松軟煤層水力壓裂有效半徑影響范圍主控因素分析

張兆一

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

突出礦井的消突工作是目前各大生產礦井急需解決的難題之一。隨著近年來水力壓裂增透技術的應用，在一定程度上縮短了抽采時間、提高了抽采效率，進而提高了掘進生產速度[1-4]。但在實際壓裂過程中不同壓力、不同注水量與水力壓裂有效半徑之間的關系存在諸多差異。

水力壓裂的基本原理是利用超高壓或高壓壓裂泵組將壓裂液注入煤巖體內，當注入的外界壓力超過煤巖體自身的耐壓強度與地應力時，會在壓裂孔附近開始產生裂隙。雖然目前井下各種水力壓裂設備與配套工藝相對成熟，但在不同的地質條件下，對于水力壓裂效果完全不同，主要因其不同地質條件下壓裂基本參數的考察不夠精準，尤其在松軟低透氣性煤層中的壓裂往往達不到預期的效果，或因松軟低透氣性煤層中壓裂時間、壓裂水量與有效半徑關系的不確定性，導致壓裂效率低、壓裂效果差。在進行松軟低透氣性煤層的水力壓裂工程實踐過程中，壓裂泵組的注水壓力、壓裂時間、壓裂水量是較為關鍵的參數，注水壓力、壓裂水量不能無限地增大，壓裂時間不能無限地延長。

因此，在松軟低透氣性煤層水力壓裂的施工中，在保證安全高效的前提下，合理地確定壓裂時間、壓裂水量與有效半徑之間的關系是松軟低透氣性煤層水力壓裂增透急需解決的問題之一。通過數值模擬分析壓裂時間、壓裂水量與有效半徑的關系，結合現場工程實踐應用，最終確定出三者之間的關系。對于提高松軟低透氣性煤層壓裂效率，節省壓裂時間，以及壓裂技術在相同條件下的煤礦中應用具有較強的指導作用。

筆者以工程實踐為基礎，運用顆粒離散元程序模擬各流量下水力壓裂有效半徑與壓裂水量、壓裂時間的關系[5]，結合現場試驗注水壓力在17～33 MPa內，考察在一定注水壓力條件下松軟低透氣性煤層的水力壓裂水量、壓裂時間與有效半徑之間的相對關系，進而優化壓裂時間、提高壓裂效率。

1 松軟煤層水力壓裂增透機理分析

松軟煤層水力壓裂增透的基本原理是通過高壓泵組將壓裂液(高壓水或加入其他介質的液體)注入煤巖體內，伴隨壓力持續增大，當超過地應力和煤體自身強度時壓裂孔處便由近及遠地產生裂縫，同時在煤體中原有裂隙的基礎上進一步進行擴展和延伸，使煤層中大量的裂縫相互貫通，增加了煤層中瓦斯運移的微觀通道；促使吸附狀態的瓦斯向游離狀態轉化，進而提高壓裂煤層的透氣性。與此同時，高壓水滲透到煤體的微觀孔隙之中，因煤體對水分的吸附能力高于對瓦斯的吸附能力，煤體在水分的包圍下，吸附在煤體孔隙中的游離瓦斯因吸附能力較弱而會被水分排擠到大量的裂隙之中；在抽采鉆孔的負壓作用下，大量的游離瓦斯通過貫通的裂隙，運移至瓦斯抽采孔中，提升了抽采管中瓦斯濃度，進而提高瓦斯的抽采效率。

對煤層進行水力壓裂時，在高壓水體沖擊作用下，由于煤體的原始強度被破壞，使煤體由彈性區轉為塑性區，無法承受工作面前方的超前支撐壓力，應力增高區會向煤體深部轉移。減弱了工作面附近的支撐壓力，壓裂改變了工作面前方的應力分布，在某種程度上降低了煤與瓦斯突出的概率。當壓裂停止后，煤體中存在大量的瓦斯運移通道，極大縮短瓦斯的抽采時間，減少了工作面的瓦斯涌出量。

水力壓裂主要有3個階段：

1)壓裂液對煤體進行宏觀濕潤，在壓力升高的過程中對煤體進行起裂；

2)破壞煤層的彈性狀態，迫使煤體產生大量的微觀裂隙；

3)煤體在大量水的微觀浸潤下，由于煤體與瓦斯和水的吸附能力不同，水分逐步取代游離態瓦斯，最終提高煤層的透氣性。

2 水力壓裂工程概況

新景礦保安分區3107進、回風巷(南五正、副巷)位于井下+420 m水平，其全長為1 601 m；煤層平均厚度2.26 m，堅固性系數最小值為0.38，3號煤層為松軟低透氣性煤層，瓦斯壓力最高可達2.26 MPa。為了提高3號煤層透氣性、降低瓦斯含量、平衡煤體瓦斯壓力，提高煤巷的掘進效率，在3107底抽巷布置穿層鉆孔進行水力壓裂作業。設計半徑為40 m，間距為70 m，共7個壓裂孔(1#～7#)。底抽巷壓裂區域鉆孔布置及壓裂泵組示意圖如圖1所示。

(a)南五底抽巷壓裂區域鉆孔布置

根據壓裂現場泵組的施工記錄，壓裂水量和最大注水壓力參數如表1所示。壓裂泵組的額定參數如表2所示。

表1 壓裂水量和最大注水壓力

表2 壓裂泵組輸出參數

3 數值模擬分析

3.1 模型的建立

在壓裂現場取得煤巖樣品，在實驗室測定其抗壓強度、抗拉強度等基礎數據參數，同時在經過交叉對比、分析試驗的基礎上[6-7]，確定對應的微觀顆粒離散元計算參數，如表3、表4所示。

表3 煤巖物理力學基本參數

表4 煤巖微觀物理力學參數

在確定微觀物理力學參數及地質參數情況下[8]，建立不同條件下壓裂水量、壓裂時間的數值計算模型，最后利用顆粒離散元程序進行不同條件參數的注水壓裂數值模擬試驗。具體方案如下:

1)探討不同壓裂水流量的有效半徑與壓裂時間之間的關系，設置4組不同的流量，分別為5.076、10.476、14.076、17.676 m3/h。

2)探討不同壓裂時間條件下有效半徑與壓裂水流量之間的關系，設置4組不同的壓裂時間，分別為400、500、600、700 s。

設計截取50 m×50 m的平面為模擬壓裂區域，壓裂孔布設在中部。通過模擬設置預定的最大水平應力σ1和最小水平應力σ3，建立如圖2(a)所示的數值模型，模擬的壓裂孔如圖2(b)所示，圖中lu為壓裂過程中裂隙的擴展長度，采用控制流量的注水加壓方式。

圖2 水力壓裂數值模擬模型示意圖

3.2 各壓裂水流量下對比分析有效半徑與壓裂時間的關系

通過設定壓裂水流量來模擬有效半徑與壓裂時間之間的關系，結果如圖3所示。由圖3可知，當壓裂水流量一定時，松軟低滲煤巖壓裂有效半徑隨壓裂時間的增加而增大。在相同的壓裂時間下，流量越大，有效半徑相對越大。但現場壓裂泵組流量不可能無限大，當流量在9.2～27.3 m3/h內，某個壓裂時間，存在有效半徑最優。

(a)壓裂水流量5.076 m3/h

3.3 各壓裂時間下對比分析有效半徑與壓裂水流量的關系

各壓裂時間下的松軟低滲煤體有效半徑與壓裂水流量之間的關系擬合曲線如圖4所示。

(a)壓裂時間400 s

由圖4可知，當壓裂時間一定時，松軟低滲煤巖壓裂有效半徑與壓裂水流量呈正比例關系；在保持壓裂水流量一定的情況下，壓裂時間是保證壓裂有效半徑的另一關鍵因素。

然而，壓裂水流量越大對泵組的要求也越高，注水時間不可能無限長。以下通過建立二者的回歸分析來進一步確定最優關系。

3.4 壓裂有效半徑回歸分析

基于壓裂有效半徑與壓裂時間、壓裂水量呈非線性正比例關系，運用數理統計方法擬合三者之間的關系，如式(1)所示，其相關系數為0.95。

(1)

式中：L為壓裂有效半徑，m；Q為壓裂水流量，m3/h；t為注水壓裂時間，h；系數a=9.582，b=1.348。

根據公式(1)和現場壓裂參數分別計算理論壓裂有效半徑，結果見表5。

表5 不同壓裂水流量下理論壓裂有效半徑計算結果

4 現場壓裂試驗數據分析

對于現場的水力壓裂有效半徑考察，通過鉆孔施工效果檢驗孔、頂板滲水情況、鉆孔的瓦斯含量、含水率等參數來判定該處是否處在壓裂影響范圍內[9]。壓裂試驗期間沒有出現頂板掉落現象，壓裂孔周邊圍巖存在滲水現象，具體情況見表6。

表6 壓裂孔周邊圍巖滲水情況統計

使用DGC型瓦斯含量直接測定裝置測試煤樣的瓦斯含量，使用烘干法測試煤層含水率[10],測試結果見表7。

表7 壓裂區域檢驗孔參數測試結果

通過對壓裂鉆孔周圍滲水情況、煤體含水率觀測分析可知:2#壓裂孔注水量在28 m3左右時，壓裂有效半徑在20 m以上；3#壓裂鉆孔注水量在95 m3左右時，壓裂有效半徑在52 m以上；4#壓裂孔注水量在107 m3左右時，壓裂有效半徑在35 m以上；5#壓裂孔注水量在70 m3左右時，壓裂有效半徑在50 m以上；6#壓裂孔注水量在 25 m3左右時，壓裂有效半徑在30 m以上；7#壓裂鉆孔注水量在88 m3左右時，壓裂有效半徑在47 m以上。繪制的擬合曲線如圖5所示。

圖5 壓裂有效半徑與壓裂水量的擬合曲線

綜合壓裂水量與有效半徑現場考察數據，建立新景礦3號煤層水力壓裂水量與有效半徑的擬合關系式為y=-0.011 6x2+1.712x-12.015，R2=0.826 8。當壓裂水量為73.79 m3時，有效半徑為51 m。

對比表5中5#孔中數值模擬理論計算值，壓裂泵組輸出檔位為Ⅲ，流量為18.4 m3/h時，壓裂水量為 70 m3，有效半徑為67.6 m，壓裂時間相對最優。

現場實測壓裂有效半徑與理論有效半徑對比發現[10-13]，理論值一般大于實測值，根據現場實際分析認為主要有以下2個因素：井下地質構造的復雜性與煤自身各向異性有關；井下壓裂現場出現的漏水狀況，與模擬壓裂的匹配條件存在一定的差異。

5 結論

1)建立新景礦松軟煤層水力壓裂水量與有效半徑的擬合關系式為y=-0.011 6x2+1.712x-12.015，R2=0.826 8。當壓裂水量為73.79 m3時，有效半徑為51 m，壓裂時間相對最優。

2)當壓裂時間控制在某特定值時，松軟低滲煤巖壓裂有效半徑隨著壓裂水量增加呈非線性增大；當壓裂水量控制在某特定值時，松軟低滲煤巖壓裂有效半徑隨著壓裂時間的增加而增大，二者呈非線性正比例關系。

3)對于壓裂有效半徑檢驗參數，瓦斯含量、含水率等參數相對可靠，現場驗證水力壓裂對瓦斯含量具有一定的驅散作用，壓裂區的瓦斯含量普遍小于未壓裂區域。