W-S-W 水力压裂技术在瓦斯抽采中的模拟与实践

曾祥斌

（山西石涅招标代理有限责任公司，山西 晋城 048006）

水力压裂技术在煤层气开采、水利建设等方面已经有众多成功的应用实例，技术成熟。煤炭资源的开采逐步加深，地应力影响显著，当开采高瓦斯煤层时难度越发加剧，对煤岩体实施水力压裂从而帮助瓦斯抽采有着良好的研究前景[1-2]。在已有案例中发现，水力压裂技术可以更好地提高煤岩体的透气性，但在实践中，常规的水力压裂工艺对深部围岩尤其是采深超过500 m 的煤层效果并不明显。为改善深部围岩水力压裂增透效果，笔者参考相关文献资料，发现“水-砂-水”（ W-S-W） 水力压裂强化增透技术对较深煤层的瓦斯抽采有一定的帮助，并对其压裂增透的应用效果进行考察[3]。

1 W-S-W 水力压裂技术介绍

当对浅部围岩进行常规水力压裂处理后，由于煤岩体内形成的水力裂缝受地应力影响较小，不易闭合，透气性提升明显；但对深部围岩尤其是埋深超过500 m 的岩层进行常规水力压裂时，由于围岩地压较高，水力裂缝容易被压缩甚至闭合，造成缝隙张开度不足，大大降低后期的瓦斯抽采效果。

W-S-W（Water-Sand-Water）水力压裂增透技术，即水-砂-水混合分步压裂，其本质是一种强化增透技术，具体包括3 个步骤。步骤1：初次常规水力压裂阶段。首先对煤岩体采用常规水力压裂进行处理，直至造成初次压裂并出现水力裂缝，同时保证水力裂缝与煤岩其他裂隙相通。步骤2：支撑剂（砂石）压裂阶段。为维持初次水力压裂所产生的裂缝状态，将采用由一定比例配制而成的支撑剂（石英砂）对缝隙进行再次压裂，支撑剂的固液混合体不断对煤体造成填充、扩张的影响，同时对裂缝起到支撑作用，而不至于受地应力的作用发生闭合。步骤3：再次常规水力压裂阶段。对已出现裂缝的区域进行重复压裂，这样不仅可以再次增大已有的裂缝，还可以使步骤2 的支撑液在水力的驱动下向裂缝深部渗入，促使裂缝充分的发育扩张，增大煤岩的透气性。

2 水力压裂增透数值模拟

在对矿井进行水力压裂前需要对预裂效果进行评估，并根据模拟结果判断该煤（岩）层的瓦斯抽采是否适合使用水力预裂。RFPA2D-flow 是一款岩石损伤力学破裂过程的模拟软件，可以准确地模拟水力压裂过程中裂隙的发育、延伸和渗透等规律[4]。

2.1 模型的建立

本次数值模拟以位于晋城市的唐安煤矿为研究对象，该矿生产能力180 万t/a，瓦斯等级高瓦斯矿井，目前开采3 号煤层，开采水平+752 m，采深超过500 m。为研究水力压裂对3 号煤层煤岩体的非均匀性受压的影响过程，建立了均质度m=20 的数值计算模型。在模拟的计算过程中，渗流分析采用稳态分析，煤岩体采用弹性软化损伤模型，钻孔内的初始孔压P为0.0 MPa，并且以1 MPa/step 的压力递增。模型的水平压力和垂直压力计算得10.5 MPa 和15.5 MPa，并以此为边界条件，其他参数见图1、表1。

图1 数值计算模型尺寸

表1 模型初始参数的设置

2.2 数值模拟的孔隙水压力分布云图

图2（a～d）表示在均质度m=20 时，煤岩体在钻孔水压作用下产生压裂直至破坏损伤的孔隙压力分布图，数据总迭代步数为99。

根据模拟计算，水力压裂主要以纵向裂缝扩展为主，沿着水压裂缝扩展的方向上钻孔布置可相对稀疏，而垂直水压裂缝扩展方向的钻孔相对稠密，以达到瓦斯抽采经济、可靠的目的。压裂大致分为三个阶段，图2（a）为预裂阶段：此阶段模型受压较小，孔边应力和孔隙水压力基本呈线性增加，近钻孔位置的水压分布接近于圆形；图2（b）、（c）为稳定扩展阶段：当水压在14 MPa时产生破坏裂纹，并在水压再迭代一定步数后保持稳定扩展；图2（d）为失稳破裂阶段：随着水压的增大，煤岩体受破坏的区域急剧增多，高水压和高应力区域沿裂纹尖端前移，直至煤岩体发生完全失稳破坏。

2.3 瓦斯抽采的影响分析

在压裂孔形成后，瓦斯含量将以裂孔为中心形成瓦斯低量区、富集区和常规区域。通过模拟发现，其中瓦斯含量富集区的分布形态与水力压裂所造成的孔隙水压力分布图基本一致。这说明在对煤岩体进行水力压裂后，煤岩体的空隙再一次扩张，瓦斯的运移与受压状态成正比关系，在裂缝周围形成了更广阔的瓦斯运移通道。同时，原本相对稳定赋存的瓦斯在水力压裂的刺激下，其流动特性得以充分释放[5]。该模拟结果说明水力压裂技术可以很好地提升唐安煤矿3 号煤层的煤岩体内的瓦斯抽采效果。

3 W-S-W 水力压裂技术及现场试验研究

3.1 工程地质条件

唐安煤矿3 号煤层位于山西组下部，部分区域的埋藏深度超过500 m，煤层厚度3.06～6.76 m，平均厚5.75 m，为稳定可采的简单结构煤层。

3.2 水力压裂钻孔布置及分析

水力压裂的施工地点为唐安煤矿3 号煤层3302工作面，在底抽巷钻场内施工，距顶板0.7 m 处起钻，水力压裂孔的孔径90 mm 以内。本次井下压裂增透将分三个阶段进行：

阶段1：常规水力压裂阶段。唐安煤矿单泵进行常规水力压裂施工，水压保持在（20±1） MPa的范围，持续压裂4.5 h，压入水量约55 t。第1 阶段压裂完成后检查巷道渗水情况，发现周围岩体并无明显渗水征兆后实施第2 阶段。

阶段2：含支撑剂（石英砂） 水力压裂。将含有一定比例支撑液的20 t 固液混合物在水压25 MPa的工况下压入裂缝，预计施工时间1.5 h。在支撑剂注入完成后可发现，阶段1 所形成的水压裂缝不再受地应力影响而闭合，与更深层次的原生裂缝相贯通，煤岩体的透气性进一步得以提高。在压裂结束后观察压裂处并无明显掉渣和渗水情况后进入第3阶段。

阶段3：常规水力压裂。重复进行阶段1 的操作，提高水压至30 MPa，压裂时间5 h，压入水量 50 t。支撑液进一步深入水压裂缝与原生缝隙中，水力压裂结束后观察，发现仅在距压裂点东西方向巷道帮部出现水渍和轻微掉浆，水力压裂工作完成。

3.3 水力压裂效果对比

为对比W-S-W 水力压裂增透技术的效果，在该巷道北侧200 m 处未进行压裂的区域进行常规水力压裂。在两处压裂结束后，分别对两处的压力区域以孔径50 m 进行煤体取样，分别测对比煤样的瓦斯含量、瓦斯抽采量等特性。

对W-S-W 水力压裂与常规水力压裂技术的对比结果如图3 所示。瓦斯抽采量与瓦斯体积分数的同期数据均随抽采时间经历了3 个阶段的变化，即上升期、回落期和稳定期。如图3（a），两种技术达到峰值的时间均在8～10 d，随后回落，并进入稳定抽采期。但与常规的水力压裂技术相比，无论是从峰值（1.28 m3/min）还是从进入稳定期（0.73 m3/min）的瓦斯平均抽采量来看，W-S-W 水力压裂技术都呈现出大幅增长的态势。如图3（b），W-S-W水力压裂技术区域内煤层的瓦斯体积分数最高可达83%，较常规水力压裂技术（48%）提高了73%；稳定期平均抽采瓦斯体积分数35.8%，较常规水力压裂技术（13.9%）提高了61.1%。

图3 两种水力压裂技术效果对比图

4 结论

（1）对于高瓦斯矿井，水力压裂技术可以很好地对煤岩体造成破坏从而产生裂缝，让瓦斯更好地扩散，利于瓦斯抽采能力的提升。

（2）经过RFPA2D-flow 模拟软件对唐安煤矿3 号煤层损伤破裂过程的分析，发现在井下应力的综合作用下，裂缝主要以纵向裂缝扩展为主，因此在钻孔的布置上沿纵向的可相对稀疏，而裂缝水平扩展方向的钻孔则需相对密集，从而达到瓦斯的经济高效抽采。

（3）对于埋藏较深的煤岩体，W-S-W 水力压裂技术较传统水力压裂技术拥有更好应用效果，通过对裂缝的深入支撑作用，从而提升瓦斯抽采效率。在进入抽采稳定期后瓦斯抽采量和抽采瓦斯体积分数分别提高了82.5%和61.1%，并可以持续稳定抽采40 d 左右，瓦斯抽采效果明显。