1、第 8 期 山 西 焦 煤 科 技 No.82023 年 8 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyAug.2023试验研究收稿日期:2023-05-09作者简介:梁建国(1982),男,河北石家庄人,2017 年毕业于中国矿业大学,助理工程师,主要从事煤矿开采技术管理工作(E-mail)15966757654 非均质性煤层水力压裂增透技术与效果分析梁建国(山西新元煤炭有限责任公司,山西晋中045400)摘要针对新元煤矿 3 号煤层水力压裂增透技术的工程应用,采用 RFPA2D-Flow 模块结合Weibull 分布函数建立非均质条件下的水力压裂双孔模型,
2、并分析了裂缝的扩展规律与双孔布置间距。结果表明:裂缝沿水平应力方向进行扩展,并受制于非均质性而发生偏移。通过声发射判断 9 m钻孔布置间距最为合理。实施水力压裂技术后瓦斯抽采浓度提升了 3.6 倍,抽采流量提升了 3.0 倍。关键词瓦斯抽采;水力压裂;双孔布置间距;非均质性中图分类号:TD712.6文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)08-0014-041工程概况新元煤 矿 拟 开 采 3 号 煤 层,煤 层 埋 藏 深 度 为450.5498.0 m.煤层走向长度 2 162.7 m,倾斜长度219.8 m,平均厚度 2.2 m,平均倾角 4.预测在构造范围内 3 号煤层瓦
3、斯含量增大,绝对瓦斯涌出量为33.68 m3/min,相对瓦斯涌出量为 8.82 m3/t,煤尘具有爆炸危险性。为保证矿井工作面的安全生产,强化瓦斯抽采效果,拟采取水力压裂技术增强煤层渗透率。因此,以新元煤矿 3 号煤层为研究对象,对水力压裂裂缝的扩展机理与布置参数进行研究,并进行现场技术实验。2双孔条件下裂缝扩展规律水力压裂技术作为煤层瓦斯抽采增透技术是利用高压水促使煤层中的弱面发生张拉破裂,增加煤层的渗透率1-2.为探究水力压裂技术双孔作用下的裂缝扩展规律,采用 RFPA 数值模拟软件进行建模分析,RFPA 软件相较于传统的工程数值模拟软件可以更好地模拟岩石破坏过程,并且对于流固耦合模拟与
4、非均质、各向异性模拟的建模与求解更为开放。采用RFPA2D-Flow 模块,建立非均质煤储层,模拟水力压裂裂缝的扩展延伸过程3.2.1考虑非均质性的水力压裂数值模型建立双孔条件下的水力压裂钻孔数值模型,设置模型尺寸为 30 m20 m,划分为 300200 个单元格,压裂钻孔直径设置为 100 mm,模拟水压为 5 MPa,随着计算步长增长幅度为 0.5 MPa.根据 Biot 有效应力理论作为流固耦合计算原理,模型单元节点破坏时符合最大拉应力与摩尔库伦准则。模型的四周边界设置为应力边界条件,垂直应力为 8 MPa,水平应力为 6 MPa.为模拟煤储层的非均质特性,假设煤体材料参数符合 Wei
5、bull 概率密度分布,其分布函数如式(1)所示:f()=0()(-1)e-0()k(1)式中:为材料的物理参数;0为材料参数的平均值;为分布函数参数,其数值代表材料的均质度。根据新元煤矿煤体测试参数,选用数值模拟参数见表 1.2.2裂缝扩展规律分析对数值模拟模型进行计算分析,绘制不同注水压力条件下的水力压裂最大拉应力云图,见图 1.由图 1 可知,当注水压力达到 6.5 MPa 时,钻孔周围出现明显的应力集中,受地层偏应力的影响,最大拉应力主要分布在钻孔的左右两侧。当注水压力持续增加到 11.0 MPa 时,钻孔两侧在应力集中的影响下发生尖端张拉破坏,此时钻孔周围的最大拉应力范围向外延伸,在
6、两孔中间出现应力叠加区。当注水压力为 18.0 MPa 时,受钻孔中部应力叠加区的影响,裂隙向中部的延伸程度大于向外边界的延伸程度。注水压力在 10 20 MPa 时,属于裂隙的稳定扩展阶段,在煤层非均质性的影响下,裂隙的扩展具有一定的倾角,最终并未形成贯通联系。为探究水力压裂钻孔的合理布置间距,拟对不同布置间距下的双孔裂缝扩展规律进行研究。表 1数值模拟参数表模拟参数均质度弹性模量/GPa内摩擦角/()抗拉强度/MPa压拉比残余强度系数Biot系数渗透系数/(m d-1)泊松比孔隙率拉应变系数压应变系数孔隙水压力/MPa数值4.00.523.00.430.110.10.30.11.52005
7、.0图 1不同注水压力下水力压裂过程中最大拉应力云图3双孔布置间距对裂缝扩展规律的影响理论上,两个邻近的水力压裂增透钻孔的塑性卸压区范围应表现出相切状态。当钻孔的施工范围较近时,钻孔抽采的影响范围会出现叠加区域,导致瓦斯钻孔的施工成本增加。当钻孔施工间距过大时,钻孔抽采的影响范围无法覆盖煤体,钻孔之间的瓦斯将难以被有效抽采,为安全生产埋下隐患。为探究水力压裂钻孔的合理布置间距,设置 5 m、7 m、9 m 的水力压裂双孔布置间距,并结合声发射进行监测。通过监测水压力可判断水力压裂影响范围与裂隙宏观扩展状态,监测声发射点位可以判断塑性卸压区的范围。不同钻孔间距下的孔隙水压力与声发射演化见图 2,
8、3,4.由图 2,3,4 可知,水力压裂钻孔的裂缝扩展方式并不随着钻孔布置间距而发生改变,均沿着最小地应力方向进行扩展,并受制于煤储层的非均质性而发生偏移。当钻孔为 5 m 布置间距,水压达到 15.5 MPa时,两钻孔的宏观裂隙发生贯通,采用此种布置间距的瓦斯抽采效果较好,但会降低经济效益。当钻孔布置间距为 7 m,水压达到 16.5 MPa 时,两钻孔的裂隙产生贯通,声发射圈的叠加程度较高,即塑性卸压区的重叠部分较大。当钻孔布置间距为 9 m,水压力为19 MPa 时,两个钻孔产生的裂隙并未发生贯通,声发射圈处于相切状态,当钻孔压力上升至 20 MPa 时,塑性卸压区的范围增大,仍然处于相
9、切状态,表明此时水力压裂钻孔的利用效率最高。综上所述,钻孔布置间距为 9 m 时,钻孔压裂的影响半径约为 4.5 m,达到有效利用的最大化。图 25 m 双孔间距下孔隙水压力与声发射演化图 图 37 m 双孔间距下孔隙水压力与声发射演化图 512023 年第 8 期梁建国:非均质性煤层水力压裂增透技术与效果分析图 49 m 双孔间距下孔隙水压力与声发射演化图 4水力压裂工艺流程根据新元煤矿 3502 工作面的地质条件,设计 4组实验钻孔,每组实验钻孔包含 3 个压裂钻孔与 9 个控制钻孔,2 个压裂钻孔中间布置 3 个控制钻孔,水力压裂钻孔布置间距为 9 m,控制钻孔的布置间距为2 m,钻孔的
10、开孔高度位于煤层中间,即距离顶板与底板 1.1 m,钻孔直径为 94 mm,倾角为 2428.钻孔布置的平面图与剖面图见图 5.5水力压裂抽采效果分析5.1瓦斯抽采效果对比分析将水力压裂前后的瓦斯抽采浓度与瓦斯流量监测数值绘制成曲线,见图 6.实施水力压裂技术后,增强了煤层的渗透性,瓦斯抽采浓度与抽采流量提升效果显著。实施水力压裂技术后的瓦斯抽采浓度平均为 50.7%,平均流量为 0.03 m3/min,未实施水力压裂的常规条件下瓦斯抽采平均浓度 14.1%,平均流量 0.01 m3/min,相比之下,瓦斯抽采浓度提升了 3.6倍,瓦斯抽采流量提升了 3.0 倍。图 5瓦斯抽采钻孔布置图61山
11、 西 焦 煤 科 技2023 年第 8 期5.2瓦斯抽采半径分析随着抽采时间的增加,煤层内部瓦斯抽采的有效影响半径会逐渐增加,3 号煤层实验孔的瓦斯抽采流量见图 7.为判断瓦斯抽采有效半径的影响范围随时间的演化趋势,采用式(2)进行计算:RcQcLW(2)式中:Qc为瓦斯抽采半径内的瓦斯储量,m3;Rc为有效抽采半径,m;为煤体密度,1.37 t/m3;W 为煤层原始瓦斯含量,8.53 m3/t;L 为有效钻孔长度,50 m;为抽采率,30%.图 6瓦斯抽采效果对比图计算得到不同抽采时间下的瓦斯有效影响半径,见表 2.根据计算结果可知,随着抽采时间的逐渐增加,有效抽采半径的增加幅度逐渐降低,预
12、测当瓦斯抽采的有效半径达到 3.0 m 时,对应的抽采时间为 85 天,未进行水力压裂实 验时,瓦斯 抽 采 有 效 半 径 达 到3.0 m 时,对应的抽采时 间为 102 天,同 比缩短了17 天。图 7瓦斯抽采时间与抽采量观测图表 2不同抽采时间下的瓦斯有效影响半径表抽采时间/d3040506085(预测)有效半径/m1.82.12.32.53.0(预测)6结论1)采用 RFPA2D-Flow 模块结合 Weibull 分布函数建立非均质煤储层条件下的水力压裂双孔模型。钻孔裂缝沿最小地应力方向进行扩展,并受制于煤储层的非均质性而发生偏移。2)根据裂纹扩展与声发射情况,判断钻孔布置间距为
13、9 m 时,钻孔压裂的影响半径约为 4.5 m,水力压裂钻孔的利用率达到最大化。3)实施水力压裂技术后,瓦斯抽采浓度提升了3.6 倍,瓦斯抽采流量提升了 3.0 倍。预测当瓦斯抽采的有效 半 径 达 到 3.0 m 时,同 比 抽 采 时 间 缩 短17 天。参考文献1刘毅,甘路军,尹明珩,等.天池煤矿 CO2气相压裂强化增透瓦斯抽采技术研究J.山西焦煤科技,2023,47(1):54-56.2冯仁俊.煤层群分层水力压裂与多层综合压裂增透效果对比研究J.煤矿安全,2021,52(12):21-28.3从常奎.王峰煤矿 3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究J.煤炭技术,2022,41(1):137-141.712023 年第 8 期梁建国:非均质性煤层水力压裂增透技术与效果分析
