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        基于RFPA的水力壓裂增透影響半徑數(shù)值模擬研究

        2019-04-28 06:48:42李新明梁忠秋
        2019年4期
        關(guān)鍵詞:透氣性水壓水力

        李新明 ,梁忠秋

        (1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦,山西 呂梁 033602;2.中煤科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

        隨著我國煤炭開采強(qiáng)度的增加,越來越多的礦井將步入深部開采,但是深部區(qū)域的煤層地應(yīng)力和瓦斯壓力卻很高[1],透氣性差,導(dǎo)致煤層瓦斯抽采效果差、本煤層鉆孔打鉆量大,對(duì)礦井的采掘銜接產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。所以針對(duì)礦井瓦斯含量高、透氣性系數(shù)差的煤層,如何高效抽采瓦斯成為各大煤炭企業(yè)的技術(shù)難題,而解決此難題的最佳方法是煤層的卸壓增透[3-4]。

        現(xiàn)在我國大多數(shù)礦井采用的卸壓增透方法是水力化措施[5]、開采保護(hù)層[6]、深孔預(yù)裂爆破[7]及液態(tài)CO2相變致裂爆破[8]。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。何福勝等[9]通過在斜溝煤礦開展的水力壓裂試驗(yàn)表明,水力壓裂區(qū)域煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯抽采濃度和抽采純量顯著提高;許江等[10]通過多場(chǎng)藕合煤層氣開采物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)水力壓裂全過程包括4個(gè)階段,即應(yīng)力積累階段、微破裂發(fā)育階段、裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段、破裂后階段,壓裂過程中水壓力場(chǎng)的演化跟裂縫的發(fā)育、擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系,水力壓裂裂縫主要沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展;石欣雨等[11]采用原煤試樣開展煤巖水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)及煤巖裂縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)對(duì)于井下厚儲(chǔ)層,通過“分段-分壓”壓裂方式來構(gòu)造橫縱交織的裂縫網(wǎng),可以顯著提高瓦斯的抽采效率,同時(shí)避免在含較多縱向原生裂縫及較大斷層的井壁位置布置射流孔,防止引起煤儲(chǔ)層頂板、底板失穩(wěn)破壞,造成安全事故;吳擁政等[12]在余吾煤業(yè)公司S1206煤柱留巷瓦排巷開展水力壓裂試驗(yàn),結(jié)果表明,采用定向水力壓裂能顯著減弱堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生的懸頂現(xiàn)象,割斷保護(hù)煤柱上方的堅(jiān)硬頂板,將懸臂區(qū)自然冒落,減小煤柱和實(shí)體煤載荷,破壞應(yīng)力轉(zhuǎn)移和分配比例,提高留巷受力狀態(tài),留巷變形顯著變小。

        本文借助理論研究與數(shù)值模擬,研究低透氣性煤層水力壓裂時(shí)裂隙裂紋發(fā)育擴(kuò)展規(guī)律以及應(yīng)力的變化規(guī)律[12],并在山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),觀察現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果[13],為高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透、提高抽采效果提供科學(xué)依據(jù)[14]。

        1 壓裂增透機(jī)理

        水力壓裂原理為通過高壓水破碎煤體,煤層中的裂隙和多級(jí)弱面的邊界區(qū)域因?yàn)楦邏核挠绊戦_始支撐多級(jí)弱面壁[15],從而膨脹破碎煤體,大量的裂隙得到張開發(fā)育擴(kuò)展延伸,在高壓水持續(xù)注入下,裂縫裂隙源源不斷地延伸和擴(kuò)展,分割煤體的內(nèi)部,在分割過程中增大了煤層內(nèi)部體積,同時(shí)相互聯(lián)通的裂隙再次形成一個(gè)繁雜的網(wǎng)絡(luò),迫使煤層分解壓裂,顯著提升透氣性[16-17],水力壓裂裂隙演變?nèi)鐖D1所示。

        2 建立數(shù)值模型

        依據(jù)斜溝煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù),構(gòu)建15 m×5 m的數(shù)值模擬模型,如圖2所示,將模型劃分為300×100的網(wǎng)格,同時(shí)填充實(shí)體材料。然后在模型的中間描繪r=0.056 5 m的圓,并填充空洞,用來作為數(shù)值模擬過程中的水力壓裂鉆孔,向模型的旁邊添加10 MPa的初始應(yīng)力,在模型的垂直方向施加19.5 MPa的初始應(yīng)力。模擬時(shí)將高壓水的初始?jí)毫υO(shè)置為8 MPa,然后每步升高0.15 MPa,從第一步開始合計(jì)運(yùn)算開挖50步,模型參數(shù)見表1。

        圖1 裂隙發(fā)生擴(kuò)展次序

        圖2 壓裂模型

        模型參數(shù)參數(shù)數(shù)值備注均質(zhì)度/m2在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得彈性模量均值E0/GPa8在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得抗壓強(qiáng)度均值σc/MPa12在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得摩擦角φ/(°)37查詢資料獲得泊松比μ0.25計(jì)算獲得壓拉比 C/T10計(jì)算獲得內(nèi)聚力/MPa0.22查詢資料獲得殘余強(qiáng)度系數(shù)ξ0.1查閱文獻(xiàn)得到滲透系數(shù)k/md-18.64×10-4查詢資料獲得瓦斯壓力/ MPa0.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定獲得

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 壓裂后裂隙裂紋擴(kuò)展延伸情況

        壓裂過程中裂隙裂紋擴(kuò)展延伸情況如圖3所示。

        圖3 壓裂過程裂隙裂紋擴(kuò)展情況

        從圖3可以看出,鉆孔最外邊的水壓始終保持最高,外緣產(chǎn)生環(huán)形的水壓增高帶,伴隨注水壓力升高,環(huán)形的水壓增高帶面積逐漸擴(kuò)大,鉆孔內(nèi)裂紋裂隙持續(xù)生成和延伸,當(dāng)注水壓力為15.5 MPa時(shí),在鉆孔附近發(fā)生局部破碎,鉆孔內(nèi)部弱面發(fā)生失穩(wěn)情況,裂紋裂隙源源不斷地向遠(yuǎn)處延伸,這時(shí)壓力值就是從鉆孔穩(wěn)定破壞到失穩(wěn)破壞的分界點(diǎn),無需增加壓力,裂紋就可以持續(xù)向遠(yuǎn)處擴(kuò)展,形成一系列新弱面,為后續(xù)水壓破裂煤體產(chǎn)生的裂隙裂紋運(yùn)移提供新的弱面,最后產(chǎn)生良好的相互交織貫通的多裂隙裂紋網(wǎng)絡(luò),為瓦斯運(yùn)移奠定基礎(chǔ)。

        3.2 最大剪應(yīng)力變化情況

        壓裂過程中最大剪應(yīng)力變化情況如圖4所示。

        圖4(a)為注水壓力8 MPa的最大剪應(yīng)力變化情況,這時(shí)候在煤層鉆孔里面積存大量的高壓水,伴隨著壓力升高,鉆孔附近的應(yīng)力開始重新分布,接著模擬計(jì)算以每步增加0.15 MPa,水壓開始有序增大;當(dāng)注水壓力升高到11 MPa時(shí),位于鉆孔較遠(yuǎn)地點(diǎn)的剪應(yīng)力處于增大狀態(tài),而且距離鉆孔越近的剪應(yīng)力越大,這時(shí)候鉆孔附近逐漸產(chǎn)生微裂隙,附近區(qū)域的煤體呈現(xiàn)塑性狀態(tài);當(dāng)水壓增加到14 MPa時(shí),最大剪應(yīng)力一直增大,裂紋裂隙越來越多,當(dāng)注水壓力超過煤體粘結(jié)力與抗壓強(qiáng)度之和時(shí),導(dǎo)致煤體開始破壞,裂隙裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,一直向遠(yuǎn)離鉆孔的方向延伸;當(dāng)注水壓力升高至15.5 MPa時(shí),計(jì)算停止,此時(shí)水力壓裂使煤層產(chǎn)生大量的裂隙,在鉆孔周圍發(fā)生局部破碎現(xiàn)象,向深孔運(yùn)移延伸擴(kuò)展的裂隙明顯增多,煤層破裂區(qū)域面積大,達(dá)到卸壓增透的目的。

        圖5為有效影響半徑與注水壓力的關(guān)系曲線。從圖5可知:當(dāng)水壓很小時(shí),有效影響半徑升高的幅度也很小。當(dāng)注水壓力不斷升高,鉆孔內(nèi)的高壓水持續(xù)向深部運(yùn)移,滲透到楔形弱面裂隙中,原因是煤層中存在粘結(jié)力與地應(yīng)力,二者的相互作用導(dǎo)致注到煤層中的高壓水流動(dòng)速度明顯減慢,未能持續(xù)滲流,盡管水力壓裂的影響面積一直在增大,但裂縫裂隙演變速度減緩,最終有效影響半徑保持在7 m。

        圖5 有效影響半徑與注水壓力的變化規(guī)律

        4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        4.1 鉆孔布置

        在斜溝煤礦18205材料巷430 m處開展水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),壓裂鉆孔布置如圖6所示,鉆孔深度為40 m,壓裂孔封孔長(zhǎng)度20 m,檢驗(yàn)孔封孔長(zhǎng)度8 m。設(shè)置最高注水壓力為16 MPa,以確保施工安全與封孔的質(zhì)量。通過觀察水從檢驗(yàn)孔流出的情況作為水力壓裂效果考核指標(biāo)。

        圖6 鉆孔布置

        4.2 水力壓裂效果考察

        4.2.1 注水壓力的變化

        壓裂開始時(shí),先壓裂4號(hào)壓裂孔,將注水的初始?jí)毫υO(shè)置為2 MPa,試驗(yàn)過程中觀察得到當(dāng)壓力為12 MPa時(shí),3號(hào)檢驗(yàn)孔內(nèi)開始滲水,且滲水量越來越多,在孔壁周圍形成大裂隙,鉆孔的孔壁發(fā)生碎小煤塊落下,形成鉆孔失穩(wěn)破裂現(xiàn)象,與模擬結(jié)果基本吻合。4號(hào)孔水壓變化如圖7所示。水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)共注水14 min,壓力保持16 MPa左右,注水量達(dá)到4.2 m3。

        圖7 4號(hào)壓裂孔壓力變化情況

        完成4號(hào)孔壓裂試驗(yàn)后,開始對(duì)2號(hào)孔實(shí)施同樣壓裂步驟,2號(hào)壓裂孔水壓變化情況如圖8所示,由圖8得到,當(dāng)水壓升高到13 MPa時(shí),壓力表指針不再變化,保持穩(wěn)定,此時(shí)發(fā)現(xiàn)1號(hào)、3號(hào)檢驗(yàn)孔內(nèi)并無水涌出。試驗(yàn)結(jié)果證明18205材料巷水力壓裂有效影響半徑超過7 m。

        圖8 2號(hào)壓裂孔壓力變化情況

        4.2.2 抽采效果分析

        水力壓裂后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)鉆孔瓦斯抽采濃度和流量,收集數(shù)據(jù),繪制壓裂前后的變化曲線,如圖9和圖10所示。

        圖9 壓裂前后抽采濃度變化情況

        圖10 壓裂前后抽采流量變化情況

        從圖9得到,隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng),瓦斯開始自然衰減,未實(shí)施水力壓裂煤層區(qū)域的瓦斯?jié)舛扔筛叩降烷_始衰減,從10.7%的高濃度降低至濃度2.1%,平均瓦斯抽采濃度為5.26%。實(shí)施壓裂措施后,顯著增大抽采濃度,從抽采濃度12.8%升高至34.7%,平均抽采濃度為23.28%,整體走向趨勢(shì)為高—低—高,這是因?yàn)閯傞_始抽采時(shí)鉆孔內(nèi)部積聚大量的瓦斯在高速高壓水的影響下突然向檢驗(yàn)孔附近運(yùn)移擴(kuò)散,形成大量的高濃度瓦斯,接著高濃度的瓦斯跟著高壓水流出鉆孔,無數(shù)的瓦斯運(yùn)移通道再次得到貫通,煤層中的游離瓦斯由于負(fù)壓的影響運(yùn)移到抽采鉆孔中,再次產(chǎn)生大量的高濃度瓦斯,所以瓦斯抽采濃度又達(dá)到峰值,第4~8 d瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)31.08%。

        由圖10可看出,水力壓裂完成后抽采純量明顯提高,變化范圍在0.012 9~0.087 9 m3/min,平均0.044 3 m3/min;然而未壓裂時(shí)鉆孔的抽采純量卻很低,只有0.001 34~0.012 2 m3/min,抽采平均濃度僅為0.004 59 m3/min。通過分析對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):壓裂影響區(qū)域濃度增大了3.43倍,瓦斯抽采純量提高8.65倍。

        4.2.3 透氣性系數(shù)變化

        壓裂完成后測(cè)定煤層的透氣性系數(shù)為1.18 m2/(MPa2·d),而壓裂前煤層透氣性系數(shù)僅為0.082 m2/(MPa2·d),提升13.4倍,明顯增大了18205工作面煤層的透氣性,確保了抽采效果。

        5 結(jié) 語

        1) 在高壓水的影響下,煤層內(nèi)部的新生裂隙經(jīng)歷三個(gè)階段:裂隙壓縮、裂隙穩(wěn)定延伸和裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展,不斷發(fā)育延伸的裂隙將鉆孔內(nèi)積聚的能量涌出,從而增大透氣性系數(shù)。

        2) 通過在18205材料巷開展壓裂增透試驗(yàn),結(jié)果證明:壓裂區(qū)域內(nèi)鉆孔抽采濃度升高3.43倍,瓦斯抽采純量增大8.65倍,煤層的透氣性系數(shù)提高13.4倍,抽采效果得到明顯改善。

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