不穩定流量水力壓裂對深部低透氣性煤層增透效果的影響

何明川

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國煤炭開采深度的不斷增加，煤層賦存狀態呈現“三高一低”狀態，即瓦斯含量高、地應力高、瓦斯壓力高及滲透率低，瓦斯治理難度進一步加大[1-3]。通常采用人工增透措施增加深部煤層滲透率，典型方法有深孔爆破、水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等[4-5]。水力壓裂增透技術以其增透面積大、成本相對低廉的優勢，在我國各大煤礦得到了廣泛的應用。水力壓裂是通過增加煤層裂隙實現對低滲透性煤儲層改造，促進煤層瓦斯解吸及增加瓦斯流動通道，進而改善煤層瓦斯抽采效果。目前，一般采用輸出穩定壓力和流量的方式進行煤層水力壓裂作業，對于深部煤層，徑向應力一般大于水平應力，水力壓裂產生的裂縫易向著徑向擴展，不僅增透效果不理想，而且容易破壞頂板，產生二次災害等破壞[6-10]。相關理論及實驗研究表明[11-12]，在水力壓裂實施過程中，煤層增透效果并不是隨著流量的增加而穩步上升。為了強化水力壓裂增透效果，保持頂板的穩定性，在借鑒油氣水力壓裂開發工藝的基礎上，提出了一種新的波動流量水力壓裂增透工藝，即通過人為快速轉變壓裂泵組工作頻率的方式，實現壓裂泵“不穩定”流量的輸出。

近年來，在改進煤層水力壓裂工藝，增加壓裂效果方面，國內外均進行了大量的研究工作[13-15]。較為主流的是體積壓裂—縫網改造技術(SRV)，采用“穩定高壓力和大流量”的工藝，在煤層內形成一個立體縫網系統，以提高瓦斯導流能力。但由于這種工藝的壓力較高、流量較大，給壓裂設備和人員帶來諸多的挑戰，且由于煤層儲存的復雜性、非均質性，對“穩定大排量”注入的方式并不敏感，不易讓煤巖產生破裂及裂縫的延伸，反而會引起壓裂泵組壓力迅速升高。除此之外，還有分段水力壓裂、分段多簇射孔、定向水力壓裂技術等，但在深部煤層地應力高且地質環境復雜的條件下，采用一般的注水技術，其應用效果并不理想，加大注水壓力又容易引發壓裂事故。在井下煤層水力壓裂施工時，在保證安全作業的前提下，如何提高水力壓裂增透效果是目前急需解決的問題之一。

在水力壓裂施工中，利用波動流量注入的方式，通過流量的不穩定性注入引起孔隙水壓力的波動，使得壓裂后裂縫發生轉向，借此以提高煤儲層裂縫的延伸和擴展能力。這種改進的壓裂工藝能否在降低注水壓力的前提下，提升煤儲層改造效果，需要通過理論和實踐予以證實。因此，筆者基于水力壓裂原理，根據彈性力學、流體力學相關理論與方法，將改進的壓裂工藝應用于深部礦井，以期為提高煤層水力壓裂增透效果提供指導。

1 力學原理

1.1 壓裂孔內孔隙水壓力分布

在煤儲層水力壓裂過程中，壓裂孔內不穩定流量注入過程可被視為孔內壓力波的傳輸過程，符合不可壓縮流體流動特征。為了獲得壓裂泵注入流量的動態變化引起的壓裂孔內的波動壓力，忽略流體在高壓膠管內流動的時間及沿程的摩阻損失，根據流體力學理論，流體在壓裂孔中的流動方程為[16]：

(1)

式中：ρ0為注入流體密度，kg/m3；u(x,t)為流體的流速，m/s；p(x,t)為注入流體壓力，MPa；t為流體流動時間，s。

根據壓裂泵組系統的輸出特征，流體產生一定頻率的流量波動。為了方便分析，將泵注流量以正弦波的形式來描述，即：

Q0(t)=Qasin(ωt+φ)

(2)

(3)

式中：Q0(t)為泵注流量，m3/min；Qa為壓裂泵輸出水流量的振幅，m3/min；ω為壓裂泵組運轉的頻率，s-1；φ為壓裂柱塞泵曲軸的運轉相位，(°)；a為壓裂泵臺數，取a=1；k為每臺壓裂柱塞柱塞數量；n為每臺壓裂泵變速箱轉速，r/min。

壓裂孔內不穩定水的流量可作如下表述：

(4)

式中：dc為高壓膠管內徑，mm；Dt為高壓膠管外徑，mm。

將式(2)～(4)代入式(1)，積分得到注入流體壓力：

(5)

式(4)和式(5)分別為不穩定流量注入條件下的流量和壓力計算模型。

1.2 壓裂孔周邊應力分布

在水力壓裂過程中，泵組向壓裂孔注入不穩定的高壓流體，使得壓裂孔內的孔隙水壓力迅速攀升，同時產生一定的波動壓力。在p(x,t)的作用下，煤層產生了附加的周向應力，根據彈性力學原理，壓裂孔產生的附加應力σfθ計算公式如下[17]：

(6)

式中：dw為壓裂孔直徑，mm；drw為壓裂孔內任意點的直徑，mm；Dw為壓裂孔的外邊界直徑，mm；pe為壓裂孔煤層外邊界壓力，MPa。

在實際情況中，Dw=∞，pe=0，drw=dw，計算得到σfθ≈0，則在水力壓裂過程中壓裂孔周邊產生的附加應力為-p(x,t)。說明壓裂孔所產生的附加應力與波動壓力大小相等，方向相反。

與此同時，在煤儲層巖體破裂之前，流體會流入壓裂孔周圍的儲層之中，從而形成另外一個應力區。根據流體力學理論，流體滲入煤層中引起壓裂孔的應力σsθ為：

(7)

(8)

式中：ps為煤儲層的孔隙壓力，MPa；α為Biot常數；ν為煤層泊松比；Cr為煤體骨架壓縮系數；Cb為煤體體積壓縮系數。

綜上所述，在水力壓裂作業過程中，最終產生的應力σsθ為：

(9)

在采取水力壓裂增透作業施工時，煤層周邊的應力隨著水流量的變化而變化，避免了應力集中及水流量的單一方向流動。采用不穩定流量注入的方法，水力壓裂會誘發一些“微地震”，對壓裂效果的作用機制是以這些人為制造的“微地震”來增加煤儲層的“微裂縫”，進而提高儲層的滲透率，從而強化壓裂效果。

2 現場試驗

2.1 試驗工作面概況

在平煤股份十二礦己15-31040工作面進行水力壓裂試驗。該煤層平均厚度為3.3 m，煤層平均傾角為10°，該煤層為半光亮型焦煤[18]。下部為己16-17煤，煤層平均厚度為1.9 m，與己15煤層的層間距平均為1.7 m。該煤層垂直深度為828～877 m。平煤十二礦己15-31040工作面煤層瓦斯含量為5.410～12.860 m3/t，平均瓦斯含量為8.675 m3/t，瓦斯壓力為1.3 MPa，根據突出危險等級劃分標準，己15煤層屬具有突出危險性煤層；該工作面主要表現出煤層透氣性差、煤層松軟、瓦斯抽放技術預抽困難等特點。煤層透氣性系數為0.021 8 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.12 d-1，根據煤層瓦斯抽放難易程度分類標準，表明己15煤層屬于較難抽放煤層。在相鄰的己15-31030采煤工作面采用常規水力壓裂措施，但增透效果并不顯著。

2.2 水力壓裂工藝和操作過程

煤層水力壓裂技術措施主要包括鉆孔工藝和水力壓裂工藝。

本次水力壓裂試驗泵組為BYW450/70煤礦井下壓裂泵組，壓裂泵組的額定壓力為70 MPa，最大排水量為450 m3/h。水力壓裂系統由壓裂泵、專用水箱和封孔器組成，壓裂泵組地面組裝圖如圖1所示。泵組具有4個檔位，各檔位輸出壓力與流量參數如表1所示。

圖1 壓裂泵組組裝圖

表1 壓裂泵組輸出參數

本次水力壓裂試驗在己15-31040工作面進風巷低位瓦斯治理巷進行。根據該區域的地質資料及巷道布置情況，確定壓裂半徑為30 m，設計6個壓裂鉆孔，鉆孔間距為50 m，鉆孔終孔位置距煤層頂板0.5 m左右，不穿透煤層。水力壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置平面圖

水力壓裂鉆孔施工結束后，按照設計參數施工檢驗鉆孔，待檢驗鉆孔完成后采用多次注漿封孔工藝進行封孔，封孔完成后待水泥漿凝固48 h后方可進行高壓水力壓裂試驗。以1#壓裂孔為例，按如下步驟進行水力壓裂試驗：將管路與壓裂泵連接好后，采用動態流量注水方法，從水力壓裂開始到結束，壓裂孔注水時間約120 min左右，壓裂泵組的4個檔位交替切換，開始先用第IV檔位，每5 min升高到1個檔位，之后保壓10 min，后面又用5 min升高1個檔位，4個檔位交替進行。根據監控視頻顯示，當頂底板或者巷幫出現小范圍陰濕時，停止水力壓裂，關閉閥門。

2.3 水力壓裂煤巖效果考察

選取1#壓裂孔進行效果考察，最高注水壓力為30 MPa，壓裂泵排水流量波動范圍為0.15～0.45 m3/min，注水壓力范圍為20～30 MPa，注水后保壓壓力為 8 MPa，兩周后保壓壓力降為0 MPa，累計注水量達到115.8 m3，壓裂過程中巷道頂板無明顯漏水現象，巷道頂板的完整性較好。

在該區域實施水力壓裂結束后進行己15煤層及鄰近己16-17煤層水力壓裂效果考察，以1#壓裂孔為中心，沿煤層走向方向以孔間距為5 m設計了走1#鉆孔～走8#鉆孔共8個考察鉆孔。壓裂前測得該區域己15煤層原始瓦斯含量為5.410～12.860 m3/t，平均為8.675 m3/t。水力壓裂后沿煤層走向距1#壓裂孔28 m范圍內共施工9個鉆孔，測得瓦斯含量為1.580～6.990 m3/t，平均為3.054 m3/t，較煤層原始瓦斯含量平均降低了5.600 m3/t。己15煤層壓裂后的絕對瓦斯壓力為0.49 MPa，比原始絕對瓦斯壓力1.30 MPa平均降低了0.81 MPa。

2.4 壓裂后瓦斯抽采效果考察

水力壓裂之后，對單孔平均抽采瓦斯濃度(CH4體積分數)和瓦斯純流量進行考察，并與相鄰己15-31030工作面的穩定流量壓裂、未壓裂區域抽采數據作對比分析，煤層區域抽采瓦斯濃度及純流量對比曲線如圖3、圖4所示。

圖3 煤層區域單孔抽采瓦斯濃度對比曲線

圖4 煤層區域單孔抽采瓦斯純流量對比曲線

由圖3和圖4可知，不穩定流量水力壓裂后該區域抽采30 d內單孔抽采平均瓦斯濃度達到48.36%，之前穩定流量水力壓裂區域單孔抽采平均瓦斯濃度為32.43%，未壓裂區域單孔抽采平均瓦斯濃度為12.04%，相比之下不穩定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯濃度是穩定流量壓裂、未壓裂區域的1.49、4.01倍；不穩定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯純流量為0.062 6 m3/min，穩定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯純流量為0.024 3 m3/min，未進行水力壓裂區域單孔抽采平均瓦斯純流量為0.006 7 m3/min，相比之下不穩定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯純流量是穩定流量水力壓裂、未進行水力壓裂區域的2.58、7.72倍。抽采數據表明，水力壓裂技術增大了抽采瓦斯濃度和純流量，但是采用不穩定流量方法進行的水力壓裂效果更佳。

3 結語

1)通過分析深部低透氣性煤層的力學原理，得出水力壓裂過程中，不穩定水流量對注水壓力的影響規律，并推導出在不穩定流量注水條件下壓裂孔周邊的應力分布情況。

2)現場應用時通過交替切換壓裂泵檔位的方法實現不穩定水流量的注入，壓裂過程中頂板保持良好，同時經過測定壓裂孔及考察孔水力壓裂后的瓦斯含量、單孔抽采瓦斯濃度和純流量，與原始煤層及穩定流量水力壓裂的方法相比，不穩定流量水力壓裂后抽采瓦斯濃度及純流量明顯提升。

3)隨著煤層開采深度的不斷加大，在水力壓裂增透作業中，實行不穩定水流量注入是深部煤層增透的一種可行方法，但其具體壓裂相關參數，需要繼續深入研究。