高壓水力壓裂技術在瓦斯治理中的應用研究

王小鵬

西山煤電股份有限公司鎮城底礦 山西 太原 030053

瓦斯突出問題是威脅礦井安全生產的主要問題。目前我國針對我國瓦斯治理主要是通過抽采的方式，但隨著開采年限的不斷增加，煤礦開采的重點逐步向著深部煤層轉移，隨著煤層深度的不斷增加，煤層的透氣性能有所降低，此時抽采瓦斯效果就得到一定的限制，為了解決低滲透煤層瓦斯抽采難的問題[3,4]，利用水力壓裂的方式對煤層進行增透措施，從而提升瓦斯的抽采效率，本文利用數值模擬軟件對水力壓裂裂縫擴展及增透技術進行研究，為后續瓦斯治理提供一定的參考[1]。

1 數值模擬研究

水力壓裂是一個涉及到滲流力學、斷裂力學和損傷力學的問題，內部涉及滲流場和應力場的多場耦合。因此對水力壓裂進行三維分析較為困難，所以本文研究水力壓裂選用二維模型進行研究。模擬軟件選用ABAQUS模擬軟件，模型尺寸設定為40m×40m正方體，在模型中心設定鉆孔，在鉆孔內設置注水點。對模型進行網格劃分，網格單元尺寸為0.1m×0.1m，在模型的左右兩邊進行應力施加，根據地質資料設定垂直方向應力18MPa，水平方向應力34MPa，注水孔內的注水速率設定為0.003m3/s，對模型的物理參數進行設定，模型彈性模量設定為1.8GPa，抗拉強度為0.5MPa，泊松比為0.3，模型孔隙比0.1，破壞位移為0.001，濾失系數為1E-014，損傷穩定粘性為0.1，完成模型的建立[2]。

首先對裂縫內部的流體壓力隨時間變化趨勢進行分析，繪制流體壓力曲線如圖1所示。

圖1 流體壓力曲線

如圖1所示可以看出，隨著注液時間的不斷增大，此時流體壓力呈現出先增大后減小的趨勢，在時間0s-9s時，此時的流體壓力快速增大，鉆孔內部的能量快速聚集，在9s時達到最大值即巖石的起裂壓力，起裂壓裂值為19.2MPa，繼續注液到20.2s時，此時在上一階段快速下降的流體壓力在此節點呈現穩定的趨勢，不會發生較大幅度的變化。根據以上分析可以看出，巖石的起裂大致可分為三個階段，分別為壓裂準備階段、壓裂階段和壓裂穩定階段。

對隨著注液時間的增長裂縫擴展長度及裂縫寬度進行分析，裂縫寬度及長度隨注液時間變化曲線如圖2所示。

根據圖2可以看出，隨著注液時間的增大裂縫的寬度及裂縫擴展長度均呈現逐步增大的趨勢，在注液前期此時由于鉆孔并未壓裂所以鉆孔內部能量快速聚集，直到內部能量超過鉆孔起裂能量時，鉆孔壁發生起裂，此時的能量釋放，裂縫發生擴展，此時由于裂縫長度較短，所以能量消耗較小，同時由于裂縫接觸面積較小所以液體整體的濾失較低，所以裂縫寬度快速增大，而當裂縫長度達到一定程度后，能量損失及濾失量的增大均會造成內部能量的降低，所以裂縫寬度增長趨勢減弱。裂縫長度變化趨勢類似，均是由于濾失及能量傳遞損耗造成的[3]。

對不同注液量下裂縫寬度及裂縫擴展長度變化趨勢進行分析，裂縫寬度及長度隨注液量變化曲線如圖3。

圖3 裂縫寬度及長度隨注液量變化曲線

根據圖3可以看出，隨著注液量的增大裂縫的寬度及裂縫擴展長度均呈現逐步增大的趨勢，但增長趨勢整體呈現減弱的趨勢，當注液量為0.001m3/s時，此時的裂縫寬度為0.0043m，而裂縫的擴展長度為9.2m，當注入量增大至0.005m3/s時，此時的裂縫寬度為0.0076m，而裂縫的擴展長度為17.8m。這是由于隨著注入量的增大，在相同時間內鉆孔內部能量聚集的速度越快，聚集的能量越多，所以在發展擴展時，由于注入量大的能量多，所以裂縫寬度及裂縫的擴展長度均呈現增大的趨勢。但通過觀察可以看出一味的增大注入量并無法達到擴展長度及裂縫寬度的線性增加，所以適當的注入量不僅能夠滿足壓裂的要求，同時能夠降低施工成本。

2 應用研究

鎮城底礦22618工作面的西北兩側為實體煤，東側為已采工作面，工作面由回風順槽、進風順槽、切眼等組成。其中，回風順槽長度為2381.7m，進順槽長度為2510.6m，工作面切眼長度為290m，可采長度2261.7m。工作面主采6#煤層，6#煤層的厚度為6.25～6.55m，平均厚度為6.4m，回采率94%，工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤采煤法。工作面煤層的原始瓦斯含量約為10.0496m3/t，其中殘余瓦斯含量約為2.37m3/t，可解析的瓦斯含量為7.1274m3/t，屬于高瓦斯工作面。

對煤層進行水力壓裂增透技術應用，選用某礦29020回采工作面作為試驗地點，選用KFS98-65壓漿水泵、高壓管路、高壓無縫鋼管和封孔膠囊等設備。在增透區域進行鉆孔，對鉆孔進行封堵，并進行注水，注水時先緩慢注水，等到封孔膠囊接觸孔壁后提升注液量，持續高壓注水15Min，孔口壓力示數在20MPa附近，持續注液，當孔口壓力示數降低至14MPa時，此時的煤層裂隙發育明顯，完成整個水力壓裂過程。對壓裂的鉆孔進行20d的連續抽采，同時對比常規孔的抽采數據。

經過水力壓裂的鉆孔抽采瓦斯的流量明顯高于常規孔，鉆孔整體抽采呈現波動情況，但經過壓裂后的鉆孔抽采瓦斯流量最小值為0.021m3/min，瓦斯抽采流量的最大值為0.052m3/min，而未經水力壓裂卸壓的鉆孔抽采瓦斯流量最小值為0.006m3/min，瓦斯抽采流量的最大值為0.017m3/min。綜合分析可以看出，水力壓裂后鉆孔的抽采瓦斯量有了較大幅度的提升，增透技術應用取得了較好的效果。

3 結論

（1）隨著注液時間的不斷增大，此時流體壓力呈現出先增大后減小的趨勢，巖石的起裂大致可分為三個階段，分別為壓裂準備階段、壓裂階段和壓裂穩定階段。

（2）利用模擬對裂縫寬度和裂縫長度隨時間變化趨勢進行研究，發現隨著注液時間的增大裂縫的寬度及裂縫擴展長度均呈現逐步增大。

（3）隨著注液量的增大裂縫的寬度及裂縫擴展長度均呈現逐步增大的趨勢，但增長趨勢整體呈現減弱的趨勢。