穿层钻孔水力压裂卸压增透相似模拟实验研究

宁保平（安徽理工大学 能源与安全学院,安徽 淮南 232001）



穿层钻孔水力压裂卸压增透相似模拟实验研究

宁保平
（安徽理工大学 能源与安全学院,安徽 淮南 232001）

摘 要：通过相似模拟实验，针对高瓦斯低透气性煤层穿层钻孔水力压裂卸压增透技术进行了研究和分析。利用相似模型对淮南13-1煤层建立2个模型进行相似模拟实验研究。通过分析实验过程中水压数据变化、应力应变数据变化以及电阻率测试系统数据结合实验现象得出了试块的初次破裂压力、裂缝的张开压力以及压裂过程中应力的集中、应力的转移和应力的重新分布的结论。

关键词：低透气性煤层；水力压裂；卸压增透；相似模拟

在煤矿安全生产过程中，瓦斯一向是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一[1]。目前，通过瓦斯抽采，减少煤层中的瓦斯含量，是防治瓦斯灾害的重要举措[2]。然而，煤层开采深度的不断增加，使煤层透气性急剧性降低，从而使得瓦斯的抽采受到严重的影响。因此，如何提高煤层的透气性成为实现煤矿安全高效生产的重要措施[3]。

本文主要针对水力压裂增透机理研究上存在的问题和不足，采用水力压裂相似模拟试验[4]，着重研究压裂过程中水的运移轨迹，水压对煤层顶底板的应力场的扰动规律以及瓦斯的运移轨迹等，探讨水力压裂影响的位置区段的“渗流场、瓦斯场、应力场”的重新分布的规律，完善水力压裂的增透机理[5]。本论文选题对水力压裂增透机理的研究以及压裂工艺的改良具有理论指导的作用[6]。

1 相似模拟实验

1.1 实验装置

实验设备为长方体箱体，其四周壁面和底部是由10mm 的Q345钢板焊接而成，箱体的内部空间尺寸是长500mm宽500mm高600mm，按照1:30的几何相似比，该实验腔体可模拟15m×15m×18m范围的现场煤岩体。实验系统设计如图1所示：

如图设计连接，同时将各数据线接入YE2539高速静态应变仪。

2 相似模拟实验的结果与分析

2.1 水压数据分析

本次分为两个类型四次实验进行，前两次千斤顶未施加压力进行水力压裂实验以及经放水后再次进行水力压裂实验，后两次千斤顶施加压力的同时进行水力压裂实验以及经放水后再次进行水力压裂实验。第一次实验箱体内试块水力压裂过程中的水力压裂孔水压与随时间的变化关系如图2所示。

随着钻孔里面的水被迅速注满，开始时水压力迅速升高，在第78s 时，水压力达到最大值1.0MPa，之后水压短暂处于高峰值，水力压裂孔位置开始发生孔口破裂，并且由于孔口破裂破裂导致储液空间开始突然变大，水压力出现急剧的下降，在短时间内降至0.7Mpa。此后，维持在0.6MPa与0.5MPa之间来回变动，水压裂缝的每一次的拓展都会同时伴随水压力的对应上升和下降。随着水的继续注入，达到储液空间的压力重新平衡后，水压不会再继续下降,开始又一次升高，水压裂缝进一步开始增加。水压力到达最大之后出现下降直到一稳定值，该压力就是裂缝张开的压力，一直到注水结束，水压的最大值就是试块的初次破裂压力。

第二次实验箱体内试块在经过放水后，又重新进行压裂，水力压裂过程中的水力压裂孔水压与随时间的变化关系如图3所示。

随着钻孔里面的水被迅速注满，开始时水压力迅速升高，在第62s时，水压力达到最大值0.7MPa，水力压裂孔位置开始发生孔口破裂，并且由于孔口破裂导致储液空间开始突然变大，水压力出现下降，在短时间内降至 0.6MPa，之后维持一段时间。此后,水压力维持在0.6MPa与0.5MPa之间来回变动，之后在0.5MPa维持一段时间。水压裂缝的每一次的拓展都会同时伴随水压力的对应上升和下降。随着水的继续注入，达到储液空间的压力重新平衡后，水压不会再继续下降，开始又一次升高，水压裂缝进一步开始增加。水压力到达最大之后出现下降直到一稳定值，该压力就是裂缝张开的压力，一直到注水结束，水压的最大值就是试块的初次破裂压力。

第三次实验箱体内试块水力压裂过程中的水力压裂孔水压与随时间的变化关系如图4所示。

随着钻孔里面的水被迅速注满，开始时水压力迅速升高，在第66s时，水压力达到最大值1.7MPa，水力压裂孔位置开始发生孔口破裂，并且由于孔口破裂破裂导致储液空间开始突然变大，水压力出现急剧的下降，在短时间内降至 1.4MPa。此后，维持在1.3MPa 与1.2MPa之间来回变动，后来在1.2MPa与1.1MPa之间来回变动。水压裂缝的每一次的拓展都会同时伴随水压力的对应上升和下降。随着水的继续注入，达到储液空间的压力重新平衡后，水压不会再继续下降，开始又一次升高，水压裂缝进一步开始增加。水压力到达最大之后出现下降直到一稳定值，该压力就是裂缝张开的压力，一直到注水结束，水压的最大值就是试块的初次破裂压力。

第四次实验箱体内试块在经过放水后，又重新进行压裂，水力压裂过程中的水力压裂孔水压与随时间的变化关系如图5所示。

随着钻孔里面的水被迅速注满，开始时水压力迅速升高，在第44s时，水压力达到最大值1.2MPa，之后水压维持在1.2MPa，在第270s水压力出现下降，降至 1.1MPa，此后在1.2MPa与1.1MPa之间来回变动，之后在1.2MPa开始维持一段时间。水压裂缝的每一次的拓展都会同时伴随水压力的对应上升和下降。随着水的继续注入，达到储液空间的压力重新平衡后，水压不会再继续下降，开始又一次升高，水压裂缝进一步开始增加。水压力到达最大之后出现下降直到一稳定值，该压力就是裂缝张开的压力，一直到注水结束，水压的最大值就是试块的初次破裂压力。

2.2 应力和应变的情况分析

第一次实验可以得出：煤层的应变数据虽波动较大，但整体呈现上升趋势，煤层形变逐渐变大，顶底板的应力数据有上升也有下降，可以看出在水力压裂过程中，煤层顶底板出现应力的转移和应力的重新分布。

第二次实验可以得出：煤层的应变数据波动较大，整体维持在一个范围波动，煤层形变由于第一次压裂已达到一定程度，并且由于前次的湿润，煤层弹性形变能力增大。顶底板的应力数据有上升也有下降，可以看出在水力压裂过程中，煤层顶底板出现应力的转移和应力的重新分布。

第三次实验可以得出：煤层的应变数据虽波动较大，但整体呈现上升趋势，煤层形变逐渐变大，顶底板的应力数据有上升也有下降，但整体呈现上升趋势，局部测点波动中又出现正态分布的峰值，可以看出在水力压裂过程中，煤层顶底板出现应力的集中、应力的转移和应力的重新分布。

第四次实验可以得出：煤层的应变数据波动较大，整体维持在一个范围波动，但水力压裂孔下方的测点在开泵与停泵时随水压剧烈变化也出现剧烈变化。顶底板的应力数据有上升也有下降，可以看出在水力压裂过程中，煤层顶底板出现应力的转移和应力的重新分布。

2.3 裂隙发育情况及水的运移轨迹分析

水力压裂实验结束后，将煤层顶板去除，并且将煤层断面剖开后，对裂隙发育情况及水的运移轨迹进行分析。

水力压裂实验结束后，在水力压裂孔周围可以看到明显的裂隙分布，因为水中加有滑石粉所以水渗透到的地区会留下明显的白色痕迹。在煤层不同深度的切面，被滑石粉染色的程度差别很大，越靠近水力压裂孔出水孔的位置被染色的程度越深。因此可以推测出水的运移轨迹是以水力压裂孔出水孔的位置为中心，往外不断拓展。裂隙以水力压裂孔为中心向外延伸，因此可以推测水力压裂实验后煤层裂隙发育情况良好。

3 结论

通过煤层的水力压裂卸压增透相似模拟实验，对相关参数的研究和分析得出以下结论：

（1）水力压裂实验结束后，水渗透到的地区会留下明显的白色痕迹。在煤层不同深度的切面，被滑石粉染色的程度差别很大，越靠近水力压裂孔出水孔的位置被染色的程度越深。因此可以推测出水的运移轨迹是以水力压裂孔出水孔的位置为中心，往外不断拓展。在水力压裂孔周围可以看到明显的裂隙分布，裂隙以水力压裂孔为中心向外延伸，同时结合电阻率测试系统的数据分析可以推测出水力压裂实验后煤层内部裂隙发育情况良好。

（2）随着钻孔里面的水被迅速注满，水压力迅速升高，水压力达到最大值后短暂处于高峰值，随后水力压裂孔位置开始发生孔口破裂，水压力出现下降，之后水压力开始维持一段时间稳定并开始呈现周期性的上升与下降，水压裂缝的每一次的拓展都会同时伴随水压力的对应上升和下降。第一个水压力的最大值即为试块的初次破裂压力，周期性的上升与下降的水压力值即为裂缝的张开压力。

（3）结合电阻应变砖和微型土压力盒测得的数据，总结出煤体应变在初次压裂时呈现整体增加的趋势，之后煤体被湿润后煤体的弹性形变能力增大。同时总结出在水力压裂过程中，煤层顶底板出现应力的集中、应力的转移和应力的重新分布。

参考文献：

[1]陈东科,王璐,金龙哲等.煤矿防治瓦斯技术的发展特征[J].煤矿安全,2005,36(09):61-62.

[2]赵磐.凤凰山矿15号煤层“U”型综采工作面瓦斯治理研究与应用[D].太原:太原理工大学,2013:6-8.

[3]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州,中国矿业大学出版社,1992:148-149.

[4]连志龙,张劲,吴恒安等.水力压裂扩展的流固耦合数值模拟研究[J].岩土力学,2008,29(11):3021-3026.

[5]闫金鹏,刘泽功,姜秀雷等.高瓦斯低透气性煤层水力压裂数值模拟研究[J].中国安全科学生产技术,2013,9(08):27-32.

[6]付江伟.井下水力压裂煤层应力场与瓦斯流场模拟研究[D].北京：中国矿业大学,2013,5-8.

作者简介：宁保平（1989-），男，安徽理工大学在读硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯灾害防治。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.219