數(shù)值模擬在水力壓裂技術(shù)中的應(yīng)用

齊成丞

摘 要：基于導(dǎo)向孔的定向水力壓裂技術(shù)是當(dāng)前對煤層進行卸壓增透的有效方法之一，本文利用RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟件對導(dǎo)向孔的導(dǎo)向作用效果進行模擬研究，現(xiàn)場試驗后，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，同時壓裂后鉆孔的瓦斯抽采濃度與純量都有顯著的提高，該技術(shù)可以為今后實施水力壓裂提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；數(shù)值模擬；現(xiàn)場應(yīng)用

1 引言

我國大多數(shù)煤田煤層透氣性系數(shù)都較低，在抽采時必須采取措施提高煤層的透氣性系數(shù)，可以說煤層透氣性差已經(jīng)成為制約瓦斯抽采甚至煤礦開采的瓶頸。針對這一問題，煤炭工作者廣泛應(yīng)用水力壓裂技術(shù)增大煤層的透氣性，在一些礦區(qū)取得了顯著的效果。只有根據(jù)煤礦的具體實際，設(shè)計出適宜的定向水力壓裂技術(shù)方案，才能成功地實現(xiàn)水力壓裂的效益最大化。

2 水力壓裂導(dǎo)向孔的導(dǎo)向卸壓機理

定向水力壓裂技術(shù)是基于水力壓裂時壓裂裂隙首先在弱面產(chǎn)生與發(fā)展這一機理提出的[1]。在現(xiàn)場實踐中，人為創(chuàng)造裂隙弱面及尖端效應(yīng)可以實現(xiàn)裂隙的定向?qū)Э兀瑥亩映浞值乩盟毫训哪芰浚嵌ㄏ蛩毫阎辛芽p隨意擴展造成的能量浪費以及存在局部應(yīng)力集中和卸壓盲區(qū)的現(xiàn)象，達到人們期望的卸壓增透消突效果。導(dǎo)向孔導(dǎo)控即通過在壓裂孔四周布置一些導(dǎo)向孔，人為創(chuàng)造裂隙弱面空間，誘導(dǎo)壓裂過程中裂隙向?qū)蚩追较蛏膳c擴展[2]。

3 導(dǎo)向孔導(dǎo)向作用效果模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為使數(shù)值模擬的結(jié)果更具現(xiàn)場指導(dǎo)意義，結(jié)合壓裂工作面煤層的賦存條件，建立幾何模型如下：模型尺寸為50m×40m，劃分為500×400個網(wǎng)格，采用二維平面應(yīng)力分析，受力準(zhǔn)則為摩爾—庫倫準(zhǔn)則，分布類型選韋伯分布[4～6]。載荷邊界為頂部施加豎直載荷，等效煤層上部巖層自重13MPa，側(cè)向施加水平載荷，為水平地應(yīng)力10.5MPa，底端固定約束[3]。

3.2 模擬結(jié)果分析

導(dǎo)向孔的方位根據(jù)導(dǎo)控需要進行設(shè)定，導(dǎo)向孔與壓裂孔之間的距離要小于它們的影響半徑之和，即小于導(dǎo)向孔的破碎裂隙范圍與壓裂孔的壓裂范圍之和，否則有可能無法實現(xiàn)定向功能。為研究導(dǎo)向孔的導(dǎo)向作用效果，在幾何模型的中心壓裂孔四周均勻布置4個導(dǎo)向孔，起定向卸壓作用。結(jié)合本次壓裂地點巷道兩幫需要增透的范圍，將導(dǎo)向孔與壓裂孔的距離定為8m。初始注水壓力設(shè)為10Mp，水壓力增量為0.2Mp，模擬煤層裂隙擴展動態(tài)特征，見圖1。

圖1 導(dǎo)向孔定向水力壓裂的剪應(yīng)力分布云圖

圖中，應(yīng)力的大小與顏色灰度有關(guān)，顏色越亮，表示所受剪應(yīng)力越大，煤體的破壞越顯著。從圖1可以看出：水壓從10增加到17Mpa期間，沒有裂紋產(chǎn)生，只是在壓裂孔周圍形成一個近似環(huán)狀的白色壓力增高帶，在此階段，水壓相對較小，高壓水主要以滲流方式進入鉆孔周圍的裂隙及原煤孔隙中。水壓達到17Mpa時，孔壁周圍開始有微裂紋產(chǎn)生，此時，水壓已相對較大，裂隙的發(fā)展對水壓相當(dāng)敏感，很小的水壓增量，就能促使裂縫的快速發(fā)展延伸，在P=17.8Mpa時，主裂紋已基本形成。煤層的破裂壓力約為17Mpa，裂縫的范圍接近10m。在現(xiàn)場壓裂時，由于需克服管路摩阻及重力的作用，高壓泵的注水壓力應(yīng)大于17Mpa，根據(jù)注水管路的性能，泵注最高壓力定為18Mpa。。

4 效果分析

1）水力壓裂影響范圍考察

本次試驗采用礦用瞬變電磁儀對壓裂影響范圍進行探測，瞬變電磁儀主要應(yīng)用于井下裂隙斷層、含水區(qū)的探測，由于其方便準(zhǔn)確的特點，受到礦井工作人員的普遍歡迎。

探測后，利用瞬變電磁儀專業(yè)軟件對所采集的數(shù)據(jù)作進一步處理，得到水力壓裂后瞬變電磁儀探測的視電阻率擬斷面圖，見圖2。圖中顏色由紅到藍，表示視電阻率由高到低，對應(yīng)的含水性則是由小到大。可以看出在煤壁前方30m、巷道兩側(cè)15m的范圍內(nèi)，視電阻率分布較低，含水性較大，可以判定，壓裂水已到達這些區(qū)域，水力壓裂的影響范圍為15m左右。

2）抽采效果考察

壓裂完畢，待鉆孔中的水排盡后，將壓裂孔與4個導(dǎo)向孔并入巷道的瓦斯抽采管道進行合閘抽采，并對抽采濃度以及抽采純量進行測試，在壓裂結(jié)束后的3天內(nèi)，每班都要對抽采純量、抽采濃度、抽采負(fù)壓等參數(shù)進行觀測并做好記錄。之后，每日觀測一次相應(yīng)參數(shù)并記錄。連續(xù)觀測時間視參數(shù)變化情況而定，一般不少于20天。將這些參數(shù)與該巷道壓裂前抽采的各項參數(shù)進行對比，得出水力壓裂后的瓦斯抽采量提高了4倍左右，可見水力壓裂取得了良好的卸壓增透效果。

5 結(jié)論

1）通過對壓裂前后瓦斯抽采指標(biāo)的比較，得出水力壓裂的卸壓增透效果顯著，水力壓裂確為該礦瓦斯治理的有效方法，值得在整個礦井推廣使用。

參考文獻

[1] 張國華. 水力壓裂鉆孔始裂特點分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005，24（6）：790-794.

[2] 馮彥軍，康紅普. 水力壓裂起裂與擴展分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（2）：3169-3173.

[3] 李樹剛，馬瑞峰. 煤層水力壓裂增透影響半徑試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，41（3）：9-13.