王志榮,郭志偉，徐培遠，陳玲霞

(1.鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001；2.河南省煤田地質局，河南 鄭州 450053；3.河南省能源鉆進工程技術研究中心，河南 鄭州 450053)

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九里山煤礦垂直井起裂壓力對煤層氣產(chǎn)能的影響

王志榮1,郭志偉1，徐培遠2，3，陳玲霞1

(1.鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001；2.河南省煤田地質局，河南 鄭州 450053；3.河南省能源鉆進工程技術研究中心，河南 鄭州 450053)

為了總結豫北焦作礦區(qū)九里山煤礦煤層氣井壓裂抽采試驗的成功經(jīng)驗與失敗教訓，基于彈性平面應變理論和數(shù)值模擬方法，討論了煤巖體壓裂縫的形成與發(fā)展機理，并推導了“三軟”煤層壓裂抽采井在不同地質條件下的起裂壓力計算公式。通過對比計算結果與實際抽放試驗資料，認識到在張性斷裂構造發(fā)育的大水礦區(qū)，過大的壓裂措施使煤層氣井筒附近煤儲層隔水底板受到較為嚴重的損傷，壓裂縫轉向底板太原組L7-8巖溶含水層, 導致大量地下水涌入地面采井。從產(chǎn)能效果看，強烈的地下水徑流作用，使原先游離于儲層空隙中的煤層氣逸散殆盡，孔隙水壓也使得大量吸附于裂隙中的煤層氣難以解析，因而無法形成長期穩(wěn)定的單井規(guī)模產(chǎn)量。

九里山煤礦；“三軟”煤層；煤層氣垂直井；起裂壓力

我國是世界上少數(shù)幾個煤與瓦斯突出極其嚴重的國家，特別是河南省“三軟”大水礦區(qū)，晚石炭與中奧陶統(tǒng)巖溶水發(fā)育且各層水力聯(lián)系較為復雜[1]，主采二1煤層變形強烈、滲透率極低，瓦斯與突水事故頻發(fā)[2～3]。隨著“能源安全”與“環(huán)境保護”上升到國家戰(zhàn)略層面，復雜地質條件下煤層氣的開采技術研究已經(jīng)迫在眉睫[4]。

水力壓裂增透技術作為煤層氣抽采的主要方法之一，能有效地增加煤層透氣性，提高煤層氣抽采率，從而徹底解決礦井瓦斯地質災害問題。水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)于1947年在美國首次進行，由于增產(chǎn)效果十分顯著[5]，在我國低滲透煤層氣氣田的開發(fā)過程中得到了不斷改進和迅速發(fā)展[6～7]。我國從1970年開始在陽泉、撫順、焦作等煤礦開展了地面和井下鉆孔煤層水力壓裂抽放瓦斯試驗，并取得很好的產(chǎn)能提高效果。然而，在河南省焦作大水礦區(qū)，抽采試驗雖然取得了不少成功經(jīng)驗，也揭示出一些嚴重的地下水害問題，如許多地面井壓裂后觸及含水層而誘發(fā)涌水現(xiàn)象[8～9]。近年來，壓裂作用對地下水循環(huán)以及地面井產(chǎn)能的影響一直是復雜大水礦區(qū)非常規(guī)天然氣開發(fā)的熱點問題[10～11]，本文通過總結若干試驗井抽采的經(jīng)驗教訓，推導了復雜地質條件下地面井起裂壓力的計算公式，并分析了焦作試驗區(qū)鉆井涌水與產(chǎn)能二者相互關系，為大水礦區(qū)高效利用煤層氣資源起到一定示范作用。

1 地質背景

九里山煤礦位于焦作煤田中部核心區(qū)段，單斜構造，產(chǎn)狀平緩，傾向南東150°左右，傾角10°～16°。區(qū)內發(fā)育兩組斷裂構造，一組為NEE向，主要有馬坊泉斷層；另一組為NW向傾向斷層，主要有方莊斷層和魏南斷層。上述兩組斷層均屬張扭性高角度正斷層，構成礦區(qū)充水邊界(圖1)。

圖1 焦作九里山礦區(qū)水文地質略圖Fig.1 Hydrogeological map of the Jiulishan mining area1—井田邊界；2—斷層上下盤；3—第四系孔；4—L8孔；5—L2孔； 6—O2孔；7—推測斷層；8—鐵路

氣源巖二1煤層厚度集中在3.00～7.00 m，含氣性極好，達10～38 m3/t，埋深一般250～750 m，為煤層氣開采的較佳深度。礦區(qū)水文地質條件復雜，底板突水風險較大。直接充水含水層L8灰?guī)r平均厚8.44 m，上距二1煤層20～25 m。1982年以來礦井共突水24次，最大突水強度為3226 m3/h，其中底板石炭系L8灰?guī)r突水達19次，占總數(shù)的80%。

2 “三軟”煤層起裂壓力

2.1 煤層變形特征

在我國采礦界，使用“三軟”煤層這一術語雖然由來已久，但至今尚無公認的確切定義。通常認為，“三軟”煤層指一定開采技術條件下由軟煤、軟頂和軟底構成的特殊地質體。

“三軟”煤層的核心內容是軟煤。軟煤的通俗含義即受構造作用改造，強度低、變形大且易破碎的煤體。也就是說，軟煤即地質意義中的構造煤，是在一期或多期構造應力作用下，在一定的工程環(huán)境中，煤體的原生結構、構造遭到不同程度的破壞，同時引起物理力學性能極大變化的一類煤。從瓦斯地質學角度，構造煤尚包括瓦斯含量、瓦斯壓力及瓦斯?jié)B透性能等物性內容，因而是煤層氣開發(fā)領域的一個綜合性范疇。

試驗區(qū)二1煤層呈復雜結構，是我國典型的“三軟”煤層。據(jù)毗鄰恩村井田CQ6參數(shù)井揭露，上部5.40 m為塊狀煤，節(jié)理發(fā)育，堅固系數(shù)f為0.2～0.5；下部2.15 m為粉狀煤，堅固系數(shù)f<0.12。粉狀煤體質松性脆，揉搓現(xiàn)象嚴重，碎裂后斷面光滑，伴生有大量摩擦鏡面、擦痕及擦槽。根據(jù)曹代勇等[12]提出的構造煤變形序列劃分方案，塊狀煤裂隙發(fā)育，應屬Ⅰ- II類構造軟煤，即碎裂- 碎斑煤；而粉狀煤極其破碎，則屬典型的Ⅳ類碎粒煤。

2.2 模型推導

注水壓裂技術就是借鑒地面油氣井壓裂工藝，一般在地面布置壓裂孔，沿一定方向進行水力壓裂，然后進行抽采的一種油氣井增產(chǎn)、注水井增注的重要技術措施。該技術依靠水力能量憋壓，將地層壓開一條或多條水平或垂直裂縫，然后用支撐劑(礫石)支撐裂縫，形成高導流能力通道，從而達到增產(chǎn)增注目的。然而，九里山煤礦水文地質條件復雜，如果地面起裂壓力過大，壓裂縫穿過底板隔水層，則會觸及L8巖溶含水層甚至邊界充水斷層，從而引發(fā)地下水涌出、煤層氣滲漏、地面沉降以及礦區(qū)誘發(fā)地震等地質災害(圖2)。

圖2 大水礦區(qū)壓裂抽采地質環(huán)境示意圖Fig.2 Sketch map of the geological environment of hydraulic fracturing in the large water mining area

因此，為了確保大水礦區(qū)的地下水環(huán)境，以及壓裂改造作用后的煤層氣產(chǎn)能，必須正確采用地面起裂壓力這一關鍵施工參數(shù)。設地面井射孔內施加注水壓力P，由于煤體的抗拉強度遠小于抗剪強度與抗壓強度，所以往往最先在θ等于90°方向，及垂直方向發(fā)生拉張破壞。在實際壓裂過程中，隨著內水壓力逐漸增加，利用應力疊加原理求解，可根據(jù)最大拉伸破壞強度準則，得出層狀體系如下起裂條件[13]：

若σv>σH>σh或σH>σv>σh，則有：

(1)

若σH>σh>σv，則有：

(2)

設構造穩(wěn)定條件下，地下半空間無限體完全側限，地層無任何縮短與伸長，則有

(3)

(4)

式中：εx、εy——x、y方向的應變；σx、σy、σz——x、y、z方向的水平主應力/MPa；E——彈性模量/MPa。

聯(lián)立式(3)與式(4)得：

(5)

(6)

式中：λ——構造單元體的側壓力系數(shù)；μ——構造單元體的泊松比。

將式(6)代入式(1)、(2)分別得：

(7)

(8)

由文[17]同理推得，設σp為裂縫起裂時的脈動注水強度，則動力條件下水平裂縫的形成條件：

(9)

修正后為：

(10)

2.3 模型分析

由儲層起裂壓力計算公式(7)、(8)可知，巖體破裂的起始壓力不僅取決于最大主應力，還與最小主應力有關，即取決于二者的組合形式。鑒于復雜結構煤層形成于一定的構造環(huán)境，不同構造單元中煤體結構明顯不同，因而側壓力系數(shù)的取值應考慮礦區(qū)構造特征。擠壓區(qū)煤層在水平方向呈縮短效應，一般形成糜棱煤，λ值最大取0.8～1.2；穩(wěn)定區(qū)地層處自然側限狀態(tài)，被近似認為水平方向無任何變形，一般形成簡單結構煤，根據(jù)煤體泊松比試驗值，換算得λ為0.3～0.5；伸展區(qū)即正斷層發(fā)育區(qū)，地層在水平方向有伸長空間，故λ值最小，取0.2～0.3，一般賦存碎裂煤。 由起裂壓力計算模型式(7)～(10)，計算時儲層壓力梯度取5 kPa/m，地層儲層壓力取4.14 MPa，地應力梯度取2.45 MPa/100 m，煤體抗張強度取0.8 MPa，取0.31，Biot系數(shù)取1[9]。從而得到不同構造單元、不同類型軟煤的垂直井起裂壓力值隨埋深的關系(圖3)。

圖3 射眼垂直井的煤體起裂壓力值與埋深關系Fig.3 Crack pressure value of the coal body in the vertical well

“三軟”煤層的起裂壓力除了與埋深有關外，還主要與本身的力學性能及煤體結構有關?？梢哉f，煤體結構在復雜礦區(qū)有著極其重要的研究意義，構造煤尤其是糜棱煤是一種具有豐富地質信息的天然氣載體，對各種力學環(huán)境具有獨特的力學響應。位于同一深度的煤層，結構致密的糜棱煤更容易塑造水平裂縫，且起裂壓力要大于正常煤，更大于碎裂煤(表1)。

表1 垂直井的煤體起裂壓力值

3 應用實例

2009年1—5月，焦作礦區(qū)九里山煤礦在試驗井田范圍內共布置8個地面壓裂試驗鉆孔，分別為JLS試- 002、JLS- 試006、JLS- 試007、JLS- 試008、JLS- 試010、JLS- 試011、JLS- 試014與JLS- 試016，均采用相同的地面垂直井射眼壓裂抽采工藝。以JLS試- 002為例(表2～3)，該井煤層埋深403.02～408.64 m，厚5.62 m，無夾矸不取心；測井資料得知固定碳含量為68.36%，灰分為15.37%，煤質較好；施工壓力為7.2～11.8 MPa，破裂壓力為11.8 MPa，停泵壓力為6.4 MPa，測壓降60 min后壓力為5.2 MPa。

根據(jù)垂直井起裂壓力計算公式和礦區(qū)構造特征，求得九里山井田各試驗井的Pwf值大致在4.21～9.96 MPa。由于JLS試- 002地面井起裂壓力的理論值與實際值比較接近，故壓裂效果較為理想，施工三個月后累計產(chǎn)水量只有295.73 m3，累計產(chǎn)氣量相應達92 405.81 m3(表4)。但其余試驗井實際破裂壓力都遠遠大于相應的理論預測值，一般都在2～3倍，這在大水礦區(qū)是比較冒險的。試驗井產(chǎn)能結果充分印證了這一點，由于初始破裂壓力過大，壓裂縫貫通含水層導致抽采井出水量很大，但實際煤層氣的產(chǎn)能幾乎都接近零(表4)。

表2 JLS試- 002井射孔布置

表4 焦作九里山礦區(qū)壓裂值與煤層氣產(chǎn)能關系

九里山井田試驗井的單井產(chǎn)能如此懸殊，究其原因就是因為礦井復雜的水文地質條件。壓裂層下伏L8灰?guī)r含水極不均勻，正常情況下水量有限，一般為10～30 m3/h，但有其它強含水層補給時，則可發(fā)生大流量涌水事故。井田絕大部分試驗井的后期排采產(chǎn)水量印證了該推測，如JLS試- 014與JLS試- 016三個月累計抽水量都在萬方以上(表4)。強烈的地下水徑流作用，使原先游離于儲層空隙中的煤層氣逸散殆盡，孔隙水壓也使得大量吸附于裂隙中的煤層氣難以解析，因而無法形成長期穩(wěn)定的單井規(guī)模產(chǎn)量，這應該是九里山井田首次壓裂試驗絕大部分抽采井產(chǎn)能效果不佳的主要原因。

此外，九里山井田斷裂構造發(fā)育，方向性明顯。若煤層與富水性或透氣性較好的太原組、奧陶系或者上覆二疊系砂巖段對接，則煤層氣容易逸散。壓裂液觸及充水斷層后地面井仍然會出現(xiàn)涌水以及煤層氣產(chǎn)能低值現(xiàn)象[14]。

4 結論

(1)在不同的構造單元與不同的水文地質單元，應采用正確的壓裂施工工藝，選擇正確的起裂壓力參數(shù)，這是保證地面抽采井產(chǎn)能的唯一有效途徑。

(2)在構造簡單塊段，大水礦區(qū)的地面井仍能保持很好的壓裂抽采效果。在10 MPa左右壓力作用下，九里山井田JLS試- 002試驗井壓裂后三個月內，日均產(chǎn)水量為0.726 m3，累計產(chǎn)水量為295.73 m3；日均產(chǎn)氣量為296.45 m3，累計產(chǎn)氣量為92 405.81 m3，注水壓裂的增產(chǎn)效果十分明顯。

(3)復雜水文地質條件下，在構造復雜塊段特別是底板斷層發(fā)育地帶，若不采取相應措施，則難以保持良好的壓裂抽采效果。試驗結果表明，起裂壓力如果過大，則壓裂縫貫通底板含水層，地面抽采井雖然出水量很大，如JLS試- 016試驗井后期排水量達11 595.03 m3，但煤層氣的產(chǎn)能幾乎為零。

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責任編輯：汪美華

Influence of fracturing pressure of vertical well to CBM capacity in Jiulishan coal mine

WANG Zhirong1,GUO Zhiwei1,XU Peiyuan2,3,CHEN Lingxia1

(1.CollegeofEnvironmentalandHydraulicEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,Henan450001,China; 2.HenanCoalfieldGeologyBureau,Zhengzhou,Henan450053,China；3.ResearchCentreofGasWellEngineeringofHenan,Zhengzhou,Henan450053,China)

Based on the elastic plane strain theory, this article deduces the crack pressure calculation formula of fracturing extraction wells under different geological constructions in order to summarize the successes and the failures of the fracturing extraction experiment in the Jiulishan coal mine of the Jiaozuo coal field. By comparing the computation results with the actual drainage test data, it is found that in the tensile fracture development areas, the overlarge fracture measures will do great harm to the impermeable bases of coal reservoirs near the coal bed gas wells, and the fracturing fractures spread to the L7-8karst aquifer of the Taiyuan Group, resulting in a large number of underground water into the surface wells. The fierce river course of groundwater makes almost all the coal bed gas escape from the interspaces of the reservoir stratums where it stays. Additional water pressure makes it difficult for much coal bed gas absorbed in fissures to escape, so it cannot form a long- term stable single well scale output.

Jiulishan coal mine; “three soft” coal seam; CBM vertical well; fracturing pressure

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.19

2016- 09- 19;

2016- 11- 18

國家自然科學基金項目(41272339)

王志榮(1963- )，男，教授，博士，主要從事巖土工程與地質災害防治研究。E- mail：wangzhirong513@sina.com

TD845

A

1000- 3665(2017)04- 0124- 05