何明川

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著我國煤炭開采深度的不斷增加，煤層賦存狀態(tài)呈現(xiàn)“三高一低”狀態(tài)，即瓦斯含量高、地應(yīng)力高、瓦斯壓力高及滲透率低，瓦斯治理難度進(jìn)一步加大[1-3]。通常采用人工增透措施增加深部煤層滲透率，典型方法有深孔爆破、水力壓裂、水力割縫、水力沖孔等[4-5]。水力壓裂增透技術(shù)以其增透面積大、成本相對(duì)低廉的優(yōu)勢，在我國各大煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。水力壓裂是通過增加煤層裂隙實(shí)現(xiàn)對(duì)低滲透性煤儲(chǔ)層改造，促進(jìn)煤層瓦斯解吸及增加瓦斯流動(dòng)通道，進(jìn)而改善煤層瓦斯抽采效果。目前，一般采用輸出穩(wěn)定壓力和流量的方式進(jìn)行煤層水力壓裂作業(yè)，對(duì)于深部煤層，徑向應(yīng)力一般大于水平應(yīng)力，水力壓裂產(chǎn)生的裂縫易向著徑向擴(kuò)展，不僅增透效果不理想，而且容易破壞頂板，產(chǎn)生二次災(zāi)害等破壞[6-10]。相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)研究表明[11-12]，在水力壓裂實(shí)施過程中，煤層增透效果并不是隨著流量的增加而穩(wěn)步上升。為了強(qiáng)化水力壓裂增透效果，保持頂板的穩(wěn)定性，在借鑒油氣水力壓裂開發(fā)工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種新的波動(dòng)流量水力壓裂增透工藝，即通過人為快速轉(zhuǎn)變壓裂泵組工作頻率的方式，實(shí)現(xiàn)壓裂泵“不穩(wěn)定”流量的輸出。

近年來，在改進(jìn)煤層水力壓裂工藝，增加壓裂效果方面，國內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究工作[13-15]。較為主流的是體積壓裂—縫網(wǎng)改造技術(shù)(SRV)，采用“穩(wěn)定高壓力和大流量”的工藝，在煤層內(nèi)形成一個(gè)立體縫網(wǎng)系統(tǒng)，以提高瓦斯導(dǎo)流能力。但由于這種工藝的壓力較高、流量較大，給壓裂設(shè)備和人員帶來諸多的挑戰(zhàn)，且由于煤層儲(chǔ)存的復(fù)雜性、非均質(zhì)性，對(duì)“穩(wěn)定大排量”注入的方式并不敏感，不易讓煤巖產(chǎn)生破裂及裂縫的延伸，反而會(huì)引起壓裂泵組壓力迅速升高。除此之外，還有分段水力壓裂、分段多簇射孔、定向水力壓裂技術(shù)等，但在深部煤層地應(yīng)力高且地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的條件下，采用一般的注水技術(shù)，其應(yīng)用效果并不理想，加大注水壓力又容易引發(fā)壓裂事故。在井下煤層水力壓裂施工時(shí)，在保證安全作業(yè)的前提下，如何提高水力壓裂增透效果是目前急需解決的問題之一。

在水力壓裂施工中，利用波動(dòng)流量注入的方式，通過流量的不穩(wěn)定性注入引起孔隙水壓力的波動(dòng)，使得壓裂后裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，借此以提高煤儲(chǔ)層裂縫的延伸和擴(kuò)展能力。這種改進(jìn)的壓裂工藝能否在降低注水壓力的前提下，提升煤儲(chǔ)層改造效果，需要通過理論和實(shí)踐予以證實(shí)。因此，筆者基于水力壓裂原理，根據(jù)彈性力學(xué)、流體力學(xué)相關(guān)理論與方法，將改進(jìn)的壓裂工藝應(yīng)用于深部礦井，以期為提高煤層水力壓裂增透效果提供指導(dǎo)。

1 力學(xué)原理

1.1 壓裂孔內(nèi)孔隙水壓力分布

在煤儲(chǔ)層水力壓裂過程中，壓裂孔內(nèi)不穩(wěn)定流量注入過程可被視為孔內(nèi)壓力波的傳輸過程，符合不可壓縮流體流動(dòng)特征。為了獲得壓裂泵注入流量的動(dòng)態(tài)變化引起的壓裂孔內(nèi)的波動(dòng)壓力，忽略流體在高壓膠管內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間及沿程的摩阻損失，根據(jù)流體力學(xué)理論，流體在壓裂孔中的流動(dòng)方程為[16]：

(1)

式中：ρ0為注入流體密度，kg/m3；u(x,t)為流體的流速，m/s；p(x,t)為注入流體壓力，MPa；t為流體流動(dòng)時(shí)間，s。

根據(jù)壓裂泵組系統(tǒng)的輸出特征，流體產(chǎn)生一定頻率的流量波動(dòng)。為了方便分析，將泵注流量以正弦波的形式來描述，即：

Q0(t)=Qasin(ωt+φ)

(2)

(3)

式中：Q0(t)為泵注流量，m3/min；Qa為壓裂泵輸出水流量的振幅，m3/min；ω為壓裂泵組運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率，s-1；φ為壓裂柱塞泵曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)相位，(°)；a為壓裂泵臺(tái)數(shù)，取a=1；k為每臺(tái)壓裂柱塞柱塞數(shù)量；n為每臺(tái)壓裂泵變速箱轉(zhuǎn)速，r/min。

壓裂孔內(nèi)不穩(wěn)定水的流量可作如下表述：

(4)

式中：dc為高壓膠管內(nèi)徑，mm；Dt為高壓膠管外徑，mm。

將式(2)～(4)代入式(1)，積分得到注入流體壓力：

(5)

式(4)和式(5)分別為不穩(wěn)定流量注入條件下的流量和壓力計(jì)算模型。

1.2 壓裂孔周邊應(yīng)力分布

在水力壓裂過程中，泵組向壓裂孔注入不穩(wěn)定的高壓流體，使得壓裂孔內(nèi)的孔隙水壓力迅速攀升，同時(shí)產(chǎn)生一定的波動(dòng)壓力。在p(x,t)的作用下，煤層產(chǎn)生了附加的周向應(yīng)力，根據(jù)彈性力學(xué)原理，壓裂孔產(chǎn)生的附加應(yīng)力σfθ計(jì)算公式如下[17]：

(6)

式中：dw為壓裂孔直徑，mm；drw為壓裂孔內(nèi)任意點(diǎn)的直徑，mm；Dw為壓裂孔的外邊界直徑，mm；pe為壓裂孔煤層外邊界壓力，MPa。

在實(shí)際情況中，Dw=∞，pe=0，drw=dw，計(jì)算得到σfθ≈0，則在水力壓裂過程中壓裂孔周邊產(chǎn)生的附加應(yīng)力為-p(x,t)。說明壓裂孔所產(chǎn)生的附加應(yīng)力與波動(dòng)壓力大小相等，方向相反。

與此同時(shí)，在煤儲(chǔ)層巖體破裂之前，流體會(huì)流入壓裂孔周圍的儲(chǔ)層之中，從而形成另外一個(gè)應(yīng)力區(qū)。根據(jù)流體力學(xué)理論，流體滲入煤層中引起壓裂孔的應(yīng)力σsθ為：

(7)

(8)

式中：ps為煤儲(chǔ)層的孔隙壓力，MPa；α為Biot常數(shù)；ν為煤層泊松比；Cr為煤體骨架壓縮系數(shù)；Cb為煤體體積壓縮系數(shù)。

綜上所述，在水力壓裂作業(yè)過程中，最終產(chǎn)生的應(yīng)力σsθ為：

(9)

在采取水力壓裂增透作業(yè)施工時(shí)，煤層周邊的應(yīng)力隨著水流量的變化而變化，避免了應(yīng)力集中及水流量的單一方向流動(dòng)。采用不穩(wěn)定流量注入的方法，水力壓裂會(huì)誘發(fā)一些“微地震”，對(duì)壓裂效果的作用機(jī)制是以這些人為制造的“微地震”來增加煤儲(chǔ)層的“微裂縫”，進(jìn)而提高儲(chǔ)層的滲透率，從而強(qiáng)化壓裂效果。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工作面概況

在平煤股份十二礦己15-31040工作面進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)。該煤層平均厚度為3.3 m，煤層平均傾角為10°，該煤層為半光亮型焦煤[18]。下部為己16-17煤，煤層平均厚度為1.9 m，與己15煤層的層間距平均為1.7 m。該煤層垂直深度為828～877 m。平煤十二礦己15-31040工作面煤層瓦斯含量為5.410～12.860 m3/t，平均瓦斯含量為8.675 m3/t，瓦斯壓力為1.3 MPa，根據(jù)突出危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，己15煤層屬具有突出危險(xiǎn)性煤層；該工作面主要表現(xiàn)出煤層透氣性差、煤層松軟、瓦斯抽放技術(shù)預(yù)抽困難等特點(diǎn)。煤層透氣性系數(shù)為0.021 8 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.12 d-1，根據(jù)煤層瓦斯抽放難易程度分類標(biāo)準(zhǔn)，表明己15煤層屬于較難抽放煤層。在相鄰的己15-31030采煤工作面采用常規(guī)水力壓裂措施，但增透效果并不顯著。

2.2 水力壓裂工藝和操作過程

煤層水力壓裂技術(shù)措施主要包括鉆孔工藝和水力壓裂工藝。

本次水力壓裂試驗(yàn)泵組為BYW450/70煤礦井下壓裂泵組，壓裂泵組的額定壓力為70 MPa，最大排水量為450 m3/h。水力壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、專用水箱和封孔器組成，壓裂泵組地面組裝圖如圖1所示。泵組具有4個(gè)檔位，各檔位輸出壓力與流量參數(shù)如表1所示。

圖1 壓裂泵組組裝圖

表1 壓裂泵組輸出參數(shù)

本次水力壓裂試驗(yàn)在己15-31040工作面進(jìn)風(fēng)巷低位瓦斯治理巷進(jìn)行。根據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)資料及巷道布置情況，確定壓裂半徑為30 m，設(shè)計(jì)6個(gè)壓裂鉆孔，鉆孔間距為50 m，鉆孔終孔位置距煤層頂板0.5 m左右，不穿透煤層。水力壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置平面圖

水力壓裂鉆孔施工結(jié)束后，按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工檢驗(yàn)鉆孔，待檢驗(yàn)鉆孔完成后采用多次注漿封孔工藝進(jìn)行封孔，封孔完成后待水泥漿凝固48 h后方可進(jìn)行高壓水力壓裂試驗(yàn)。以1#壓裂孔為例，按如下步驟進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)：將管路與壓裂泵連接好后，采用動(dòng)態(tài)流量注水方法，從水力壓裂開始到結(jié)束，壓裂孔注水時(shí)間約120 min左右，壓裂泵組的4個(gè)檔位交替切換，開始先用第IV檔位，每5 min升高到1個(gè)檔位，之后保壓10 min，后面又用5 min升高1個(gè)檔位，4個(gè)檔位交替進(jìn)行。根據(jù)監(jiān)控視頻顯示，當(dāng)頂?shù)装寤蛘呦飵统霈F(xiàn)小范圍陰濕時(shí)，停止水力壓裂，關(guān)閉閥門。

2.3 水力壓裂煤巖效果考察

選取1#壓裂孔進(jìn)行效果考察，最高注水壓力為30 MPa，壓裂泵排水流量波動(dòng)范圍為0.15～0.45 m3/min，注水壓力范圍為20～30 MPa，注水后保壓壓力為 8 MPa，兩周后保壓壓力降為0 MPa，累計(jì)注水量達(dá)到115.8 m3，壓裂過程中巷道頂板無明顯漏水現(xiàn)象，巷道頂板的完整性較好。

在該區(qū)域?qū)嵤┧毫呀Y(jié)束后進(jìn)行己15煤層及鄰近己16-17煤層水力壓裂效果考察，以1#壓裂孔為中心，沿煤層走向方向以孔間距為5 m設(shè)計(jì)了走1#鉆孔～走8#鉆孔共8個(gè)考察鉆孔。壓裂前測得該區(qū)域己15煤層原始瓦斯含量為5.410～12.860 m3/t，平均為8.675 m3/t。水力壓裂后沿煤層走向距1#壓裂孔28 m范圍內(nèi)共施工9個(gè)鉆孔，測得瓦斯含量為1.580～6.990 m3/t，平均為3.054 m3/t，較煤層原始瓦斯含量平均降低了5.600 m3/t。己15煤層壓裂后的絕對(duì)瓦斯壓力為0.49 MPa，比原始絕對(duì)瓦斯壓力1.30 MPa平均降低了0.81 MPa。

2.4 壓裂后瓦斯抽采效果考察

水力壓裂之后，對(duì)單孔平均抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù))和瓦斯純流量進(jìn)行考察，并與相鄰己15-31030工作面的穩(wěn)定流量壓裂、未壓裂區(qū)域抽采數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，煤層區(qū)域抽采瓦斯?jié)舛燃凹兞髁繉?duì)比曲線如圖3、圖4所示。

圖3 煤層區(qū)域單孔抽采瓦斯?jié)舛葘?duì)比曲線

圖4 煤層區(qū)域單孔抽采瓦斯純流量對(duì)比曲線

由圖3和圖4可知，不穩(wěn)定流量水力壓裂后該區(qū)域抽采30 d內(nèi)單孔抽采平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)到48.36%，之前穩(wěn)定流量水力壓裂區(qū)域單孔抽采平均瓦斯?jié)舛葹?2.43%，未壓裂區(qū)域單孔抽采平均瓦斯?jié)舛葹?2.04%，相比之下不穩(wěn)定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯?jié)舛仁欠€(wěn)定流量壓裂、未壓裂區(qū)域的1.49、4.01倍；不穩(wěn)定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯純流量為0.062 6 m3/min，穩(wěn)定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯純流量為0.024 3 m3/min，未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域單孔抽采平均瓦斯純流量為0.006 7 m3/min，相比之下不穩(wěn)定流量水力壓裂單孔抽采平均瓦斯純流量是穩(wěn)定流量水力壓裂、未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域的2.58、7.72倍。抽采數(shù)據(jù)表明，水力壓裂技術(shù)增大了抽采瓦斯?jié)舛群图兞髁浚遣捎貌环€(wěn)定流量方法進(jìn)行的水力壓裂效果更佳。

3 結(jié)語

1)通過分析深部低透氣性煤層的力學(xué)原理，得出水力壓裂過程中，不穩(wěn)定水流量對(duì)注水壓力的影響規(guī)律，并推導(dǎo)出在不穩(wěn)定流量注水條件下壓裂孔周邊的應(yīng)力分布情況。

2)現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)通過交替切換壓裂泵檔位的方法實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定水流量的注入，壓裂過程中頂板保持良好，同時(shí)經(jīng)過測定壓裂孔及考察孔水力壓裂后的瓦斯含量、單孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞髁浚c原始煤層及穩(wěn)定流量水力壓裂的方法相比，不穩(wěn)定流量水力壓裂后抽采瓦斯?jié)舛燃凹兞髁棵黠@提升。

3)隨著煤層開采深度的不斷加大，在水力壓裂增透作業(yè)中，實(shí)行不穩(wěn)定水流量注入是深部煤層增透的一種可行方法，但其具體壓裂相關(guān)參數(shù)，需要繼續(xù)深入研究。