍。压裂孔在前10天内的瓦斯纯量平均为0.17 m3/min(最高0.18 m3/min),10天后,随着裂缝闭合,压裂孔瓦斯抽采纯量出现波动,但压裂孔瓦斯纯量依然高于普通孔瓦斯纯量,普通孔瓦斯纯量保持在0.06～0.10 m3/min.

图5 瓦斯纯量变化对比

图6是总孔板瓦斯抽采总量变化对比图,压裂孔瓦斯抽采总量在20 d内明显高于普通孔,考察的压裂孔瓦斯抽采总量也为普通孔瓦斯抽采总量的1.7～3倍。压裂孔在前10 d内的瓦斯抽采总量平均在240 m3左右,最高瓦斯抽采总量为260 m3/min. 10 d后,随裂缝闭合,压裂孔瓦斯抽采总量有所下降,但压裂孔瓦斯抽采总量依然高于普通孔瓦斯抽采总量,普通孔瓦斯抽采总量在80～140 m3的较低水平上波动。

图6 瓦斯抽采总量对比

2.2.2 压裂前后抽采半径变化情况分析

压裂前该矿顺层钻孔有效抽采半径为1.5～2.5 m,钻孔间距2 m,瓦斯抽采难度大,抽采浓度低。该次压裂抽采半径考察避开地质构造带施工10个考察钻孔,直径125 mm,分布在水力压裂钻孔Y1侧和Y10侧,垂直于巷道壁施工,且所有钻孔轨迹相互平行,打钻结束后立即封孔,压裂孔封孔长度不低于20 m,考察孔封孔长度不低于15 m. 钻孔间距按照图7设计施工。

图7 测试钻孔示意

在普通抽采钻孔施工至煤层预定深度之前,连续观测10个考察孔的流量变化情况,每10 min观测一次,观测次数不少于4次;施工普通抽采钻孔后,连续观测10个考察孔流量变化情况,每10 min观测一次,观测次数不少于6次。

在Y1和Y10实施水力压裂之前,连续观测10个考察孔流量变化情况,每10 min观测一次,观测次数不少于4次;水力压裂钻孔内实施压裂结束后,连续观测10个考察孔流量变化情况,每10 min观测一次,观测次数不少于6次,并计算其平均值;连续观测3天,测试全部结束。

当距压裂孔最远的考察孔与其瓦斯抽采量升高的最后值相比,3次测量值均增加15%以上,此处的距离作为压裂钻孔有效抽采半径,测量值增加5%以上的距离,作为压裂钻孔影响半径。通过现场测量发现,1#、2#、3#、4#、-1#、-2#、-3#、-4#考察孔在压裂钻孔压裂施工后的瓦斯涌出量均出现明显增大,与其瓦斯抽采量升高前的最后值相比,均增大15%以上;5#考察孔距压裂钻孔为6.5 m,其增大的比例与其他考察孔相比较小,增幅为7%;-5#测试钻孔瓦斯抽采量升高值小于5%. 因此,取4.5 m作为压裂钻孔有效抽采半径,6.5 m作为压裂钻孔影响半径,煤层实施高压注水压裂后,其钻孔有效抽采半径明显增大。