穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透相似模擬實驗研究

寧保平（安徽理工大學 能源與安全學院,安徽 淮南 232001）

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穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透相似模擬實驗研究

寧保平
（安徽理工大學 能源與安全學院,安徽 淮南 232001）

摘 要：通過相似模擬實驗，針對高瓦斯低透氣性煤層穿層鉆孔水力壓裂卸壓增透技術進行了研究和分析。利用相似模型對淮南13-1煤層建立2個模型進行相似模擬實驗研究。通過分析實驗過程中水壓數據變化、應力應變數據變化以及電阻率測試系統數據結合實驗現象得出了試塊的初次破裂壓力、裂縫的張開壓力以及壓裂過程中應力的集中、應力的轉移和應力的重新分布的結論。

關鍵詞：低透氣性煤層；水力壓裂；卸壓增透；相似模擬

在煤礦安全生產過程中，瓦斯一向是威脅煤礦安全生產的主要災害之一[1]。目前，通過瓦斯抽采，減少煤層中的瓦斯含量，是防治瓦斯災害的重要舉措[2]。然而，煤層開采深度的不斷增加，使煤層透氣性急劇性降低，從而使得瓦斯的抽采受到嚴重的影響。因此，如何提高煤層的透氣性成為實現煤礦安全高效生產的重要措施[3]。

本文主要針對水力壓裂增透機理研究上存在的問題和不足，采用水力壓裂相似模擬試驗[4]，著重研究壓裂過程中水的運移軌跡，水壓對煤層頂底板的應力場的擾動規律以及瓦斯的運移軌跡等，探討水力壓裂影響的位置區段的“滲流場、瓦斯場、應力場”的重新分布的規律，完善水力壓裂的增透機理[5]。本論文選題對水力壓裂增透機理的研究以及壓裂工藝的改良具有理論指導的作用[6]。

1 相似模擬實驗

1.1 實驗裝置

實驗設備為長方體箱體，其四周壁面和底部是由10mm 的Q345鋼板焊接而成，箱體的內部空間尺寸是長500mm寬500mm高600mm，按照1:30的幾何相似比，該實驗腔體可模擬15m×15m×18m范圍的現場煤巖體。實驗系統設計如圖1所示：

如圖設計連接，同時將各數據線接入YE2539高速靜態應變儀。

2 相似模擬實驗的結果與分析

2.1 水壓數據分析

本次分為兩個類型四次實驗進行，前兩次千斤頂未施加壓力進行水力壓裂實驗以及經放水后再次進行水力壓裂實驗，后兩次千斤頂施加壓力的同時進行水力壓裂實驗以及經放水后再次進行水力壓裂實驗。第一次實驗箱體內試塊水力壓裂過程中的水力壓裂孔水壓與隨時間的變化關系如圖2所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開始時水壓力迅速升高，在第78s 時，水壓力達到最大值1.0MPa，之后水壓短暫處于高峰值，水力壓裂孔位置開始發生孔口破裂，并且由于孔口破裂破裂導致儲液空間開始突然變大，水壓力出現急劇的下降，在短時間內降至0.7Mpa。此后，維持在0.6MPa與0.5MPa之間來回變動，水壓裂縫的每一次的拓展都會同時伴隨水壓力的對應上升和下降。隨著水的繼續注入，達到儲液空間的壓力重新平衡后，水壓不會再繼續下降,開始又一次升高，水壓裂縫進一步開始增加。水壓力到達最大之后出現下降直到一穩定值，該壓力就是裂縫張開的壓力，一直到注水結束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

第二次實驗箱體內試塊在經過放水后，又重新進行壓裂，水力壓裂過程中的水力壓裂孔水壓與隨時間的變化關系如圖3所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開始時水壓力迅速升高，在第62s時，水壓力達到最大值0.7MPa，水力壓裂孔位置開始發生孔口破裂，并且由于孔口破裂導致儲液空間開始突然變大，水壓力出現下降，在短時間內降至 0.6MPa，之后維持一段時間。此后,水壓力維持在0.6MPa與0.5MPa之間來回變動，之后在0.5MPa維持一段時間。水壓裂縫的每一次的拓展都會同時伴隨水壓力的對應上升和下降。隨著水的繼續注入，達到儲液空間的壓力重新平衡后，水壓不會再繼續下降，開始又一次升高，水壓裂縫進一步開始增加。水壓力到達最大之后出現下降直到一穩定值，該壓力就是裂縫張開的壓力，一直到注水結束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

第三次實驗箱體內試塊水力壓裂過程中的水力壓裂孔水壓與隨時間的變化關系如圖4所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開始時水壓力迅速升高，在第66s時，水壓力達到最大值1.7MPa，水力壓裂孔位置開始發生孔口破裂，并且由于孔口破裂破裂導致儲液空間開始突然變大，水壓力出現急劇的下降，在短時間內降至 1.4MPa。此后，維持在1.3MPa 與1.2MPa之間來回變動，后來在1.2MPa與1.1MPa之間來回變動。水壓裂縫的每一次的拓展都會同時伴隨水壓力的對應上升和下降。隨著水的繼續注入，達到儲液空間的壓力重新平衡后，水壓不會再繼續下降，開始又一次升高，水壓裂縫進一步開始增加。水壓力到達最大之后出現下降直到一穩定值，該壓力就是裂縫張開的壓力，一直到注水結束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

第四次實驗箱體內試塊在經過放水后，又重新進行壓裂，水力壓裂過程中的水力壓裂孔水壓與隨時間的變化關系如圖5所示。

隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，開始時水壓力迅速升高，在第44s時，水壓力達到最大值1.2MPa，之后水壓維持在1.2MPa，在第270s水壓力出現下降，降至 1.1MPa，此后在1.2MPa與1.1MPa之間來回變動，之后在1.2MPa開始維持一段時間。水壓裂縫的每一次的拓展都會同時伴隨水壓力的對應上升和下降。隨著水的繼續注入，達到儲液空間的壓力重新平衡后，水壓不會再繼續下降，開始又一次升高，水壓裂縫進一步開始增加。水壓力到達最大之后出現下降直到一穩定值，該壓力就是裂縫張開的壓力，一直到注水結束，水壓的最大值就是試塊的初次破裂壓力。

2.2 應力和應變的情況分析

第一次實驗可以得出：煤層的應變數據雖波動較大，但整體呈現上升趨勢，煤層形變逐漸變大，頂底板的應力數據有上升也有下降，可以看出在水力壓裂過程中，煤層頂底板出現應力的轉移和應力的重新分布。

第二次實驗可以得出：煤層的應變數據波動較大，整體維持在一個范圍波動，煤層形變由于第一次壓裂已達到一定程度，并且由于前次的濕潤，煤層彈性形變能力增大。頂底板的應力數據有上升也有下降，可以看出在水力壓裂過程中，煤層頂底板出現應力的轉移和應力的重新分布。

第三次實驗可以得出：煤層的應變數據雖波動較大，但整體呈現上升趨勢，煤層形變逐漸變大，頂底板的應力數據有上升也有下降，但整體呈現上升趨勢，局部測點波動中又出現正態分布的峰值，可以看出在水力壓裂過程中，煤層頂底板出現應力的集中、應力的轉移和應力的重新分布。

第四次實驗可以得出：煤層的應變數據波動較大，整體維持在一個范圍波動，但水力壓裂孔下方的測點在開泵與停泵時隨水壓劇烈變化也出現劇烈變化。頂底板的應力數據有上升也有下降，可以看出在水力壓裂過程中，煤層頂底板出現應力的轉移和應力的重新分布。

2.3 裂隙發育情況及水的運移軌跡分析

水力壓裂實驗結束后，將煤層頂板去除，并且將煤層斷面剖開后，對裂隙發育情況及水的運移軌跡進行分析。

水力壓裂實驗結束后，在水力壓裂孔周圍可以看到明顯的裂隙分布，因為水中加有滑石粉所以水滲透到的地區會留下明顯的白色痕跡。在煤層不同深度的切面，被滑石粉染色的程度差別很大，越靠近水力壓裂孔出水孔的位置被染色的程度越深。因此可以推測出水的運移軌跡是以水力壓裂孔出水孔的位置為中心，往外不斷拓展。裂隙以水力壓裂孔為中心向外延伸，因此可以推測水力壓裂實驗后煤層裂隙發育情況良好。

3 結論

通過煤層的水力壓裂卸壓增透相似模擬實驗，對相關參數的研究和分析得出以下結論：

（1）水力壓裂實驗結束后，水滲透到的地區會留下明顯的白色痕跡。在煤層不同深度的切面，被滑石粉染色的程度差別很大，越靠近水力壓裂孔出水孔的位置被染色的程度越深。因此可以推測出水的運移軌跡是以水力壓裂孔出水孔的位置為中心，往外不斷拓展。在水力壓裂孔周圍可以看到明顯的裂隙分布，裂隙以水力壓裂孔為中心向外延伸，同時結合電阻率測試系統的數據分析可以推測出水力壓裂實驗后煤層內部裂隙發育情況良好。

（2）隨著鉆孔里面的水被迅速注滿，水壓力迅速升高，水壓力達到最大值后短暫處于高峰值，隨后水力壓裂孔位置開始發生孔口破裂，水壓力出現下降，之后水壓力開始維持一段時間穩定并開始呈現周期性的上升與下降，水壓裂縫的每一次的拓展都會同時伴隨水壓力的對應上升和下降。第一個水壓力的最大值即為試塊的初次破裂壓力，周期性的上升與下降的水壓力值即為裂縫的張開壓力。

（3）結合電阻應變磚和微型土壓力盒測得的數據，總結出煤體應變在初次壓裂時呈現整體增加的趨勢，之后煤體被濕潤后煤體的彈性形變能力增大。同時總結出在水力壓裂過程中，煤層頂底板出現應力的集中、應力的轉移和應力的重新分布。

參考文獻：

[1]陳東科,王璐,金龍哲等.煤礦防治瓦斯技術的發展特征[J].煤礦安全,2005,36(09):61-62.

[2]趙磐.鳳凰山礦15號煤層“U”型綜采工作面瓦斯治理研究與應用[D].太原:太原理工大學,2013:6-8.

[3]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州,中國礦業大學出版社,1992:148-149.

[4]連志龍,張勁,吳恒安等.水力壓裂擴展的流固耦合數值模擬研究[J].巖土力學,2008,29(11):3021-3026.

[5]閆金鵬,劉澤功,姜秀雷等.高瓦斯低透氣性煤層水力壓裂數值模擬研究[J].中國安全科學生產技術,2013,9(08):27-32.

[6]付江偉.井下水力壓裂煤層應力場與瓦斯流場模擬研究[D].北京：中國礦業大學,2013,5-8.

作者簡介：寧保平（1989-），男，安徽理工大學在讀碩士研究生，研究方向為礦井瓦斯災害防治。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.219