切槽導向水力壓裂聯合增透技術研究

王長祿

(煤炭科學技術研究院有限公司,北京 100013)

我國多數煤層具有非均質性、高瓦斯和低滲透的特點[1],致使煤層瓦斯抽采難度大,瓦斯災害的危險性大,故很難直接運用瓦斯抽采技術進行抽采瓦斯,通常運用高效的增透技術來增加煤層的透氣性[2-3]。水力壓裂相對安全可靠、使用成本較低、增透效果明顯,故水力壓裂逐漸成為增加煤層透氣性的前沿技術之一。

水力壓裂技術廣泛應用于石油領域[4]。目前,此技術也普遍被用于煤層瓦斯增透,眾多科研人員對此開展了大量研究,在理論、實驗、模擬、現場實驗等方面取得顯著成果。康紅普等[5]通過理論研究,得到了煤層在進行水力壓裂過程中煤巖表面的損傷應力分布變化規律特征;郭印同等[6]基于頁巖水力壓裂實驗研究發現煤層水力壓裂后,可產生于煤層紋理垂直的裂隙,并與紋理面開裂后產生的裂隙交匯,構成網絡狀的裂縫;Olovyanny[7]利用模擬手段分析了不同水平地應力與垂直地應力比率、埋深等因素對水力壓裂效果的影響規律;林柏泉等[8]基于模擬和工程試驗方法,得到了煤層水力壓裂對煤體的損壞分布特征,并發現瓦斯壓力是影響壓力效果的主導因素;Zhang等[9]自主搭建水力壓裂真三軸實驗系統,得到了煤巖水力壓裂的裂隙分布規律。

雖然水力壓裂增透技術有著諸多優點,但是常規的水力壓裂主裂縫擴展的不可控導致壓裂裂縫分布不規律,壓裂孔群難以貫通形成裂隙網,損傷破壞區域范圍小,壓裂后煤層增透效果有限,難以發揮增透效果。故有學者提出定向或者導向水力壓裂技術,運用控制孔來引導水力壓裂的裂縫發展[10]。但是控制孔對煤層造成的損傷面相對較小,對水力壓裂的引導能力相對較弱,需要一種可以產生較大裂縫或者損傷面的手段來引導水力壓裂主裂縫。而水力切槽就具備這一特點,水力切槽相等于拓寬鉆孔底部損傷范圍。本文采用水力切槽先對煤體造成損傷弱面,以此來引導水力壓裂裂縫的拓展發育。對切槽導向水力壓裂聯合增透技術的原理進行了分析,構建了切槽與水力壓裂聯合增透模型,運用Abaqus模擬軟件模擬了水力切槽對水力壓裂裂隙的拓展導向,最后通過現場實驗驗證了技術的可行性,以期通過本文的導向復合增透技術對現場水力壓裂技術運用實施提供理論參考。

1 聯合增透技術原理分析及模型構建

1.1 水力切槽卸壓增透機理及模型

水力切槽可以等效成底部拓寬孔徑的橫向范圍[11],模型如圖1所示,切槽后,煤體損傷范圍相當于鉆孔半徑的10～16倍,卸壓范圍也隨之增大。所以,水力切槽對水力壓裂的引導能力更強。切槽周圍煤體出現裂隙,煤體強度降低,卸壓區和損傷區的范圍擴大。因此,對于滲透率較低的煤層,運用水力切槽技術來進行卸壓增透能夠取得顯著的效果。

圖1 水力切槽模型Fig.1 Hydraulic groove cutting model

1.2 水力壓裂增透機理及模型分析

通常,井下水力壓裂過程中,當裂縫起裂壓力大于煤體自身的斷裂所需應力時,煤體開始出現微小裂隙,隨著注水壓力不斷增大,之后微裂縫開始擴展成主裂縫。煤層水壓壓裂增透模型如圖2所示。煤體水力壓裂增透后,由于受到地應力較大或者水壓不足的影響,裂縫通常為一條主裂縫,很難再形成較大的裂縫分支,只是在主裂縫周圍區域產生微小裂隙,導致主裂縫兩邊的煤體沒有損壞。此時,在主裂縫兩側會形成2個“空白帶”,空白帶是裂縫發育不均勻導致的,空白帶的形成致使增透效果不理想,而且空白帶存在著瓦斯突出的危險。同時,裂隙發育不均勻,壓裂孔群難以貫通形成裂隙網,損傷破壞區域范圍小;常規壓裂由于起裂壓力過高,造成微裂隙不發育,或者發育困難,壓裂后煤層增透效果有限,難以發揮增透效果。因此,控制水力壓裂裂縫擴展,提高微裂隙發育程度,是煤層水力壓裂增透工藝的重要環節。

圖2 單一水力壓裂模型Fig.2 Single hydro-fracturing model

1.3 水力切槽導向水力壓裂聯合增透模型

基于以上對水力切槽和水力壓裂的原理及模型分析,提出了水力切槽導向水力壓裂聯合增透技術,通過水力切槽產生的大范圍損傷來引導水力壓裂裂隙的發育。孔內切槽導向水力壓裂聯合增透模型如圖3所示。水力切槽導向水力壓裂聯合增透技術通常首先進行切槽作業,待切槽周圍應力場逐漸穩定后再進行水力壓裂,切槽孔布置在壓裂孔周圍。

圖3 水力切槽導向水力壓裂聯合增透模型Fig.3 Model of hydraulic fracturing joint antireflection of hydraulic grooving guided

1.4 水力切槽導向水力壓裂聯合增透技術原理

1.4.1 切槽煤巖卸壓應力—損傷場的重構效應

由切槽增透機理可知[12],煤層鉆孔進行切槽后,周圍應力場會發生變化,其中垂直于切槽面方向的應力變化較為明顯,切槽導致煤體卸壓塑性區的三向應力轉化二向應力。煤體切槽后二次應力場σ′滿足:

(1)

其中,Vm為煤體體積;Sk為邊界面S中裂紋面積,則VL煤體平均應力為:

(2)

1.4.2 切槽導控水力壓裂與裂隙網構建

控制單位內煤巖應力場發生改變,通常情況下應力將升高,三向應力分布狀態也會變化,切槽造成的損傷弱面會引導水力壓裂裂縫發展,最終水力壓裂裂縫與切槽裂隙形成網狀裂隙。根據有效應力—滲透率方程,卸壓區滲透率沿x、y方向為[13]:

(3)

煤體在應力—應變過程中的滲透率變化規律為先降低、再升高、最后再降低,在未達到峰值應力前,煤體滲透率會隨著裂隙發育而增大。根據Poiseulle方程流量q為[13]:

(4)

式中,m為裂紋數目;lb為截面積;L為長度。

由達西定律可知[13]:

(5)

煤層滲透率k0為:

(6)

2 切槽導向水壓裂聯合增透模擬

2.1 數值模擬參數

本文采用Abaqus軟件模擬分析煤層水力壓裂的演化特征。模型尺寸為8 m×8 m,共設置1 645 068個網格單元。模型的左側邊界中點為壓裂孔,直徑為113 mm,如圖4所示。將水力壓裂視為平面應變問題,采用Abaqus中的CPE4PH為單元類型,模型頂部加14 MPa的均布載荷,水平應力取16 MPa,采用流固耦合方式,兩端為水平約束,底端為固定約束,邊界為非反射界面邊界。具體參數見表1。

表1 煤巖體力學及滲流參數Tab.1 Coal and rock mechanics and seepage parameters

圖4 水力切槽導向水力壓裂聯合增透數值模擬網格Fig.4 Numerical simulation diagram of hydraulic fracturing joint antireflection of hydraulic grooving guided

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 單一水力壓裂數值模擬

單一水力壓裂方案下裂縫發育過程模擬云圖如圖5所示。壓裂孔直徑為113 mm,固定其他參數條件為:瓦斯壓力0.5 MPa,地應力為10 MPa,煤體抗壓強度f為15 MPa。

圖5 單一水力壓裂情況下數值模擬Fig.5 Numerical simulation under single hydraulic fracturing

由圖5可知,裂隙初始發育階段,由于最大主應力沿水平方向,壓裂裂隙開裂方向為水平方向,如圖5(a)所示。受地應力影響,通常只是形成單一的主裂縫,如圖5(c)所示,在主裂縫兩側形成由于致裂不均產生的空白區域,這種空白區域很少出現或者不出現裂縫,這種情況下,只在主裂縫周圍出現微裂隙,如圖5(d)所示,不形成較大的裂隙分支,難以形成裂隙網,導致增透效果不佳,而且空白區域還存在著瓦斯突出的危險。

2.2.2 水力切槽導向水力壓裂聯合增透數值模擬

切槽和水力壓裂聯合增透技術的數值模擬結果如圖6所示。其中,壓裂孔徑設置113 mm,切槽高度為0.3 m,寬度為0.7 m;壓裂孔距離切槽孔中心的距離為5 m。

圖6 水力切槽導向水力壓裂聯合增透數值模擬Fig.6 Numerical simulation of hydraulic fracturing joint antireflection of hydraulic grooving guided

在進行水力切槽導向水力壓裂聯合增透后,切槽弱面會對水力壓裂主裂縫進行引導,使得原本水平方向的裂縫開始朝切槽損傷弱面發展,如圖6(b)所示;通過持續不斷地注水和切槽弱面引導,水平的主裂縫開始出現較大的裂縫分支,如圖6(d)所示。在壓裂過程中,煤體中水分不斷增加,使得煤體發生軟化,強度降低,壓裂裂縫與切槽弱面逐漸溝通,最終形成相對均勻的網格狀裂縫,均勻的網格狀裂縫極大地增加了煤層透氣性,同時也減小了煤層瓦斯壓力,最終提高了瓦斯抽采效率,減少了瓦斯突出事故的發生。

3 現場工程實驗

3.1 實驗地點概況

水力切槽導向水力壓裂聯合增透技術試驗地點為山西省沁水煤田東部某礦井6號煤層工作面。煤層傾角10°～16°,厚度約4.62 m,瓦斯壓力0.37～0.43 MPa,透氣性系數為0.046 2 m2/(MPa2·d),最大瓦斯含量為7.08 m3/t,堅固性系數為0.48,為可抽采煤層。

3.2 方案設計

在該試驗地點工作面距切眼 650 m 處施工8個孔,編號為1—8號。其中,3號孔與7號孔為壓裂孔,2號、4號孔為切槽孔,1號、5號、6號、8號孔為觀測孔。為了減少互相之間的干擾,實驗組與對照組距離40 m,切槽孔與壓裂孔距離為5 m,觀測孔與壓裂孔距離為10 m,工程鉆孔布置方式如圖7所示。

圖7 煤層鉆孔示意Fig.7 Schematic diagram of coal seam drilling

3.3 水力切槽導向水力壓裂聯合增透效果分析

3.3.1 鉆孔自然瓦斯涌出量

煤層的鉆孔自然瓦斯的涌出量通常取決于煤層中瓦斯起始時的涌出強度q0隨時間變化的CH4流量衰減系數α,因此可以對煤層自然瓦斯涌出量進行預測,回歸預測公式如下所示[14]。

q=q0e-αt

(7)

為了考察試驗煤層瓦斯抽采效果的改善程度,本文選取1號觀測孔和6號觀測孔進行瓦斯抽采效果的測定,通過為期15天的數據統計,測試結果如表2和圖7所示。根據結果可以發現:井下工程實踐中實施切槽引導水力壓裂聯合增透技術后,1號孔初始瓦斯涌出強度為0.153 3 m3/(min·hm),是6號普通水力壓裂觀測孔(0.044 2 m3/(min·hm))的3.47倍,并且6號孔的衰減系數由0.040 6 d-1降低到1號孔的0.008 69 d-1,衰減強度降低了約79.6%,這說明實施水力切槽導向水力壓裂聯合增透后,煤層瓦斯抽采效果得到了顯著的提升,瓦斯災害事故得到了較好的控制。

表2 301工作面煤層瓦斯涌出量Tab.2 Gas emission from coal seams in working face 301

圖8 百米鉆孔自然瓦斯涌出特征Fig.8 Characteristics of natural gas emission from a 100 meter borehole

3.3.2 煤層透氣性系數變化分析

為了進一步考察試驗煤層瓦斯抽采效果,選取觀測鉆孔5和8號,根據文獻[15]的煤層透氣性系數計算方法來計算水力切槽導向水力壓裂聯合增透技術實施后的煤層透氣性系數。計算結果表明,原煤層透氣性系數從0.046 2 m2/(MPa2·d)提高到1.358 2 m2/(MPa2·d),提高了約29倍,這說明煤層透氣性得到較大改善。

4 結論

(1)單一水力壓裂時,由于主裂縫發育的不可控且無規律,故壓裂孔群難以貫通形成裂隙網,損傷破壞范圍小;常規壓裂由于起裂壓力過高,造成微裂隙不發育,難以形成支路裂縫,壓裂后煤層增透效果有限,難以發揮較好地增透效果。

(2)通過數值模擬可知,進行水力切槽引導水力壓裂聯合增透之后,切槽產生的損傷弱面可以引導水力壓裂的方向,使切槽弱面裂縫與水力壓裂裂縫交匯貫通,形成裂縫網格,極大地增加了煤層透氣性。

(3)現場進行水力切槽導向水力壓裂聯合增透后,聯合增透觀測孔的初始瓦斯涌出量是普通水力壓裂觀測孔的3.47倍,瓦斯涌出量衰減強度降低了79.6%,原煤層透氣性系數提高了29倍。