马堡煤业高压水力压裂冲孔工业试验分析

石 光

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)

水力压裂冲孔技术作为一种煤层压裂技术可以有效地提高煤层的渗透率,以此强化瓦斯的抽采效率。为达到理想的压裂效果,常采用数值模拟方法对水力压裂参数与工艺进行研究[1-5]。张玉等[6]以多孔介质渗流理论为基础,提出了基于有限容积法的水力压裂的数值模拟方法。刘嘉等[7]基于多孔弹性理论与最小能量原理建立了水渗流模型,并探究了不同地应力对裂纹扩展的影响。闫晓等[8]依托界面单元法建立了水力压裂模型,并对裂纹扩展机制进行了研究。杨晨旭[9]针对水力压裂过程中的岩石变形特性建立了三维水力压裂模型。郭欣等[10]假设瓦斯渗流符合达西定律与质量守恒定律,依托COMSOL软件探究了瓦斯有效抽采半径的影响因素。以上研究内容为水力压裂增透瓦斯抽采提供了大量的研究基础,为探究马堡煤业水力压裂冲孔增透的适用性,采用数值模拟方法探究了不同注水压力条件下裂纹扩展特性,并以8205运输巷底抽巷为试验对象开展了穿层水力压裂增透工业试验。

1 高压水力压裂冲孔数值模拟

高压水力压裂增透技术会影响抽采钻孔围岩应力,并使其重新分布,重新分布的应力场会导致抽采钻孔周围裂隙发育,而裂缝发育程度是影响瓦斯抽采效果的主要因素。使用数值模拟软件RFPA2D-Flow对高压水力压裂后抽采钻孔周围的水压力进行仿真,并结合马堡煤矿的现场实际,通过建立穿层钻孔高压水力压裂物理模型,研究不同注水压力情况下,高压水压致裂裂纹扩展发育状态,可为现场高压水力压裂技术的工业性试验提供指导。

1.1 数值模型的建立

使用RFPA2D-Flow数值模拟软件,结合马堡矿8号煤实际情况,建立单孔穿层钻孔高压水力压裂物理模型,如图1所示。物理模型是沿着煤层倾向建立的,尺寸10 m×2 m,代表煤层厚度2 m,倾向方向长为10 m,煤层瓦斯压力为0.186～0.685 MPa,钻孔与煤层夹角为30°,钻孔直径为0.113 m,岩性参数如表1所示。在RFPA2D-Flow中设置初始注水压力分别为3 MPa、8 MPa、13 MPa、18 MPa.

表1 水力压裂数值模型力学参数

图1 数值模拟模型

1.2 水力压裂冲孔模拟结果分析

图2表示了穿层钻孔在不同注入高压水过程中,钻孔周围应力场变化情况,图中黑色区域表示钻孔附近的裂隙。图2(a)中,注水压力为3 MPa,此时钻孔周围并无裂隙产生。图2(b)中,注水压力增加至8 MPa,此时钻孔周围裂隙萌生出微小裂隙,只在抽采钻孔与煤层交点位置有小部分的裂隙。图2(c)中,注水压力增加为13 MPa,此时裂隙迅速扩展,在钻孔和煤层底部交点位置萌生较多裂隙。图2(d)中,注水压力为18 MPa,钻孔出现明显的扩裂,最大影响距离为1.76 m(只有1个穿层钻孔,附近无穿层钻孔的条件)。

图2 不同注水压力条件下单孔水力压裂冲孔效果

综上分析可知,在马堡煤业煤层条件下,注水压力为8 MPa时可使煤层产生初始破坏,注水压力为13 MPa时可使裂隙快速扩张,注水压力为18 MPa时可使煤层裂隙达到充分破坏。

2 水力压裂冲孔工业试验

2.1 水力压裂钻孔设计

选取8号煤层的8205运输巷底抽巷作为试验对象。此工作面回风巷高、运输巷低,平均落差为27 m.走向长度为1 130 m(可采推进长度1 100 m),倾向长度为160 m,面积为203 400 m2.工作面以真方位角38°布置。工作面东侧为8204采空区,地面标高为+1 268～+1 279 m.巷道宽为4 m,高为3 m,主要用于8205运输巷区域预抽钻孔施工用。每8个钻孔为一组,钻孔设计剖面图如图3(a)所示。每组钻孔布置上、下两排钻孔,每排各布置4个钻孔,共计8个孔。孔间距为1 m,排间距为0.5 m,钻孔直径为113 mm,钻孔深度35～67 m.钻孔开孔位置如图3(b)所示,钻孔参数如表2所示。

表2 8205运输巷底抽巷穿层钻孔参数

图3 底抽巷水力压裂钻孔布置图

2.2 设计方案数值模拟分析

2号孔水力压裂时,邻近的1号孔、3号孔未进行水力压裂。2号孔与1号孔、3号孔终孔位置距离均为5 m、5 m,1号孔、2号孔、3号孔进入煤层角度分别为30°、26°、23°.在数值模拟软件中建立20 m×2 m的模型,初始水压由8 MPa逐渐增加至18 MPa时,裂隙扩展规律如图4所示。图4(a)中,注水压力为8 MPa时,钻孔附近无明显裂隙。图4(b)中,注水压力为13 MPa,在2号孔与见煤段中间位置萌生了裂隙,2号钻孔附近裂隙发育明显。图4(c)中,注水压力18 MPa,2号孔和左侧的1号孔有明显的裂隙导通。2号孔进行高压水力压裂,邻近的1号孔、3号孔未进行水力压裂的条件下,当注水压力为18 MPa时,2号孔和1号孔之间发育裂隙并且导通,压裂范围经测量为2.87 m.

图4 1号、2号、3号钻孔水力压裂冲孔规律

4号孔、5号孔位于运输巷的两侧,主要用于运输巷的卸压,可以有效避免巷道掘进导致的煤与瓦斯突出现象,在数值模拟软件中建立24 m×2 m的模型,初始水压由8 MPa逐渐增加至18 MPa时,裂隙扩展规律如图5所示。

图5 4号、5号钻孔水力压裂冲孔规律

图5(a)中,注水压力为8 MPa时,钻孔附近已经出现裂隙,相比于1号、2号、3号钻孔的裂隙起裂压力更小。图5(b)中,当注水压力为13 MPa时,两钻孔之间的裂隙出现明显的联通趋势,并且快速扩展。当注水压力达到图5(c)中所示的18 MPa时,两钻孔之间的裂隙已接近于完全贯通。根据实际测量可知,当注水压力为18 MPa时,压裂范围为1.36 m.

7号孔水力压裂时,邻近的6号孔、8号孔未进行水力压裂。7号孔与6号孔、8号孔终孔位置距离均为5 m、5 m,6号孔、7号孔、8号孔进入煤层角度分别为18°、17°、15°,设计见煤长度分别为6.8 m、7.4 m、8.0 m.

在数值模拟软件中建立26 m×2 m的模型,初始水压由8 MPa增加至13 MPa时,裂隙扩展规律如图6所示。图6(a)中,注水压力为8 MPa,裂隙迅速发育。图6(b)中,注水压力为13 MPa时,7号孔与6号孔裂隙已经导通。由以上分析可得:7号孔进行高压水力压裂,邻近的6号孔、8号孔未进行水力压裂时,压裂范围为1.13 m.

图6 6号孔、7号孔、8号钻孔水力压裂冲孔规律

2.3 设计方案工业试验分析

上述数值模拟实验已经验证了设计的水力压裂冲孔技术参数具有较好的压裂效果。因此,在8205运顺巷底抽巷250 m位置处,施工第40组穿层钻孔作为试验钻孔,开展试验研究,水力压裂钻孔的注水持续时间均为30 min.

2号穿层钻孔注水压力提升至15 MPa时,由于现场条件限制,停止了注水,维持30 min后,附近其他的钻孔并无返水的情况,表明此压裂钻孔的裂纹扩展区域未达到邻近钻孔。4号穿层钻孔注水压力为15 MPa时,邻近的钻孔并无水渗流情况。5号穿层钻孔注水压力为18 MPa,附近的第39组4号钻孔内开始出水,表明两钻孔间形成贯穿裂隙通道。7号穿层钻孔注水压力为10 MPa, 6号钻孔有少量返水,裂隙已经发育,但扩展不是很大。由于第40组的5号钻孔与第39组的4号孔裂隙导通,而两组钻孔的间距约为1.1～4.45 m,由此判断出水力压裂的裂隙影响范围为1.1～4.45 m.由此可知,工业试验的结果与数值模拟的结果较为相近。

3 瓦斯抽采效果分析

为检验水力压裂冲孔技术的实际增透效果,以第40组穿层钻孔为例,开展了30 d的瓦斯抽采监测。为对比分析抽采效果,选取距水力压裂钻孔外侧100 m位置的第17组钻孔作为对照。最终得到30 d的瓦斯体积分数演化曲线如图7所示。

图7 压裂钻孔与未压裂钻孔抽采体积分数曲线

通过对比分析可知,10月27日至11月8日,两组钻孔的瓦斯体积分数均处于高位,压裂组单孔平均体积分数为18.36%,未压裂组单孔平均体积分数为3.4%.压裂组单孔平均抽采体积分数是未压裂组单孔平均体积分数的5.4倍。11月8日至11月22日,压裂组和未压裂组抽采体积分数都有衰减,压裂组和未压裂组平均抽采体积分数分别为8.15%、4.28%,压裂组是未压裂组平均抽采体积分数的1.9倍。整个观测期间内,单孔平均抽采体积分数压裂组是未压裂组的14.26%/3.75%≈3.8倍。

4 结 语

1) 根据马堡煤业8号煤层的地质情况,依托RFPA2D-Flow模拟了3 MPa、8 MPa、13 MPa、18 MPa注水压力条件下的钻孔裂纹扩展情况。分析得出,注水压力为8 MPa可使煤层产生初始破坏,注水压力为13 MPa可使裂隙快速扩张,注水压力为18 MPa可使煤层裂隙达到充分破坏。

2) 采用数值模拟方法分析了穿层钻孔的压裂裂纹扩展规律,2号孔注水压力为18 MPa时,压裂范围经测量为2.87 m.4号孔、5号孔注水压力为18 MPa时,压裂范围为1.36 m.7号孔注水压力为13 MPa时,压裂范围为1.13 m,与工业试验结果较为接近。

3) 经瓦斯抽采效果对比分析,水力压裂钻孔组平均抽采体积分数是无水力压裂钻孔组的3.8倍。