順層長鉆孔多縫槽控制壓裂裂縫擴展規律研究

薛偉超，李艷增，齊黎明，仇海生，季淮君

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州221116；4.華北科技學院 安全工程學院，北京101601；5.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083）

定向控制水力壓裂技術廣泛應用于煤礦井下煤層增透[1-2]、消突[3]、防治沖擊地壓[4]、堅硬頂板控制[5-7]和提高頂煤冒放性[8]等方面，其關鍵在于對水力裂縫的形態和數目的控制和裂縫擴展方向的導向作用。通過割縫鉆頭或者水射流割縫形成預置導向槽控制水力裂縫走向、形態及改變裂縫數目等是主要的定向控制措施[9-13]，國內學者進行了大量的研究。趙文豪[14]研究了預置縫槽水壓爆破壓裂的機理，認為射流割縫能形成一定范圍內的卸壓區和結構弱面，在水壓爆破產生的高速水流和二次壓縮波的激勵下誘導裂縫擴展，增加煤層透氣性；郭先敏等[15]通過真三軸物理模擬和有限差分軟件FLAC3D確認了定向割縫能夠降低水力壓裂的破裂壓力，形成理想的裂縫形態；秦松[16]對頂定向水力壓裂控制堅硬頂板的最佳割縫位置進行模擬，得出預割縫在基本中間及靠近直接頂位置時堅硬頂板控制效果最佳；王耀鋒等[17]研究了導向槽定向壓穿增透抽采煤層瓦斯的機理，應用現場后煤層瓦斯抽采半徑擴大了1 倍，瓦斯抽采量提高了3.87 倍。然而，目前研究多集中在單縫槽控制，單個鉆孔控制壓裂范圍較小，對于單一鉆孔內多預置縫槽同時定向壓裂的研究很少。因此，在前期研究預置縫槽長度和縫槽偏角對水力裂縫擴展影響規律[18]的基礎上，基于唐口煤業工程條件，采用RFPA軟件進行模擬，進一步研究順層長鉆孔多縫槽控制壓裂條件下縫槽間距對水力裂縫擴展的影響規律。

1 工程地質概況

唐口煤礦位于濟寧礦區，為高瓦斯礦井，主采3#煤層，地面標高+36.3～+36.6 m，井下標高-942.2～-898.6 m，煤層平均厚10 m，平均傾角2°，普氏硬度系數為1.52。3#煤層結構簡單，煤層及頂板均為弱沖擊地壓傾向性，3#煤層頂底板情況見表1。

表1 3#煤層頂底板情況Table 1 Roof and floor of 3# coal seam

唐口煤礦3#煤層6304 工作面設計采用長鉆孔多縫槽控制壓裂工藝。為使水力裂縫擴展致整個工作面，合理的割縫預置縫槽密度是實現良好煤層壓裂效果的前提條件和關鍵參數。

2 模擬方案

為了研究合理的預置縫槽密度，采用RFPA2D數值模擬軟件進行模擬。RFPA 軟件基于損傷力學和等效連續介質力學，考慮煤巖體變形破壞的非均質特征，能描述多孔介質流固耦合的應力場、滲流場并顯示煤巖體水力壓裂過程中巖石破壞裂紋的萌生、擴展過程[19-20]。

2.1 物理模型

在6304 工作面運輸巷正幫煤體實施順層鉆孔水射流割縫預置縫槽控制壓裂。從6304 工作面運輸巷垂直巷道向工作面實施順層長鉆孔進行長鉆孔多縫槽控制壓裂工藝措施，鉆孔長L=120 m，孔徑94 mm，鉆孔傾角+8°。鉆孔施工完畢后采用水射流預置縫槽，然后采用兩堵一注、帶壓注漿的封孔方式封孔，待封孔段凝固穩定后實施水力壓裂。順層長鉆孔多縫槽控制壓裂物理模型示意圖如圖1。

圖1 順層長鉆孔多縫槽控制壓裂物理模型示意圖Fig.1 Schematic of the physical model of the controlled fracturing with multi-preset slots along the coal seam

定義預置縫槽的密度ρ 為單位鉆孔長度上預置縫槽的數目，單位m-1，它是縫槽間距d 的倒數。模擬不同縫槽密度對水力裂縫擴展的影響。預置縫槽編號規則如下：以鉆孔中間縫槽M 為基準，鉆孔中間縫槽以里的預置縫槽編號為T 系列，鉆孔中間縫槽以外的縫槽編號為B 系列，不同預置縫槽密度模擬方案見表2。

2.2 數值模型

根據物理模型提煉相應的數值模型，結合工程實踐，選取200 m×200 m 的煤層區域，建立200×200個單元格的平面應變模型，鉆孔長度為120 m，封孔長度為30 m。順層長鉆孔預置縫槽水力壓裂模擬方案如圖2，σH為最大水平主應力，σh為最小水平主應力，單側預置縫槽長度Ls為5 單元格。

表2 不同預置縫槽密度模擬方案Table 2 Simulation scheme of different preset slot densities

圖2 順層長鉆孔預置縫槽水力壓裂模擬方案Fig.2 Simulation schemes of hydraulic fracturing with pre-set slots in the coal seam borehole

假設：①高壓水在鉆孔內沒有壓力衰減；②忽略水流在鉆孔和煤層裂縫中傳遞的時間，認為高壓水在瞬間充滿整個鉆孔。試驗過程中采用分步增加鉆孔水壓力的方法來模擬水力壓裂過程，初始鉆孔壓力5.0 MPa，鉆孔水壓增量0.5 MPa/step，順層長鉆孔多縫槽控制壓裂數值模擬參數見表3。

3 模擬結果

3.1 多縫槽控制壓裂的裂縫擴展形態

模擬過程中水壓裂縫的擴展基本過程如下：水壓裂縫首先在部分預置縫槽尖端處萌生、起裂、擴展。單一順層長鉆孔不同縫槽密度條件下，順層長鉆孔多縫槽水力壓裂裂縫擴展形態如圖3。

表3 順層長鉆孔多縫槽控制壓裂數值模擬參數Table 3 Numerical simulation parameters of the controlled fracturing with multi-preset slots along the coal seam

圖3 順層長鉆孔多縫槽水力壓裂裂縫擴展形態Fig.3 Fracture propagation morphology of the hydraulic fracturing with pre-set slots in the coal seam borehole

從圖3 可以看出，隨著鉆孔水壓力的增大，萌生的尖端裂縫在地應力和預置縫槽誘導應力及水壓力的共同作用下，大致沿預置縫槽的方向（即垂直于最小水平主應力方向）擴展。

當縫槽間距d=40 m 時，主要有M 和T 縫槽延伸開來的水壓主裂縫；當縫槽間距d=30 m 時，主要有M 和T1 縫槽延伸開來的水壓主裂縫；當縫槽間距d=20 m 時，主要有M 和T1 縫槽延伸開來的水壓主裂縫；當縫槽間距d=30 m 時，主要有M、T1 和T2縫槽延伸開來的水壓主裂縫；水壓主裂縫絕大部分集中在鉆孔中部及中上部。這是在鉆孔內及縫槽內水壓完全相等沒有衰減的條件下的模擬結果。在實際煤層鉆孔中，在壓裂初期，高壓水在鉆孔中流動，由于煤壁的沿程阻力和煤壁孔隙的漏失作用，必然導致鉆孔水壓力向孔內傳遞存在一定的衰減，此時必然是孔口附近的控制縫槽先充滿水并且優先開裂；當高壓水充滿鉆孔并穩定一段時間后，忽略順層鉆孔的高差影響和孔隙的微弱漏失，則鉆孔內水壓基本處處相等，則有模擬中出現的鉆孔中部縫槽誘導裂縫擴展延伸。實踐可使用封孔器分段壓裂使水壓裂縫在整個煤體充分發育。

每個模擬方案中均不止1 個縫槽產生水壓裂縫；但多縫槽同時壓裂時，并不是每個縫槽都能誘導產生水壓主裂縫，存在優勢縫槽優先誘導產生水壓主裂縫并隨鉆孔水壓力增大而繼續擴展。產生主裂縫的優勢縫槽主要集中在鉆孔中段，如M 縫槽和T1縫槽。定義：①水壓主裂縫自鉆孔到裂縫擴展最遠處在最小主應力σh上的投影長度為水壓主裂縫的長度，表征水壓裂縫在煤層平面內垂直于鉆孔方向的擴展范圍；②主裂縫終點與該縫槽開孔處的連線與最小主應力所夾的銳角為裂縫張開角，表征裂縫擴展的均勻程度。不同縫槽密度條件下壓裂的裂縫擴展參數見表4。

表4 不同縫槽密度條件下壓裂的裂縫擴展參數Table 4 Fracture propagation parameters of the hydraulic fracturing with different slot densities

從表4 可以看出，當預置縫槽間距d=40 m 時，各預置縫槽之間壓裂及裂縫擴展之間的影響小，預置縫槽誘導的水壓主裂縫起裂占比為2/3。隨著預置縫槽密度的增大，縫槽間距減小，各個預置縫槽誘導的水壓主裂縫之間產生相互影響，產生的水壓裂縫增多，裂縫起裂占比約從2/5 到2/3 不等，對應的裂縫張開角從3°到25°逐漸增大，裂縫擴展更加均勻。

單側最大主裂縫長度隨預置縫槽間距變化關系如圖4。即隨著預置縫槽密度的增大，各個預置縫槽之間的水壓主裂縫擴展之間的影響逐漸增大，水壓主裂縫擴展張開所需抵消的周圍裂縫限制力越大，單側水壓主裂縫的長度L 整體趨于減小的趨勢，具體符合L=-5.02d+38.8（R2=0.751）（10≤d≤40）的函數關系，R2為相關系數。

圖4 單側最大主裂縫長度隨預置縫槽間距變化關系Fig.4 Relationship between the maximum unilateral length of the main crack and the spacing between the preset slots

D1 和D2 方案的主裂縫長度和裂縫張開角相近，平均32.6 m，這與現場實踐中單孔壓裂裂縫擴展長度30 m 相接近。D3 和D4 方案主裂縫長度和裂縫張開角相近，但是較前1 組單側主裂縫長度有所減小而主裂縫張開角有所增大，且這2 組之間的差異相對較大。為了平衡裂縫最大長度與裂縫均勻度，取2 組試驗的中間值ρ=0.04（d=25 m）作為指導實踐的合理縫槽密度（間距）。

3.2 多縫槽控制壓裂的起裂壓力與擴展壓力

不同縫槽間距煤層壓裂的裂縫起裂與擴展壓力見表5。

表5 不同縫槽間距煤層壓裂的裂縫起裂與擴展壓力Table 5 Crack initiation and propagation pressure of coal seam hydraulic fracturing with different slot spacings

多縫槽控制水力壓裂的縫槽尖端裂縫起裂壓力均為2.0 MPa，起裂步時為1-2 step，模擬初期即起裂。這是由于多縫槽對煤巖體結構和物理力學性質的改造，縫槽尖端在造縫時已經發生應力解除，含有孔隙和天然裂隙的雙重孔隙結構的煤巖體在高壓水的壓力作用下極易發生楔形張拉破壞，在原生裂縫和卸壓裂縫基礎上進一步延伸形成萌生裂縫，隨著鉆孔水壓力的不斷增大而擴展，裂縫起裂聲發射參量柱狀圖如圖5。

圖5 裂縫起裂聲發射參量柱狀圖Fig.5 Acoustic emission parameters of crack initiation

多縫槽控制水力壓裂的裂縫穩定擴展壓力為18.0 MPa，相應的模擬步時為33-1 step，縫槽密度的大小對于多縫槽控制水力壓裂的裂縫穩定擴展壓力基本沒有影響。

3.3 多縫槽控制壓裂的卸壓效果

在鉆孔預置縫槽時，會使鉆孔周圍煤體隨鉆孔排出形成一定的自由面，煤體在原巖應力的作用下膨脹變形，導致煤層頂底板向煤層方向發生微運移，造成一定范圍內的應力降低。水力壓裂產生大量水壓裂縫同時軀替出煤層中的瓦斯，在壓裂結束后在逆水壓梯度作用下煤層中的水排出，形成卸壓區。鉆孔卸壓，煤體塑性變形，水壓裂縫驅趕瓦斯、破壞煤巖結構、弱化力學性能，煤體潤濕等綜合作用，實現沖擊能量的釋放，有利于防治沖擊地壓。多縫槽控制壓裂卸壓區為模擬應力圖中的應力降低陰影區，多縫槽控制壓裂卸壓效果如圖6。S1、S2、S3、S4為4 個方案中水力壓裂形成的卸壓區面積，m2。

圖6 多縫槽控制壓裂卸壓效果Fig.6 Pressure relief effect of the multi-slot controlled hydraulic fracturing

從圖6 可以看出，卸壓區面積最大為3 293 m2，最小為2 052 m2，平均2 537 m2，多縫槽控制壓裂具有顯著的卸壓作用。多縫槽控制壓裂有縫槽卸壓和水壓裂縫卸壓的雙重卸壓作用。從趨勢來說，隨著預置縫槽間距減小、密度越大，水壓主裂縫在最小主應力方向的長度越小，水壓裂縫的卸壓作用范圍也相應減小；當預置縫槽間距減小至20 m 時，主要表現為預置縫槽的卸壓作用。從防治沖擊地壓角度講，減小縫槽間距會增加施工工程量和施工時間，同時減小了煤層平面內垂直于鉆孔方向上的卸壓范圍，不具有技術經濟性。

3.4 多縫槽控制的增透效果

水力壓裂能在煤體中產生大量裂縫，驅趕瓦斯，提高煤層的滲透率。在孔隙、裂隙內流體滲透特征不變的條件下，滲透率與滲透系數正相關，滲透系數的增大必然是由于滲透率的增大引起的。水壓裂縫在M 縫槽左側擴展良好，取模型中M 預置縫槽左端20 m 位置為研究對象，分析其滲透系數變化，壓裂前后M 縫槽左側20 個單元格滲透系數變化如圖7。

圖7 壓裂前后M 縫槽左側20 個單元格滲透系數變化Fig.7 Permeability coefficient changes of the 20 cells on the left side of M slot before and after the hydraulic fracturing

由圖7 可以看出，經過水力壓裂后的水壓主裂縫區域煤體滲透性顯著提高，滲透系數由原來的0.1 m/d 增加到10～20 m/d，最大增加了100～200 倍，增透效果顯著。

4 結 論

1）多縫槽同時壓裂時能產生多個水壓主裂縫，但并不是每個縫槽都能誘導產生水壓主裂縫，水壓主裂縫全部沿垂直于最小水平主應力的方向擴展；存在優勢縫槽優先誘導產生水壓主裂縫并隨鉆孔水壓力增大而繼續擴展。

2）隨著預置縫槽密度的增大，預置縫槽間距減小，各個預置縫槽之間的水壓主裂縫擴展之間的影響逐漸增大，水壓主裂縫擴展張開所需抵消的周圍裂縫限制力越大，單側水壓主裂縫的長度減小而裂縫張開角增大。單側最大水壓主裂縫的長度變化大致符合L=-5.02d+38.8，10≤d≤40（R2=0.751）的線性關系。

3）平均單側最大水壓主裂縫長度為26.3 m，平均裂縫張開角為11.8°。合理的縫槽密度為0.04 m-1，對應的縫槽間距為25 m。

4）多縫槽控制水力壓裂裂縫萌生時在縫槽尖端發生大量的張拉破壞；裂縫穩定擴展壓力為18.0 MPa，縫槽密度對于多縫槽控制壓裂的裂縫穩定擴展壓力基本沒有影響。

5）多縫槽控制水力壓裂對唐口煤礦3 煤層具有顯著的卸壓、增透作用，單孔平均卸壓面積2 537 m2，水壓主裂縫區域透氣性最大可以提高100～200 倍。