基于數值模擬的煤層水力壓裂增透分析

梁新潮

(山西離柳焦煤集團有限公司， 山西 呂梁市 033000)

0 引 言

我國是煤炭消耗大國，自解放以來，我國生產煤炭資源 400多億 t。隨著煤炭資源的大量回采，淺埋深煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業不得不向深部開采，深部開采面臨“三高一低”的困擾，特別是煤層的低透氣性，給瓦斯抽采帶來極大困難。因此，高瓦斯低透氣性工作面增透技術是目前亟待解決的問題，而卸壓增透是解決該問題的最佳方式[1-4]。

對于卸壓增透技術，國內外眾多學者進行了大量的研究。胡其志[5]等采用水力壓裂技術對高瓦斯低滲透性煤層段掌子面煤層進行分析，研究了煤層裂隙的起裂原因和裂隙發育過程，研究結果表明，水力作用下，煤體主要受壓剪破壞，剪應力隨著水壓的增加而增加，數值模擬與實際情況相差較小；龐成[6]采用水力壓裂技術在白皎煤礦進行試驗分析，分析了水力壓裂的力學機制并在巷道中進行了工業試驗。壓裂后，有效半徑得到有效提高，瓦斯抽采純量提高了約7倍，鉆孔施工量和抽采時間大幅降低；鄭迅[7]采用深孔爆破技術對高瓦斯 22240工作面進行了試驗研究。闡述了深孔爆破治理瓦斯的機理，實踐表明深孔爆破治理瓦斯是可行的；黃磊[8]等采用松動爆破技術對隧道高壓力區進行研究，并采用數值模擬技術對爆破效果進行模擬分析，研究結果表明，圍巖損傷區破碎程度加大且范圍進一步擴大；張建軍[9]等采用CO2爆破技術對低滲透煤層進行爆破松動，闡述了其爆破機理以及裝置作業過程，爆破結果表明，沖擊波能量隨著傳播距離的增加而降低，沖擊波衰減為應力波，煤體受到壓縮變形，形成徑向裂隙，液態CO2爆破最終形成以爆破孔為中心的粉碎區、破裂區和震動區3個區域；李軍軍[10]等采用 N2震動技術對煤層氣井儲層進行改造，并研制了氮氣震動壓裂解堵工藝井下工具串并進行了應用。研究結果表明，井下工具串可實現震動、釋放、壓力監測3項內容，壓裂效果較好。

以上學者對低透氣性煤層壓裂多采用松動爆破、水力壓裂、二氧化碳壓裂、氮氣壓裂4種技術進行增透，本文采用數值模擬軟件基于壓裂破壞準則對水力壓裂裂隙發育特征進行研究。

1 水力壓裂模型

1.1 本構關系

采用RFPA對水力壓裂裂隙特征進行模擬。首先對模型進行單元劃分，當每個單元達到破壞強度時，水力壓裂過程中，破壞形式主要分為壓縮和拉伸破壞。損傷彈性模量為：

式中，E為損傷單元的彈模，GPa；D為損傷變形量；Ew為單元無損傷情況下的彈模，GPa。

水力壓裂單元損傷準則遵循摩爾庫倫準則。

式中，F為徑向方向的剪應力，MPa；σ1為徑向方向上的最大主應力，MPa；σ3為徑向方向上最小主應力，MPa；φ為內摩擦角，（°）。

1.2 模型建立

試驗以山西某煤礦作為實驗模型礦井，建立20 m×10 m的實際模擬模型，對實際模型進行單元格劃分，劃分為400×200的單元格模型。以圓形代表壓裂鉆孔，其半徑選擇為0.06 m。在模型周圍施加15 MPa的初始應力，并在垂直方向上施加煤巖體產生的重力作用，大小為20.3 MPa。水力壓裂的初始壓力設置為9.0 MPa，之后每開挖一步增加壓力為0.2 MPa，共開挖50步。模型內聚力為0.19 MPa，滲透系數為7.83×10-4m·d-1，煤層瓦斯壓力為0.18 MPa，抗壓強度為11.4 MPa，泊松比為0.24。

2 模擬結果及分析

2.1 裂隙發育特征

不同水壓下數值模擬裂隙分布特征結果如圖 1所示。

圖1 數值模擬裂隙分布特征

由圖1可知，隨著水壓力的增大，裂隙不斷增多，同時，在鉆孔邊緣的水壓一直處于高水壓狀態。隨著注水壓力的不斷增大，壓力逐漸向遠處分布，裂隙不斷生成，生成的裂隙在水壓力的作用下不斷擴展，在此狀態下，裂隙不斷產生和擴展，水壓的分布也隨著鉆孔逐漸向外不斷擴大，當水壓增大到15 MPa時，壓裂鉆孔產生了破壞。鉆孔內部煤體由于失穩而成弱面，由于煤層的失穩作用，水壓不在向外部擴張，在水壓力作用下，產生了一系列的弱面結構，最后由弱面結構和裂隙形成了縱橫交錯的裂隙網絡，為抽采瓦斯的運移提供了通道[5-11]。

2.2 應力分布特征

不同水壓下數值模擬壓力分布特征結果如圖 2所示。

圖2 數值模擬壓力分布特征

由圖2可知，隨著壓力的不斷增大，鉆孔周圍壓力也不斷向外擴張，當注水壓力達到15 MPa時，徑向方向上最大主應力繼續向外擴張，徑向方向上最大剪應力繼續增大，同時，伴隨壓力的增大是裂隙裂紋不斷擴張。說明，增大水壓能夠增大裂隙產生范圍，且裂隙數量較多。

3 現場應用分析

3.1 鉆孔布置

將水力壓裂結果應用到該煤礦上，觀測孔間距為9 m，壓裂孔間距為9 m，檢測孔與壓裂孔交錯布置，壓裂孔與檢測孔長度為50 m，檢測孔封孔長度為10 m，壓裂孔封孔長度為25 m，為了實驗過程中安全，將水力壓裂水壓設置為15 MPa。

3.2 壓裂效果

（1）瓦斯抽采。通過對比非壓裂區域和壓裂區域瓦斯抽采濃度，在非壓裂區域抽采濃度由高濃度變為低濃度，瓦斯由最高的24.3%降低到11.2%，而在壓裂區域隨著瓦斯的不斷抽采，瓦斯抽采濃度多集中在24.2%左右，能夠持續較長時間，經分析，非壓裂區域由于裂縫較小，當抽采后，裂縫中游離狀態的瓦斯被抽采出去，而吸附狀態下的瓦斯無法被抽出，因此，隨著抽采時間的不斷延長，瓦斯抽采濃度會不斷降低，而壓裂區域，由于壓裂作用產生新的裂隙，并且吸附狀態下的瓦斯變為游離狀態的瓦斯，在抽采的不斷作用下，瓦斯源源不斷地向抽采孔流動，瓦斯抽采濃度保持高位狀態。

（2）煤層透氣性。壓裂結束后對壓裂后的煤層透氣性進行測試分析，發現煤層透氣性由壓裂前的0.079 m2/(MPa2·d)升高到壓裂后的 1.32 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數提高了 16.7倍，保證了瓦斯抽采效果。

4 結 論

基于水力壓裂本構模型，采用RFPA數值模擬軟件對水力壓裂后的裂隙分布特征和壓力分布特征進行模擬研究，并根據模擬結果進行了應用分析，得出以下結論：

（1）隨著水壓力的增大，裂隙不斷增多，同時，在鉆孔邊緣的水壓一直處于高水壓狀態。隨著注水壓力的不斷增大，壓力逐漸向遠處分布，裂隙不斷生成，生成的裂隙在水壓力的作用下不斷地擴展。

（2）隨著壓力的不斷增大，鉆孔周圍壓力也不斷向外擴張，當注水壓力達到15 MPa時，徑向方向上最大主應力繼續向外擴張，徑向方向上最大剪應力繼續增大。增大水壓能夠增大裂隙產生范圍，且裂隙數量較多。

（3）在非壓裂區域抽采瓦斯濃度由高濃度變為低濃度，由最高的24.3%降低到11.2%；而在壓裂區域隨著瓦斯的不斷抽采，瓦斯抽采濃度多集中在24.2%左右，煤層透氣性由壓裂前的0.079 m2/(MPa2·d)升高到壓裂后的1.32 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數提高了16.7倍。