煤層脆性與地應(yīng)力耦合條件下瓦斯抽采方案探討

中圖分類(lèi)號(hào)：TE37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-7393（2025）-02-0235-10

Abstract： WjadiCoalMneischaracterzedbycomplexgeologicaltructures，significantheterogeneityinthspatialdistributioof coalreservoirbritlenessandcuentin-situstressfield，andanuncleargeologicalcontrol mechanismonthevariabilityof gas extractioneficiency.Inlightofthis，basedonthegeologicaldatafrom WeijiadiCoalMine，Petrel3Dmodelingsoftwarewas employedtoconduct modelingofthespatial distributionofcoalseamelasticpropertiesandsimulationofthein-situstressfield.The results ndicatethat，throughthesuperpositionof zoning basedontheelastic modulusandPoison’sratioofthecoalseam，three britleness zones were delineated. In the study area， the maximum horizontal principal stress （σ_H） significantly exceeds both the minimum horizontal principal stress （σ_h） and the vertical stress （σ_v） .Based on the relative magnitudes of σ_h and σ_v， two types of stress regime zones ereclassfed.Reseachidicatesthatcoalseambrittenessisteprimarycontrollingfactrgoveingthepropagation ofhydraulicfracuringfractureoalsmsithelatielyghritesisonduivetofacturpropagatioemostratinggood gas drainageperformance.Converselycoalsamsthatarenotintisconditionareunfvorableforfracturepropagation，sultingin poor gasdrainageeffects.Terefore，forcoalseams withlowbritleness，L-shapedwelsaremoresuitableforgas drainage toachieve the goal ofcoalbedmethane（CBM）presurereductionanddesoption.Forcoal seams withrelativelyhighbritleness，appoprate well types should be selected based on the relative magnitudes of σ_v and σ_h When σ_vgt;σ_h， fractures are less likely to extend within the coal seam， and it is recommended to adopt L-shaped wels to achieve gas drainage objectives.When σ_hgt;σ_v ，fractures are more prone to propagateintehorzontaldirectionofthecoalseamhichisbneficialforCBMpresureeductioanddesoption.Intiscase， bothverticalandL-shapedwellscanbeconsideed，andbothtypsofwellsanachieverelativelygoodasdrainageefectsBasedon engieeringcaseanalyses，itisonsideredtatduringthefracturingprocesofiterverticalororzontalels，thewaterbaring propertyoftheoof trata mustbetakenintoaccountsimultaneouslyWhentheroofisawater-bearinglayer，L-shapedwelshould selecthecoalseamasthehorzontalsectionandimplementsmal-salefracturing.Whentheoofisanon-water-bearinglayerthe horizontalsectionstratumshouldbechosenaccordingtothecoalseam'sbritleness.DrawingfromsuessfulcasesofL-shapedwels inmining-iducedstressreliefznes，itissuggestedtat\"onewellforualpurposes\"engineeingloutssouldbeconsideedinthe design of in-situ gas extraction L-shaped wells.

Key words： coal seam; gas extraction; britleness; in-situ stress; coupling; Weijiadi Coal Mine

0 引言

地質(zhì)演化過(guò)程中，由于構(gòu)造變形導(dǎo)致煤體發(fā)生破碎或流動(dòng)，進(jìn)而形成構(gòu)造煤。構(gòu)造煤發(fā)育受多重地質(zhì)因素控制，主要體現(xiàn)為煤層一圍巖一構(gòu)造“三元”耦合控制[1-2]。剪應(yīng)力集中導(dǎo)致彈性?xún)?nèi)能和瓦斯膨脹能，增加了瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)[3]。煤體結(jié)構(gòu)和現(xiàn)今地應(yīng)力共同影響煤儲(chǔ)層裂隙的發(fā)育程度和開(kāi)合程度，控制煤儲(chǔ)層滲透率變化[4-5]和瓦斯的擴(kuò)散[6-7]，進(jìn)而導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存的非均質(zhì)性，增加了煤與瓦斯突出和工作面瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。目前降低瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的有效手段為地面瓦斯抽采，然而瓦斯抽采井設(shè)計(jì)需要綜合考慮裂隙方位與地應(yīng)力關(guān)系、儲(chǔ)層彈性模量及泊松比與儲(chǔ)層滲透性關(guān)系、垂向應(yīng)力與有效抽采區(qū)范圍關(guān)系、地應(yīng)力差與水力壓裂裂縫幾何形態(tài)關(guān)系等［8-11］

準(zhǔn)確判識(shí)煤儲(chǔ)層彈性模量、泊松比等參數(shù)及儲(chǔ)層地應(yīng)力，對(duì)預(yù)測(cè)其改造效果意義重大［12-14]。密度、電阻率、井徑及聲波時(shí)差等參數(shù)可用于評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層彈性模量、泊松比等參數(shù)［15-16]。電阻率、聲波時(shí)差等參數(shù)可用于現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)［13］。煤層氣開(kāi)發(fā)及瓦斯抽采井型復(fù)雜多樣，煤礦瓦斯抽采需根據(jù)其地質(zhì)條件進(jìn)行適配性分析，目前常用的并型為直井或L型井[17-18]，可根據(jù)巖層脆性差異選擇煤層或相鄰巖層進(jìn)行水力壓裂［19-20]。直井煤層水力壓裂技術(shù)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)完整及脆性較強(qiáng)的煤層適應(yīng)性較好［21-22]。相比于直井煤層水力壓裂技術(shù)，L型井頂板定向射孔水力壓裂技術(shù)對(duì)構(gòu)造煤及塑性較強(qiáng)的煤層具有明顯的適應(yīng)性［23]。垂向應(yīng)力相對(duì)較高區(qū)域形成的水力壓裂縫發(fā)生垂向延伸，反之壓裂縫水平方向延伸顯著。鄂爾多斯盆地大佛寺井田煤層氣開(kāi)發(fā)中先后施工的垂直井、U型井和多分支水平井產(chǎn)氣效果差異性顯著［24-25]，研究指出該地區(qū)煤層氣井儲(chǔ)層改造需要同時(shí)兼顧煤層厚度、儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)、煤層及頂板巖性特征等多重因素［25]。

本研究利用錄井、測(cè)井資料及礦井地質(zhì)生產(chǎn)圖件，通過(guò)Petrel軟件構(gòu)建地質(zhì)模型并進(jìn)行力學(xué)反演。基于以上模擬結(jié)果，進(jìn)一步分析地應(yīng)力、煤層力學(xué)性質(zhì)和裂隙間的關(guān)系，探討煤層壓裂及瓦斯抽采方案，為魏家地煤礦的安全高效生產(chǎn)提供支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)構(gòu)造位置處于北祁連造山帶東端［26]。祁連造山帶位于柴達(dá)木盆地東北緣、阿拉善陸塊以南，西北部被阿爾金斷裂所切割，東部與秦嶺-大別造山帶相接，其基底主要為變質(zhì)巖系。魏家地煤礦聚煤期為早中侏羅世陸內(nèi)造山變形期后的伸展斷陷盆地，其在中新生代隴西旋卷構(gòu)造的控制下形成復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造［27-28]，及差異性分布的煤體結(jié)構(gòu)［29]。研究區(qū)位于青藏高原東北緣，受現(xiàn)今NE向擠壓應(yīng)力的影響，整體上構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，表現(xiàn)為斷裂活動(dòng)性顯著［28.30]，加之區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育程度較高，呈現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)。

魏家地煤礦發(fā)育中生代地層，由下至上分別為南營(yíng)兒群 （T₃n） 、窯街組 （J₂ν） 、新河組 （J₂x） 、苦水峽組 （J₃k） 、統(tǒng)河口群 （K₁hx） 。其中，主要煤系為窯街組 （J₂ν） ，共含4層煤，出露于寶積山向斜兩翼。窯街組巖性整體較粗，下部巖性為灰白色含礫砂巖，且旋回性顯著，厚煤層中心可達(dá) 25m 以上，但向周緣煤層厚度逐漸降低至 5～10m 。 1^# 煤穩(wěn)定發(fā)育，是魏家地礦的主力開(kāi)采煤層，煤層厚度整體較大，但空間分異性明顯。

魏家地煤礦構(gòu)造較為復(fù)雜，褶皺以NE向和EW向?yàn)橹鳎来伟l(fā)育1號(hào)背斜、2號(hào)向斜、3號(hào)背斜、4號(hào)向斜；斷裂構(gòu)造以NW向?yàn)橹鳎植靠梢?jiàn)NE和NNE向斷層，斷層以逆斷層為主，僅礦井西北方向零星發(fā)育正斷層。NW向逆斷層主要包括礦井東北部F₄₆ 斷層、中部 F₃ 斷層和西南部 F_1-2 斷層（圖1）。

圖1魏家地礦煤1煤層底板構(gòu)造圖 Fig.1Structural diagram of the floor of coal seam 1^? in Weijiadi Mine

2三維地質(zhì)模型構(gòu)建

三維地質(zhì)模型包括構(gòu)造模型、巖相模型和屬性模型三部分，基于鉆孔巖心、測(cè)井和煤礦生產(chǎn)圖件資料，解譯得到斷層、層面和煤層數(shù)據(jù)，擬合和計(jì)算得到力學(xué)參數(shù)、三維地質(zhì)構(gòu)造模型，為地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算和模擬提供載體。

2.1 構(gòu)造模型

基于數(shù)據(jù)資料，以研究區(qū)邊界為約束，構(gòu)造模型包括構(gòu)造層面、三維斷層和地質(zhì)網(wǎng)格三部分。研究區(qū)共有斷層32條，通過(guò)對(duì)目的層頂?shù)酌鏀鄬訑?shù)據(jù)的提取，得到頂?shù)酌娴臄鄬有畔ⅲ偻ㄟ^(guò)兩條斷層線(xiàn)在軟件斷層模型中構(gòu)建三維斷層面（圖2）。在建立三維斷層和構(gòu)造層面時(shí)，對(duì)以上加載數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的三維模型化，確保兩盤(pán)斷裂距離的合理刻畫(huà)且各結(jié)構(gòu)間的空間聯(lián)系與實(shí)際地質(zhì)條件相吻合，從而獲得研究區(qū)三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2斷層形態(tài)效果圖

Fig.23D morphology effect diagramof faults

基于三維斷層與構(gòu)造層面模型框架，對(duì)整個(gè)地層架構(gòu)實(shí)施網(wǎng)格化處理。處理過(guò)程在小層級(jí)別內(nèi)部執(zhí)行，網(wǎng)格尺寸依據(jù)工作區(qū)域?qū)嶋H邊界確定，而網(wǎng)格數(shù)量在垂向上則依據(jù)各小層厚度來(lái)分配，力求確保網(wǎng)格劃分與地層界面保持平行，并維持不同層位在結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性。隨后，借助地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)與研究區(qū)域構(gòu)造等值線(xiàn)圖，對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行校正與解析，以確保其既符合邏輯又貼近實(shí)際地質(zhì)狀況。研究區(qū)建模平面范圍較大，考慮計(jì)算機(jī)性能局限性，將平面網(wǎng)格大小設(shè)為 30m×30m ，縱向上將網(wǎng)格劃分為97層，三維網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)2525880個(gè)（圖3）。

2.2 屬性模型

本次對(duì)屬性的解析包括彈性模量和泊松比力學(xué)參數(shù)，均為連續(xù)性數(shù)據(jù)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換與分析，再采用高斯隨機(jī)函數(shù)模擬的方法進(jìn)行多次模擬，選取最優(yōu)模型，最終建立2種屬性模型。該模型的數(shù)據(jù)支撐主要依托于測(cè)井資料及其經(jīng)由計(jì)算所得，彈性模量和泊松比由式（1）～（2）計(jì)算得到[31]：

圖3三維網(wǎng)格模型效果圖

式中： σ_ν 為巖石泊松比; E 為彈性模量，GPa; Δt_p. （號(hào)Δt_s 分別為巖石骨架縱波時(shí)差和橫波時(shí)差， μs/m ρ 為巖石密度， g/cm³ 。

對(duì)通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到的彈性模量和泊松比進(jìn)行離散化、數(shù)據(jù)分析與變差函數(shù)擬合，確定彈性模量和泊松比的變差函數(shù)類(lèi)型以及主方向變程、次方向變程和垂直方向變程。在Petrel三維地質(zhì)建模軟件中，在離散數(shù)據(jù)變換的基礎(chǔ)上，利用序貫高斯方法完成彈性模量和泊松比模型。結(jié)果顯示，研究區(qū)煤層彈性模量主要介于 0～45GPa ，泊松比介于0～0.42 ，二者均在研究區(qū)中部地區(qū)發(fā)育高值（圖4）。

3煤系地層地應(yīng)力計(jì)算與模擬

基于測(cè)井曲線(xiàn)計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)剖面，在此基礎(chǔ)上采用組合彈簧模型計(jì)算單井地應(yīng)力剖面。基于Petrel構(gòu)建的三維地質(zhì)模型為載體，以實(shí)測(cè)的地應(yīng)力結(jié)果為約束，結(jié)合巖石力學(xué)場(chǎng)，運(yùn)用有限元模型，采用Petrel軟件模擬三維地應(yīng)力場(chǎng)。

3.1單井地應(yīng)力剖面構(gòu)建

地應(yīng)力計(jì)算模型為彈簧模型，在應(yīng)用組合彈簧模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)還需獲得彈性模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)，其中相關(guān)參數(shù)通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)獲取，該方法獲得的巖石力學(xué)參數(shù)具有連續(xù)性特征，適用于本次研究。在上述方法基礎(chǔ)上，構(gòu)建研究區(qū)單井地應(yīng)力剖面，見(jiàn)式（3）～（5）[32-33」。

式中： σ_H 為水平最大主應(yīng)力， MPa σ_h 為水平最小主應(yīng)力， MPa σ_v 為垂向主應(yīng)力， MPa β 為Biot系數(shù)；p_p 為地層孔隙壓力， MPa ： ε_H，ε_h 分別為水平最大、最小主應(yīng)變。

結(jié)果顯示（圖5）：（1）三軸應(yīng)力 （水平最大主應(yīng)力 （σ_H）? 、水平最小主應(yīng)力 （σ_h） 和垂向主應(yīng)力 （σ_v）_，^? 和儲(chǔ)層壓力均隨著埋藏深度的增加而增大。（2）三軸應(yīng)力在垂向上存在轉(zhuǎn)換。在 400m 以淺，表現(xiàn)為σ_H 最大、 σ_v 最小的逆斷型地應(yīng)力機(jī)制； 400～800m 主要為 σ_H 最大、 σ_h 最小的走滑型地應(yīng)力機(jī)制；800m 以深，主要呈現(xiàn)走滑型地應(yīng)力機(jī)制與正斷型地應(yīng)力機(jī)制間隔發(fā)育特點(diǎn)。

3.2 現(xiàn)今地應(yīng)力模擬

根據(jù)目的層 σ_H，σ_h 和 σ_v 實(shí)測(cè)信息，并在此約束下，結(jié)合所構(gòu)建的巖石力學(xué)場(chǎng)，利用Petrel軟件開(kāi)展了三維地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬。

圖5魏家地煤礦單井地應(yīng)力剖面圖

模型加載主要采用遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力方式，結(jié)合目的層地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置地質(zhì)力學(xué)模型的邊界條件為：魏家地區(qū)最大主應(yīng)力梯度 0.0302MPa/m ，最小主應(yīng)力梯度 0.0186MPa/m ，最大主應(yīng)力方向 49^°N 。

應(yīng)力場(chǎng)建模結(jié)果表明，研究區(qū)三軸地應(yīng)力值隨著埋深增大而升高，不同深度整體地應(yīng)力分布類(lèi)似。 σ_H 介于 37～52MPa ，高值出現(xiàn)在研究區(qū)的中部，呈團(tuán)塊狀，低值出現(xiàn)在研究區(qū)的西南部和西北部，呈帶狀分布（圖6a）; σ_h 主要介于 9～15MPa ，高值出現(xiàn)在研究區(qū)中部，呈團(tuán)塊狀零星分布，低值同樣出現(xiàn)在研究區(qū)的西南部和西北部（圖6b）； σ_v 主要介于 6～17MPa ，高值出現(xiàn)在研究區(qū)的東南部和東北部，低值出現(xiàn)在研究區(qū)的西南部和西北部（圖6c）。

4 瓦斯抽采地質(zhì)控制

4.1煤層屬性空間特征

研究區(qū)內(nèi)煤層彈性模量高值區(qū)主要分布于1號(hào)背斜西段、2號(hào)向斜西段、3號(hào)背斜南翼及4號(hào)向斜北翼；低值區(qū)主要位于 F_1-2 斷層北側(cè)、研究區(qū)北東部（圖7。區(qū)內(nèi)煤層泊松比高值區(qū)主要分布于1號(hào)背斜東段、2號(hào)向斜西段、3號(hào)背斜東段；泊松比低值區(qū)主要分布于2號(hào)向斜北翼、4號(hào)向斜、 F_1-2 斷層以北地區(qū)。高彈性模量和低泊松比巖層的相對(duì)脆性較強(qiáng)，反之相對(duì)脆性較低。

參考煤層氣有利區(qū)優(yōu)選多因素疊合方法［34-35]，本次研究將彈性模量分區(qū)與泊松比分區(qū)進(jìn)行疊合，獲取煤層的相對(duì)脆性分區(qū)。其中，低泊松比和高彈性模量疊合區(qū)定義為“高脆性區(qū)”；高泊松比和低彈性模量疊合區(qū)定義為“低脆性區(qū)”；高泊松比和高彈性模量、低泊松比和低彈性模量疊合區(qū)定義為“中脆性區(qū)”。疊合結(jié)果顯示相對(duì)脆性較高煤層主要發(fā)育在1號(hào)背斜西段、 F₃ 斷層?xùn)|南部、3號(hào)背斜西段及4號(hào)向斜北翼；煤層相對(duì)低脆性區(qū)主要發(fā)育在1號(hào)背斜東段兩翼、2號(hào)向斜南翼及3號(hào)背斜北翼地區(qū) （圖7）。

4.2地應(yīng)力特征空間關(guān)系

σ_H 除在1號(hào)背斜西段和 F_1-2 斷層附近顯示為低值，其余位置整體顯示為高值； σ_v 在傾向上呈現(xiàn)出由南向北逐漸減小的趨勢(shì)，在走向上呈現(xiàn)出由西向東逐漸增高的趨勢(shì)，與煤層埋深相一致； σ_h 除零星出現(xiàn)低值區(qū)外，整體和 σ_v 相似（圖6）。

圖6水平最大主應(yīng)力（a）、水平最小主應(yīng)力（b）和垂向應(yīng)力（c）分布圖 Fig.6Maximumhorzontalprincipalstress （a），minimumhorzontalprimarystress（b）andverticalmainstress （c）distribution

圖7煤層彈性模量、泊松比和構(gòu)造煤類(lèi)型疊合圖 Fig.7Combination ofcoal seam elastic modulus，Poisson's ratio，and tectonic coal types

構(gòu)造活動(dòng)使得煤層煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并且伴隨裂隙的形成，裂隙開(kāi)啟和閉合的程度受到現(xiàn)今地應(yīng)力的控制。煤儲(chǔ)層裂隙的方向與斷層走向一致，整體上裂隙走向和 σ_H 方向垂直，不利于裂隙開(kāi)啟，因此瓦斯抽采需要布置合適的鉆孔以達(dá)到最優(yōu)抽采效果，尤其對(duì)于地面瓦斯預(yù)抽采，需要根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)。應(yīng)力模擬結(jié)果顯示 σ_H 遠(yuǎn)大于σ_h 和 σ_v ，因此水力壓裂過(guò)程中裂縫主要沿NE-SW方向擴(kuò)展，但裂縫網(wǎng)絡(luò)面平行煤層亦或垂直煤層方向仍受 σ_h 和 σ_v 相對(duì)大小的控制。

對(duì)Petre1軟件導(dǎo)出的圖片進(jìn)行二次處理，以獲取 σ_h 和 σ_v 的相對(duì)大小。首先設(shè)置 σ_h 由大至小顏色為“由紅色至白色”、 σ_v 由大至小顏色為“由白色至紅色”。將以上 σ_h 圖與 σ_v 圖疊合，并且圖片顏色均設(shè)置為 50% 透明度。基于以上操作獲取的復(fù)合圖紅色較深則代表“ σ_h 較大且 σ_v 較小”，復(fù)合圖白色較為顯著則代表“ 較小且 σ_v 較大”。

基于以上操作，分析認(rèn)為研究區(qū) σ_v 顯著大于σ_h 區(qū)域主要分布于1號(hào)背斜兩翼、2號(hào)向斜北西翼、3號(hào)背斜南翼、4號(hào)向斜北翼、 F_1-2 斷層與 F₃ 斷層之間。 σ_h 顯著大于 σ_v 區(qū)域主要分布于1號(hào)背斜東段、2號(hào)向斜西段、2號(hào)向斜東段南翼、3號(hào)背斜北翼、4號(hào)背斜東段。見(jiàn)圖8。

圖8水平最小主應(yīng)力與垂向應(yīng)力相對(duì)大小 Fig.8Relative magnitude of minimum horizontal primary stressand vertical stress

4.3 瓦斯抽采效果及機(jī)理探討

研究區(qū)前期開(kāi)展了部分煤礦瓦斯地面抽采試驗(yàn)，結(jié)果如表1、圖9所示，其中L型井水平段位于煤層并進(jìn)行射孔壓裂，直井壓裂層位同樣為煤層段。

表1瓦斯抽采效果統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of gas extraction effect

由表1可以看出，L型井水力壓裂方法瓦斯抽采效果并不理想，表現(xiàn)為產(chǎn)水量極高，并且基本不產(chǎn)氣（WJD-1L、WJD-2L）。直井水力壓裂方法瓦斯抽采效果同樣較差，但略?xún)?yōu)于L型井，表現(xiàn)為累計(jì)產(chǎn)氣量低 （996-32486m³ ，平均為 16741m³ ，同時(shí)累計(jì)產(chǎn)水量差異性顯著。

WJD-1L井和WJD-2L井基本不產(chǎn)氣，并且產(chǎn)水量較高，毫無(wú)疑問(wèn)L型井壓裂溝通了頂板含水層，地質(zhì)控因體現(xiàn)在該位置處頂板主要為砂巖層且距離斷層較近。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，WJD-1L井累計(jì)產(chǎn)水量約為WJD-2L井的4.5倍，也就是說(shuō)WJD-1L井水平段壓裂改造之后溝通頂板含水層更為顯著。然而，WJD-1L井和WJD-2L井顯著的差異性體現(xiàn)在：WJD-2L井煤層為低脆性，而WJD-1L井則為中脆性；WJD-2L井 σ_vlt;σ_h ，而WJD-1L井σ_vgt;σ_h（ 表1、圖10）。基于上述兩口井差異性及流體產(chǎn)出效果分析，認(rèn)為WJD-2L井脆性較低的煤層不利于裂縫的擴(kuò)展，同時(shí) σ_vlt;σ_h 狀態(tài)時(shí)，水力壓裂裂縫向上延伸程度較弱，因此表現(xiàn)為累計(jì)產(chǎn)水量較低；相反，WJD-1L井脆性相對(duì)較高的煤層有利于裂縫的擴(kuò)展，同時(shí) σ_vgt;σ_h 狀態(tài)，水力壓裂裂縫向上延伸程度較強(qiáng)，因此表現(xiàn)為累計(jì)產(chǎn)水量較高（圖10）。

圖9區(qū)內(nèi)煤層屬性、地應(yīng)力屬性及瓦斯抽采效果 Fig.9Coal seam properties，geostress properties，and gas extraction effectwithinthearea

對(duì)比WJD-1C井、WJD-7-1X井，二者產(chǎn)氣量差異性顯著，其中WJD-1C井累計(jì)產(chǎn)氣量為32486m³ ，WJD-7-1X井累計(jì)產(chǎn)氣量?jī)H為 996m³ 。進(jìn)而對(duì)比兩口井地質(zhì)差異性，二者煤層脆性差異同樣顯著，WJD-1C井壓裂煤層為中脆性，WJD-7-1X井壓裂煤層為低脆性；二者地應(yīng)力狀態(tài)存在較明顯的差異，其中 WJD-1C井 σ_vgt;σ_h ，相反，WJD-7-1X井σ_vlt;σ_h（ 表1、圖10）。基于以上分析，認(rèn)為WJD-7-1X井脆性較低的煤層同樣不利于裂縫的擴(kuò)展；地應(yīng)力相對(duì)大小對(duì)煤層瓦斯抽采起到控制作用，即σ_vgt;σ_h ”區(qū)，裂隙容易發(fā)生垂向延展，同時(shí)煤層與頂板巖層廣覆式接觸，煤層瓦斯可以由頂板運(yùn)移至井筒，因此瓦斯抽采效果相對(duì)較好；相比較而言，“ 區(qū)，瓦斯抽采井（WJD-7-1X井）抽采效果較差，其主要原因?yàn)樗毫堰^(guò)程中煤層內(nèi)裂隙垂向擴(kuò)展受限，進(jìn)而降低了煤層瓦斯向井筒附近運(yùn)移的效率，表現(xiàn)為瓦斯抽采較弱。

圖10直井和 L 型井瓦斯抽采流體運(yùn)移示意圖 Fig.10Schematic diagram of fluid migration in gas drainage for vertical wells and L-shaped wells

4.4瓦斯抽采地質(zhì)建議

對(duì)于原位區(qū)而言，瓦斯抽采主要通過(guò)人工壓裂裂縫向井筒匯聚，而L型井無(wú)疑可以擴(kuò)大人工壓裂裂隙在水平方向的影響范圍，因此原位區(qū)進(jìn)行L型并抽采方式效果更為顯著。考慮到頂板含水性，當(dāng)頂板為含水層時(shí)，無(wú)論煤層脆性如何，L型井均只適合選擇煤層水平段，同時(shí)壓裂規(guī)模應(yīng)較小，避免裂隙裂縫溝通含水層（圖10）。當(dāng)頂板為非含水層時(shí)，L型井水平段需要根據(jù)煤層脆性進(jìn)行判斷，若煤層脆性較強(qiáng)時(shí)，L型井水平段適合選擇煤層，壓裂后裂縫閉合程度弱且裂隙對(duì)煤層壓降作用顯著；相反，若煤層塑性較強(qiáng)時(shí)，L型井水平段適合選擇頂板巖層，通過(guò)向煤層定向射孔壓裂，以保證壓裂裂縫穩(wěn)定，同時(shí)達(dá)到構(gòu)造煤中瓦斯降壓抽采效果（圖10）。

另外，在研究區(qū)西南部煤礦開(kāi)采區(qū)施工了一口L型井（W-L井），累計(jì)瓦斯抽采量為 1991893m³ 且高產(chǎn)氣量時(shí)間較長(zhǎng)。該井井筒位置遠(yuǎn)離采動(dòng)工作面，水平段向采煤工作面延伸。隨回采，采動(dòng)裂隙范圍不斷向井筒位置擴(kuò)展，當(dāng)L型井水平段遠(yuǎn)端進(jìn)入裂隙帶后即可見(jiàn)氣，且見(jiàn)氣水平段長(zhǎng)度不段增長(zhǎng)，產(chǎn)氣效果增強(qiáng)。后期L型井水平段遠(yuǎn)端井身雖會(huì)發(fā)生破壞，但并不影響水平段近端瓦斯抽采效果，盡管有效抽采段距離縮小，但該過(guò)程中L型井水平段近端受采動(dòng)裂隙影響，瓦斯抽采效果較好。即：L型水平井高效抽采段 （卸壓影響裂隙帶）隨采煤工作面推進(jìn)而發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移，同時(shí)水平段遠(yuǎn)端發(fā)生逐級(jí)失效，但始終可保持有效抽采，提高了瓦斯抽采井服務(wù)周期。

基于研究區(qū)上述煤礦開(kāi)采卸壓區(qū)瓦斯抽采較好的實(shí)際情況，因此本次建議的原位瓦斯抽采L型井在水平段方向設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮后期煤礦開(kāi)采井巷設(shè)計(jì)情況，以實(shí)現(xiàn)后期L型井原位煤層瓦斯抽采和卸壓抽采“一井兩用”的目的。

5結(jié)論

（1）煤儲(chǔ)層脆性分區(qū)與應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型的空間耦合關(guān)系是決定壓裂裂縫擴(kuò)展模式的核心要素。高脆性煤層中裂縫易沿最大主應(yīng)力方向延展，形成高效瓦斯?jié)B流通道；低脆性煤層則需依賴(lài)L型井的定向卸壓作用實(shí)現(xiàn)解吸。該規(guī)律揭示了地質(zhì)條件-工程響應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，為建立“脆性指數(shù)-應(yīng)力類(lèi)型”雙參數(shù)并型選擇矩陣提供了理論基礎(chǔ)，尤其適用于構(gòu)造復(fù)雜礦區(qū)。

（2）頂板含水性、應(yīng)力狀態(tài)與煤層脆性構(gòu)成三維決策體系：當(dāng) σ_hgt;σ_v 時(shí)，水平裂縫優(yōu)勢(shì)發(fā)育使直井和L型井等效；當(dāng) σ_hlt;σ_v 時(shí)，裂隙不易在煤層中延展，建議采用L型井進(jìn)行瓦斯抽采；含水層存在則強(qiáng)制約束壓裂規(guī)模。

（3）現(xiàn)有研究對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)演化與井筒穩(wěn)定性的時(shí)空耦合機(jī)制揭示不足。建議后續(xù)研發(fā)地質(zhì)-工程-經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)優(yōu)化算法，量化“一井兩用”協(xié)同效益；建立基于微震監(jiān)測(cè)的裂縫擴(kuò)展實(shí)時(shí)修正系統(tǒng)。重點(diǎn)突破采掘擾動(dòng)對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)的時(shí)效性影響機(jī)制，形成可推廣的煤與瓦斯共采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

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（收稿日期：2024-10-20；修回日期：2024-12-05）

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