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        W-S-W 水力壓裂技術(shù)在瓦斯抽采中的模擬與實(shí)踐

        2022-01-15 04:40:54曾祥斌
        山東煤炭科技 2021年12期
        關(guān)鍵詞:水壓水力瓦斯

        曾祥斌

        (山西石涅招標(biāo)代理有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

        水力壓裂技術(shù)在煤層氣開(kāi)采、水利建設(shè)等方面已經(jīng)有眾多成功的應(yīng)用實(shí)例,技術(shù)成熟。煤炭資源的開(kāi)采逐步加深,地應(yīng)力影響顯著,當(dāng)開(kāi)采高瓦斯煤層時(shí)難度越發(fā)加劇,對(duì)煤巖體實(shí)施水力壓裂從而幫助瓦斯抽采有著良好的研究前景[1-2]。在已有案例中發(fā)現(xiàn),水力壓裂技術(shù)可以更好地提高煤巖體的透氣性,但在實(shí)踐中,常規(guī)的水力壓裂工藝對(duì)深部圍巖尤其是采深超過(guò)500 m 的煤層效果并不明顯。為改善深部圍巖水力壓裂增透效果,筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)資料,發(fā)現(xiàn)“水-砂-水”( W-S-W) 水力壓裂強(qiáng)化增透技術(shù)對(duì)較深煤層的瓦斯抽采有一定的幫助,并對(duì)其壓裂增透的應(yīng)用效果進(jìn)行考察[3]。

        1 W-S-W 水力壓裂技術(shù)介紹

        當(dāng)對(duì)淺部圍巖進(jìn)行常規(guī)水力壓裂處理后,由于煤巖體內(nèi)形成的水力裂縫受地應(yīng)力影響較小,不易閉合,透氣性提升明顯;但對(duì)深部圍巖尤其是埋深超過(guò)500 m 的巖層進(jìn)行常規(guī)水力壓裂時(shí),由于圍巖地壓較高,水力裂縫容易被壓縮甚至閉合,造成縫隙張開(kāi)度不足,大大降低后期的瓦斯抽采效果。

        W-S-W(Water-Sand-Water)水力壓裂增透技術(shù),即水-砂-水混合分步壓裂,其本質(zhì)是一種強(qiáng)化增透技術(shù),具體包括3 個(gè)步驟。步驟1:初次常規(guī)水力壓裂階段。首先對(duì)煤巖體采用常規(guī)水力壓裂進(jìn)行處理,直至造成初次壓裂并出現(xiàn)水力裂縫,同時(shí)保證水力裂縫與煤巖其他裂隙相通。步驟2:支撐劑(砂石)壓裂階段。為維持初次水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫狀態(tài),將采用由一定比例配制而成的支撐劑(石英砂)對(duì)縫隙進(jìn)行再次壓裂,支撐劑的固液混合體不斷對(duì)煤體造成填充、擴(kuò)張的影響,同時(shí)對(duì)裂縫起到支撐作用,而不至于受地應(yīng)力的作用發(fā)生閉合。步驟3:再次常規(guī)水力壓裂階段。對(duì)已出現(xiàn)裂縫的區(qū)域進(jìn)行重復(fù)壓裂,這樣不僅可以再次增大已有的裂縫,還可以使步驟2 的支撐液在水力的驅(qū)動(dòng)下向裂縫深部滲入,促使裂縫充分的發(fā)育擴(kuò)張,增大煤巖的透氣性。

        2 水力壓裂增透數(shù)值模擬

        在對(duì)礦井進(jìn)行水力壓裂前需要對(duì)預(yù)裂效果進(jìn)行評(píng)估,并根據(jù)模擬結(jié)果判斷該煤(巖)層的瓦斯抽采是否適合使用水力預(yù)裂。RFPA2D-flow 是一款巖石損傷力學(xué)破裂過(guò)程的模擬軟件,可以準(zhǔn)確地模擬水力壓裂過(guò)程中裂隙的發(fā)育、延伸和滲透等規(guī)律[4]。

        2.1 模型的建立

        本次數(shù)值模擬以位于晉城市的唐安煤礦為研究對(duì)象,該礦生產(chǎn)能力180 萬(wàn)t/a,瓦斯等級(jí)高瓦斯礦井,目前開(kāi)采3 號(hào)煤層,開(kāi)采水平+752 m,采深超過(guò)500 m。為研究水力壓裂對(duì)3 號(hào)煤層煤巖體的非均勻性受壓的影響過(guò)程,建立了均質(zhì)度m=20 的數(shù)值計(jì)算模型。在模擬的計(jì)算過(guò)程中,滲流分析采用穩(wěn)態(tài)分析,煤巖體采用彈性軟化損傷模型,鉆孔內(nèi)的初始孔壓P為0.0 MPa,并且以1 MPa/step 的壓力遞增。模型的水平壓力和垂直壓力計(jì)算得10.5 MPa 和15.5 MPa,并以此為邊界條件,其他參數(shù)見(jiàn)圖1、表1。

        圖1 數(shù)值計(jì)算模型尺寸

        表1 模型初始參數(shù)的設(shè)置

        2.2 數(shù)值模擬的孔隙水壓力分布云圖

        圖2(a~d)表示在均質(zhì)度m=20 時(shí),煤巖體在鉆孔水壓作用下產(chǎn)生壓裂直至破壞損傷的孔隙壓力分布圖,數(shù)據(jù)總迭代步數(shù)為99。

        根據(jù)模擬計(jì)算,水力壓裂主要以縱向裂縫擴(kuò)展為主,沿著水壓裂縫擴(kuò)展的方向上鉆孔布置可相對(duì)稀疏,而垂直水壓裂縫擴(kuò)展方向的鉆孔相對(duì)稠密,以達(dá)到瓦斯抽采經(jīng)濟(jì)、可靠的目的。壓裂大致分為三個(gè)階段,圖2(a)為預(yù)裂階段:此階段模型受壓較小,孔邊應(yīng)力和孔隙水壓力基本呈線性增加,近鉆孔位置的水壓分布接近于圓形;圖2(b)、(c)為穩(wěn)定擴(kuò)展階段:當(dāng)水壓在14 MPa時(shí)產(chǎn)生破壞裂紋,并在水壓再迭代一定步數(shù)后保持穩(wěn)定擴(kuò)展;圖2(d)為失穩(wěn)破裂階段:隨著水壓的增大,煤巖體受破壞的區(qū)域急劇增多,高水壓和高應(yīng)力區(qū)域沿裂紋尖端前移,直至煤巖體發(fā)生完全失穩(wěn)破壞。

        2.3 瓦斯抽采的影響分析

        在壓裂孔形成后,瓦斯含量將以裂孔為中心形成瓦斯低量區(qū)、富集區(qū)和常規(guī)區(qū)域。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn),其中瓦斯含量富集區(qū)的分布形態(tài)與水力壓裂所造成的孔隙水壓力分布圖基本一致。這說(shuō)明在對(duì)煤巖體進(jìn)行水力壓裂后,煤巖體的空隙再一次擴(kuò)張,瓦斯的運(yùn)移與受壓狀態(tài)成正比關(guān)系,在裂縫周?chē)纬闪烁鼜V闊的瓦斯運(yùn)移通道。同時(shí),原本相對(duì)穩(wěn)定賦存的瓦斯在水力壓裂的刺激下,其流動(dòng)特性得以充分釋放[5]。該模擬結(jié)果說(shuō)明水力壓裂技術(shù)可以很好地提升唐安煤礦3 號(hào)煤層的煤巖體內(nèi)的瓦斯抽采效果。

        3 W-S-W 水力壓裂技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

        3.1 工程地質(zhì)條件

        唐安煤礦3 號(hào)煤層位于山西組下部,部分區(qū)域的埋藏深度超過(guò)500 m,煤層厚度3.06~6.76 m,平均厚5.75 m,為穩(wěn)定可采的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層。

        3.2 水力壓裂鉆孔布置及分析

        水力壓裂的施工地點(diǎn)為唐安煤礦3 號(hào)煤層3302工作面,在底抽巷鉆場(chǎng)內(nèi)施工,距頂板0.7 m 處起鉆,水力壓裂孔的孔徑90 mm 以?xún)?nèi)。本次井下壓裂增透將分三個(gè)階段進(jìn)行:

        階段1:常規(guī)水力壓裂階段。唐安煤礦單泵進(jìn)行常規(guī)水力壓裂施工,水壓保持在(20±1) MPa的范圍,持續(xù)壓裂4.5 h,壓入水量約55 t。第1 階段壓裂完成后檢查巷道滲水情況,發(fā)現(xiàn)周?chē)鷰r體并無(wú)明顯滲水征兆后實(shí)施第2 階段。

        階段2:含支撐劑(石英砂) 水力壓裂。將含有一定比例支撐液的20 t 固液混合物在水壓25 MPa的工況下壓入裂縫,預(yù)計(jì)施工時(shí)間1.5 h。在支撐劑注入完成后可發(fā)現(xiàn),階段1 所形成的水壓裂縫不再受地應(yīng)力影響而閉合,與更深層次的原生裂縫相貫通,煤巖體的透氣性進(jìn)一步得以提高。在壓裂結(jié)束后觀察壓裂處并無(wú)明顯掉渣和滲水情況后進(jìn)入第3階段。

        階段3:常規(guī)水力壓裂。重復(fù)進(jìn)行階段1 的操作,提高水壓至30 MPa,壓裂時(shí)間5 h,壓入水量 50 t。支撐液進(jìn)一步深入水壓裂縫與原生縫隙中,水力壓裂結(jié)束后觀察,發(fā)現(xiàn)僅在距壓裂點(diǎn)東西方向巷道幫部出現(xiàn)水漬和輕微掉漿,水力壓裂工作完成。

        3.3 水力壓裂效果對(duì)比

        為對(duì)比W-S-W 水力壓裂增透技術(shù)的效果,在該巷道北側(cè)200 m 處未進(jìn)行壓裂的區(qū)域進(jìn)行常規(guī)水力壓裂。在兩處壓裂結(jié)束后,分別對(duì)兩處的壓力區(qū)域以孔徑50 m 進(jìn)行煤體取樣,分別測(cè)對(duì)比煤樣的瓦斯含量、瓦斯抽采量等特性。

        對(duì)W-S-W 水力壓裂與常規(guī)水力壓裂技術(shù)的對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。瓦斯抽采量與瓦斯體積分?jǐn)?shù)的同期數(shù)據(jù)均隨抽采時(shí)間經(jīng)歷了3 個(gè)階段的變化,即上升期、回落期和穩(wěn)定期。如圖3(a),兩種技術(shù)達(dá)到峰值的時(shí)間均在8~10 d,隨后回落,并進(jìn)入穩(wěn)定抽采期。但與常規(guī)的水力壓裂技術(shù)相比,無(wú)論是從峰值(1.28 m3/min)還是從進(jìn)入穩(wěn)定期(0.73 m3/min)的瓦斯平均抽采量來(lái)看,W-S-W 水力壓裂技術(shù)都呈現(xiàn)出大幅增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。如圖3(b),W-S-W水力壓裂技術(shù)區(qū)域內(nèi)煤層的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)83%,較常規(guī)水力壓裂技術(shù)(48%)提高了73%;穩(wěn)定期平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)35.8%,較常規(guī)水力壓裂技術(shù)(13.9%)提高了61.1%。

        圖3 兩種水力壓裂技術(shù)效果對(duì)比圖

        4 結(jié)論

        (1)對(duì)于高瓦斯礦井,水力壓裂技術(shù)可以很好地對(duì)煤巖體造成破壞從而產(chǎn)生裂縫,讓瓦斯更好地?cái)U(kuò)散,利于瓦斯抽采能力的提升。

        (2)經(jīng)過(guò)RFPA2D-flow 模擬軟件對(duì)唐安煤礦3 號(hào)煤層損傷破裂過(guò)程的分析,發(fā)現(xiàn)在井下應(yīng)力的綜合作用下,裂縫主要以縱向裂縫擴(kuò)展為主,因此在鉆孔的布置上沿縱向的可相對(duì)稀疏,而裂縫水平擴(kuò)展方向的鉆孔則需相對(duì)密集,從而達(dá)到瓦斯的經(jīng)濟(jì)高效抽采。

        (3)對(duì)于埋藏較深的煤巖體,W-S-W 水力壓裂技術(shù)較傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)擁有更好應(yīng)用效果,通過(guò)對(duì)裂縫的深入支撐作用,從而提升瓦斯抽采效率。在進(jìn)入抽采穩(wěn)定期后瓦斯抽采量和抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別提高了82.5%和61.1%,并可以持續(xù)穩(wěn)定抽采40 d 左右,瓦斯抽采效果明顯。

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