基于RFPA的水力壓裂增透影響半徑數值模擬研究

李新明 ，梁忠秋

(1.山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

隨著我國煤炭開采強度的增加，越來越多的礦井將步入深部開采，但是深部區域的煤層地應力和瓦斯壓力卻很高[1]，透氣性差，導致煤層瓦斯抽采效果差、本煤層鉆孔打鉆量大，對礦井的采掘銜接產生嚴重影響[2]。所以針對礦井瓦斯含量高、透氣性系數差的煤層，如何高效抽采瓦斯成為各大煤炭企業的技術難題，而解決此難題的最佳方法是煤層的卸壓增透[3-4]。

現在我國大多數礦井采用的卸壓增透方法是水力化措施[5]、開采保護層[6]、深孔預裂爆破[7]及液態CO2相變致裂爆破[8]。相關學者對此進行了大量研究。何福勝等[9]通過在斜溝煤礦開展的水力壓裂試驗表明，水力壓裂區域煤層的透氣性系數、瓦斯抽采濃度和抽采純量顯著提高；許江等[10]通過多場藕合煤層氣開采物理模擬試驗系統，發現水力壓裂全過程包括4個階段，即應力積累階段、微破裂發育階段、裂縫失穩擴展階段、破裂后階段，壓裂過程中水壓力場的演化跟裂縫的發育、擴展有著密切的聯系，水力壓裂裂縫主要沿最大主應力方向擴展；石欣雨等[11]采用原煤試樣開展煤巖水力壓裂物理模擬實驗及煤巖裂縫檢測實驗，發現對于井下厚儲層，通過“分段-分壓”壓裂方式來構造橫縱交織的裂縫網，可以顯著提高瓦斯的抽采效率，同時避免在含較多縱向原生裂縫及較大斷層的井壁位置布置射流孔，防止引起煤儲層頂板、底板失穩破壞，造成安全事故；吳擁政等[12]在余吾煤業公司S1206煤柱留巷瓦排巷開展水力壓裂試驗，結果表明，采用定向水力壓裂能顯著減弱堅硬頂板產生的懸頂現象，割斷保護煤柱上方的堅硬頂板，將懸臂區自然冒落，減小煤柱和實體煤載荷，破壞應力轉移和分配比例，提高留巷受力狀態，留巷變形顯著變小。

本文借助理論研究與數值模擬，研究低透氣性煤層水力壓裂時裂隙裂紋發育擴展規律以及應力的變化規律[12]，并在山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦開展現場試驗，觀察現場壓裂效果[13]，為高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透、提高抽采效果提供科學依據[14]。

1 壓裂增透機理

水力壓裂原理為通過高壓水破碎煤體，煤層中的裂隙和多級弱面的邊界區域因為高壓水的影響開始支撐多級弱面壁[15]，從而膨脹破碎煤體，大量的裂隙得到張開發育擴展延伸，在高壓水持續注入下，裂縫裂隙源源不斷地延伸和擴展，分割煤體的內部，在分割過程中增大了煤層內部體積，同時相互聯通的裂隙再次形成一個繁雜的網絡，迫使煤層分解壓裂，顯著提升透氣性[16-17]，水力壓裂裂隙演變如圖1所示。

2 建立數值模型

依據斜溝煤礦現場實際數據，構建15 m×5 m的數值模擬模型，如圖2所示，將模型劃分為300×100的網格，同時填充實體材料。然后在模型的中間描繪r=0.056 5 m的圓，并填充空洞，用來作為數值模擬過程中的水力壓裂鉆孔，向模型的旁邊添加10 MPa的初始應力，在模型的垂直方向施加19.5 MPa的初始應力。模擬時將高壓水的初始壓力設置為8 MPa，然后每步升高0.15 MPa，從第一步開始合計運算開挖50步，模型參數見表1。

圖1 裂隙發生擴展次序

圖2 壓裂模型

模型參數參數數值備注均質度/m2在實驗室測得彈性模量均值E0/GPa8在實驗室測得抗壓強度均值σc/MPa12在實驗室測得摩擦角φ/(°)37查詢資料獲得泊松比μ0.25計算獲得壓拉比 C/T10計算獲得內聚力/MPa0.22查詢資料獲得殘余強度系數ξ0.1查閱文獻得到滲透系數k/md-18.64×10-4查詢資料獲得瓦斯壓力/ MPa0.2現場測定獲得

3 模擬結果分析

3.1 壓裂后裂隙裂紋擴展延伸情況

壓裂過程中裂隙裂紋擴展延伸情況如圖3所示。

圖3 壓裂過程裂隙裂紋擴展情況

從圖3可以看出，鉆孔最外邊的水壓始終保持最高，外緣產生環形的水壓增高帶，伴隨注水壓力升高，環形的水壓增高帶面積逐漸擴大，鉆孔內裂紋裂隙持續生成和延伸，當注水壓力為15.5 MPa時，在鉆孔附近發生局部破碎，鉆孔內部弱面發生失穩情況，裂紋裂隙源源不斷地向遠處延伸，這時壓力值就是從鉆孔穩定破壞到失穩破壞的分界點，無需增加壓力，裂紋就可以持續向遠處擴展，形成一系列新弱面，為后續水壓破裂煤體產生的裂隙裂紋運移提供新的弱面，最后產生良好的相互交織貫通的多裂隙裂紋網絡，為瓦斯運移奠定基礎。

3.2 最大剪應力變化情況

壓裂過程中最大剪應力變化情況如圖4所示。

圖4(a)為注水壓力8 MPa的最大剪應力變化情況，這時候在煤層鉆孔里面積存大量的高壓水，伴隨著壓力升高，鉆孔附近的應力開始重新分布，接著模擬計算以每步增加0.15 MPa，水壓開始有序增大；當注水壓力升高到11 MPa時，位于鉆孔較遠地點的剪應力處于增大狀態，而且距離鉆孔越近的剪應力越大，這時候鉆孔附近逐漸產生微裂隙，附近區域的煤體呈現塑性狀態；當水壓增加到14 MPa時，最大剪應力一直增大，裂紋裂隙越來越多，當注水壓力超過煤體粘結力與抗壓強度之和時，導致煤體開始破壞，裂隙裂縫繼續擴展，一直向遠離鉆孔的方向延伸；當注水壓力升高至15.5 MPa時，計算停止，此時水力壓裂使煤層產生大量的裂隙，在鉆孔周圍發生局部破碎現象，向深孔運移延伸擴展的裂隙明顯增多，煤層破裂區域面積大，達到卸壓增透的目的。

圖5為有效影響半徑與注水壓力的關系曲線。從圖5可知：當水壓很小時，有效影響半徑升高的幅度也很小。當注水壓力不斷升高，鉆孔內的高壓水持續向深部運移，滲透到楔形弱面裂隙中，原因是煤層中存在粘結力與地應力，二者的相互作用導致注到煤層中的高壓水流動速度明顯減慢，未能持續滲流，盡管水力壓裂的影響面積一直在增大，但裂縫裂隙演變速度減緩，最終有效影響半徑保持在7 m。

圖5 有效影響半徑與注水壓力的變化規律

4 現場試驗

4.1 鉆孔布置

在斜溝煤礦18205材料巷430 m處開展水力壓裂現場試驗，壓裂鉆孔布置如圖6所示，鉆孔深度為40 m，壓裂孔封孔長度20 m，檢驗孔封孔長度8 m。設置最高注水壓力為16 MPa，以確保施工安全與封孔的質量。通過觀察水從檢驗孔流出的情況作為水力壓裂效果考核指標。

圖6 鉆孔布置

4.2 水力壓裂效果考察

4.2.1 注水壓力的變化

壓裂開始時，先壓裂4號壓裂孔，將注水的初始壓力設置為2 MPa，試驗過程中觀察得到當壓力為12 MPa時，3號檢驗孔內開始滲水，且滲水量越來越多，在孔壁周圍形成大裂隙，鉆孔的孔壁發生碎小煤塊落下，形成鉆孔失穩破裂現象，與模擬結果基本吻合。4號孔水壓變化如圖7所示。水力壓裂現場共注水14 min，壓力保持16 MPa左右，注水量達到4.2 m3。

圖7 4號壓裂孔壓力變化情況

完成4號孔壓裂試驗后，開始對2號孔實施同樣壓裂步驟，2號壓裂孔水壓變化情況如圖8所示，由圖8得到，當水壓升高到13 MPa時，壓力表指針不再變化，保持穩定，此時發現1號、3號檢驗孔內并無水涌出。試驗結果證明18205材料巷水力壓裂有效影響半徑超過7 m。

圖8 2號壓裂孔壓力變化情況

4.2.2 抽采效果分析

水力壓裂后現場觀測鉆孔瓦斯抽采濃度和流量，收集數據，繪制壓裂前后的變化曲線，如圖9和圖10所示。

圖9 壓裂前后抽采濃度變化情況

圖10 壓裂前后抽采流量變化情況

從圖9得到，隨著抽采時間的延長，瓦斯開始自然衰減，未實施水力壓裂煤層區域的瓦斯濃度由高到低開始衰減，從10.7%的高濃度降低至濃度2.1%，平均瓦斯抽采濃度為5.26%。實施壓裂措施后，顯著增大抽采濃度，從抽采濃度12.8%升高至34.7%，平均抽采濃度為23.28%，整體走向趨勢為高—低—高，這是因為剛開始抽采時鉆孔內部積聚大量的瓦斯在高速高壓水的影響下突然向檢驗孔附近運移擴散，形成大量的高濃度瓦斯，接著高濃度的瓦斯跟著高壓水流出鉆孔，無數的瓦斯運移通道再次得到貫通，煤層中的游離瓦斯由于負壓的影響運移到抽采鉆孔中，再次產生大量的高濃度瓦斯，所以瓦斯抽采濃度又達到峰值，第4～8 d瓦斯濃度高達31.08%。

由圖10可看出，水力壓裂完成后抽采純量明顯提高，變化范圍在0.012 9～0.087 9 m3/min，平均0.044 3 m3/min；然而未壓裂時鉆孔的抽采純量卻很低，只有0.001 34～0.012 2 m3/min，抽采平均濃度僅為0.004 59 m3/min。通過分析對比試驗數據發現：壓裂影響區域濃度增大了3.43倍，瓦斯抽采純量提高8.65倍。

4.2.3 透氣性系數變化

壓裂完成后測定煤層的透氣性系數為1.18 m2/(MPa2·d)，而壓裂前煤層透氣性系數僅為0.082 m2/(MPa2·d)，提升13.4倍，明顯增大了18205工作面煤層的透氣性，確保了抽采效果。

5 結 語

1) 在高壓水的影響下，煤層內部的新生裂隙經歷三個階段：裂隙壓縮、裂隙穩定延伸和裂隙不穩定擴展，不斷發育延伸的裂隙將鉆孔內積聚的能量涌出，從而增大透氣性系數。

2) 通過在18205材料巷開展壓裂增透試驗，結果證明：壓裂區域內鉆孔抽采濃度升高3.43倍，瓦斯抽采純量增大8.65倍，煤層的透氣性系數提高13.4倍，抽采效果得到明顯改善。