孫昊達(dá)， 唐勝利， 王 毅

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

井下瓦斯抽采不僅是煤礦煤層氣開發(fā)的主要技術(shù)手段，也是有效防治煤礦瓦斯災(zāi)害和實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全型生產(chǎn)的技術(shù)性措施。隨著水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，近年來已有學(xué)者成功的將石油行業(yè)的水力壓裂技術(shù)移植到煤礦井下，逐漸發(fā)展形成了煤礦井下水力壓裂增透技術(shù)。馬耕等(2014)提出了圍巖——煤儲(chǔ)層縫網(wǎng)改造增透抽采瓦斯理論與技術(shù)，完善了軟煤、深部高應(yīng)力儲(chǔ)層瓦斯區(qū)域治理新工藝[1]。劉麗萍(2014)在煤峪口煤礦開展頂板堅(jiān)硬巖層段分段逐次壓裂，改善了堅(jiān)硬頂板的難垮落問題[2]。陳澤升等(2015)對(duì)研究定向水力噴射壓裂技術(shù)進(jìn)行了研究[3]。張飛等(2016)對(duì)井下煤層水力壓裂起裂、延伸和增透機(jī)理進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬[4]。秦可(2021)對(duì)煤礦井下水力壓裂技術(shù)進(jìn)行了闡述、分析與探究，提出煤礦井下大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)與水力壓裂技術(shù)的融合，極大程度上可以增強(qiáng)治理煤層瓦斯的效果且應(yīng)用效果顯著[5]?；诿旱V井下水力壓裂的技術(shù)創(chuàng)新和研究成功，該技術(shù)逐漸成為煤礦井下瓦斯治理技術(shù)中最好的選擇之一。

陽泉礦區(qū)新景煤礦所屬的3#煤層屬于我國(guó)典型的高瓦斯、低透氣性、碎軟煤層發(fā)育的礦區(qū)，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)難度大[6]，原始瓦斯含量為15～20m3/t，煤體堅(jiān)固性系數(shù)f值在0.2～0.8，煤體破壞類型屬Ⅲ、Ⅳ類，煤層透氣性系數(shù)為1.16×10-3m2/(MPa2·d)。采用常規(guī)的方法對(duì)該煤層瓦斯進(jìn)行抽采十分困難，因此想實(shí)現(xiàn)順利成孔并且瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，需采取將煤層底板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)[7]和分段水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)[8]相結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)融合了梳狀定向長(zhǎng)鉆孔成孔和分段水力壓裂增透技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)碎軟煤層瓦斯遠(yuǎn)距離與區(qū)域增透抽采，有效的改善煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率等難題[9-10]。

1 分段水力壓裂原理與工藝

水力壓裂主要是為了解決碎軟煤層抽采孔成孔性差、抽采距離短和抽采區(qū)域小的難題，目的是增加煤儲(chǔ)層的透氣性，提高瓦斯抽采濃度和抽采純量，縮短抽采時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。逐級(jí)分段壓裂可確保壓裂均勻，消除壓裂盲區(qū)，避免整體壓裂時(shí)煤巖體因孔隙、裂隙造成的水量流失[11]，水力壓裂產(chǎn)生的裂縫形態(tài)特征主要由煤層所在處的巖層地應(yīng)力和煤巖體的力學(xué)性質(zhì)決定[12]，其原理是：在高壓水動(dòng)力條件下，煤層及頂(底)板巖層發(fā)生起裂，在鉆孔(包括主孔、分支孔及煤孔)與煤層之間，按照壓裂三階段原理，會(huì)產(chǎn)生相互交錯(cuò)的裂縫體系，形成以分支孔煤孔段為一級(jí)裂縫、分支孔巖孔段破裂巖體為二級(jí)裂縫、主孔段破裂巖體為三級(jí)裂縫的多級(jí)滲流網(wǎng)絡(luò)通道，為瓦斯的擴(kuò)散和運(yùn)移提供了良好的通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碎軟煤層遠(yuǎn)距離與區(qū)域的瓦斯高效抽采[13]。

底板梳狀鉆孔水力壓裂采用主孔管柱不動(dòng)、間隔封隔器滑套分段封孔逐級(jí)壓裂工藝[14](分段水力壓裂工藝示意圖如圖1所示)。壓裂施工主要包括壓裂準(zhǔn)備階段、封孔試壓階段、高壓注水分段壓裂階段和停泵回收工具階段[15]，壓裂液選擇為清水。工藝過程即利用煤層底板穩(wěn)定巖層作為目標(biāo)層而施工的定向長(zhǎng)鉆孔主孔作為主通道，在各分支孔前選取合理位置、穩(wěn)定巖層部位，下入坐封式封隔器和投球滑套，利用井口投球裝置投球憋壓，采用水力壓裂裝備，送入高壓水進(jìn)行壓裂。第一循環(huán)壓裂完成后，投入大一級(jí)直徑的密封球，打開相應(yīng)位置的滑套，開始第二循環(huán)壓裂，依次投入密封球(直徑從小到大)進(jìn)行壓裂，直至施工結(jié)束。

圖1 分段水力壓裂工藝示意圖Figure 1 Schematic diagram of staged hydraulicfracturing technology

2 分段水力壓裂數(shù)值模擬

物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法均可作為直接監(jiān)測(cè)分段水力壓裂效果的有效替代方法，并在煤層壓裂研究中被廣泛應(yīng)用[16]。ANSYS軟件中的FLUENT又稱ANSYS流體分析，主要用于確定流體的流動(dòng)或熱行為，也能應(yīng)用于水力壓裂流體分析。采用容器內(nèi)流體分析模塊來模擬煤礦井下分段水力壓裂，分析該技術(shù)應(yīng)用情況。

2.1 模型建立

根據(jù)分段水力壓裂鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，采用CAD-3D建立三維分段水力壓裂模擬模型，選取分段中的某一段進(jìn)行數(shù)值模擬建模，所建模型選取兩個(gè)封隔器之間的部分，模型尺寸為800mm×120mm×400mm(1∶100等比例縮小)，經(jīng)單元?jiǎng)澐中纬捎?jì)算網(wǎng)格，模型共記465 115個(gè)單元，113 363個(gè)節(jié)點(diǎn)。分支孔與主孔夾角取經(jīng)驗(yàn)值60°(爬升過渡段忽略)，主孔和分支孔直徑均為Φ120mm，箭頭為水流方向(圖2)。

圖2 模型結(jié)構(gòu)Figure 2 Model configuration

2.2 模擬結(jié)果分析

研究區(qū)煤層分段壓裂施工，注入清水水壓16.40～20.94MPa，流速32～36m/s，排量為33.50～40.00m3/h。根據(jù)孔內(nèi)水流流向定義，主孔分支處水流率先通過的部位為前端，后通過的部位為后端；同理，定義分支孔分支處分別為上端和下端。

1)研究區(qū)中軸面。模擬分段水力壓裂中某個(gè)分支孔分支區(qū)域中軸面內(nèi)水的流速情況和流動(dòng)特征，如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，鉆孔內(nèi)部水流大致沿鉆孔軌跡前進(jìn)，在分支處前、上端出現(xiàn)明顯加速現(xiàn)象，并伴有聚集效應(yīng)。而圖3(b)中可以看出，分支孔初始段水流極不穩(wěn)定，該處最高流速可達(dá)0.70m/s，然而最低流速只有0.14m/s，相差高達(dá)5倍，雖然入水口速度極大，隨著水不斷通過分支部分，其速度損失極為迅速。

2)研究區(qū)孔壁。模擬結(jié)果表明，前端與后端分別表現(xiàn)為應(yīng)力減少和應(yīng)力增加，上端與下端分別表現(xiàn)為應(yīng)力增大和應(yīng)力減少，主孔前端和后端以及分支孔上端和下端是研究區(qū)應(yīng)力變化最為明顯的部位(又稱分段水力壓裂重點(diǎn)部位群)，主孔應(yīng)力極值區(qū)為139.0～381.0Pa，分支孔極值區(qū)為42.8～199.0Pa，變化幅度為2～4倍，結(jié)合孔壁流速矢量與應(yīng)力等值線圖(圖4)情況，該部位最有可能出現(xiàn)變形、開裂或破碎的區(qū)域。

圖3 孔內(nèi)中軸面流速Figure 3 Borehole axial plane current velocities

圖4 孔壁流速矢量與壓力等值線Figure 4 Isogram of borehole wall current velocity vectors and pressures

3)研究區(qū)的回流現(xiàn)象。根據(jù)孔內(nèi)局部回流圖(圖5)可以看出，分支孔初始段上端(主孔水流方向前端)由于該區(qū)域水流速度減小，應(yīng)力不集中，導(dǎo)致出現(xiàn)逆時(shí)針環(huán)形水流圓環(huán)區(qū)，致使從主孔進(jìn)入分支孔的水流二次減速，并且使流線角度(矢量)沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)約20°，進(jìn)一步壓縮了清水進(jìn)入分支孔的有效面積，改變了入水角度。因此，應(yīng)盡量避免水力壓裂時(shí)回流現(xiàn)象的產(chǎn)生或減小該現(xiàn)象強(qiáng)度，以提高巖煤體致裂效果。

圖5 孔內(nèi)局部回流Figure 5 Borehole local inverse flows

3 應(yīng)用效果

本次壓裂施工地點(diǎn)選擇在新景公司保安區(qū)3107工作面南五底抽巷6#鉆場(chǎng)，壓裂施工區(qū)域地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，壓裂影響范圍內(nèi)無明顯的透水型構(gòu)造、斷層。根據(jù)巷道實(shí)際情況與已完鉆的分段壓裂鉆孔情況，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)和結(jié)論，對(duì)剩余分段水力壓裂鉆孔進(jìn)行“增壓減度”(即適當(dāng)增加泵注壓力或減少分支孔傾角度數(shù))的優(yōu)化，并稱剩余鉆孔為對(duì)照組，已完穿層鉆孔為普通組。

使用千米定向鉆機(jī)在3#煤層底板水力壓裂施工累計(jì)有效時(shí)間33h左右，總計(jì)完成注水量1 360m3，3個(gè)分支處分別在110m、210m、310m位置。其中1-1#分支注水量372m3，泵注壓力18.4～21.4MPa；1-2#分支注水量371m3，泵注壓力18.6～21.2MPa；1-3#分支注水量617m3，泵注壓力18.8～20.6MPa。分段壓裂鉆孔的抽采數(shù)據(jù)：抽采濃度最大為7.48%，最小深度為4.57%，平均為5.22%；抽采流量最大值5.18m3/min，最小值2.25m3/min，平均值4.60m3/min；日均瓦斯抽采量最大值457.41m3/d，最小值171.08m3/d，平均值334.81m3/d，抽采30d，累計(jì)抽采瓦斯純量10 044.58m3(圖6)。

圖6 瓦斯抽采濃度/日均抽采純量變化曲線Figure 6 Gas drainage concentration/daily average drainagescalar quantity variation curve

收集3107底抽巷穿層鉆孔優(yōu)化組和普通組抽采數(shù)據(jù)共80組。結(jié)果表明，優(yōu)化組壓裂鉆孔百米鉆孔流量為2.11m3/min，普通組穿層鉆孔百米鉆孔流量為0.40m3/min，抽采流量提高了近5.27倍。

4 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦井下分段水力壓裂技術(shù)的模擬與應(yīng)用，提出幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)如下：

1)分支孔的有效孔徑、長(zhǎng)度和孔壁的完整性是分段水力壓裂效果優(yōu)劣的前提，適當(dāng)?shù)摹霸鰤簻p度”有利于提升該技術(shù)的效果。對(duì)分段水力壓裂鉆孔整體來說，孔內(nèi)水壓隨孔深的增加而減少，壓力分布狀況從入口向內(nèi)緩慢減少；對(duì)各分支孔分支處而言，出現(xiàn)局部速度和應(yīng)力急增急減情況，提出分段水力壓裂重點(diǎn)部位群概念，局部出現(xiàn)回流現(xiàn)象。

2)融合了碎軟低透煤層底板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)和分段水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了連續(xù)壓裂作業(yè)狀態(tài)下的分段壓裂，增加了壓裂影響范圍的均勻性，保證了水力壓裂鉆孔封孔的有效性。

3)壓裂增透與普通穿層鉆孔抽采數(shù)據(jù)對(duì)比，鉆孔瓦斯抽采流量提高5.27倍，抽采效果較好。煤層底板梳狀定向鉆孔分段水力壓裂技術(shù)能夠解決碎軟低透煤層瓦斯抽采難的問題，具有較高的推廣價(jià)值。