李江濤,馬文偉

(1.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201; 2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122)

0 引言

煤礦瓦斯不但一種高效清潔能源,還對環(huán)境有著一定影響,同時也是制約煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。自然資源部發(fā)布的《全國石油天然氣資源勘查開采通報(2022年度)》,公布了截至2020年年底,累計探明煤層氣地質(zhì)儲量為7259.11億m3。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,到2021年中國煤層氣產(chǎn)量達(dá)到104.7億m3,占比僅為1.4%。我國煤層氣產(chǎn)量低的主要原因是,高瓦斯礦井尤其是深埋高瓦斯礦井普遍存在煤層透氣性差的情況,瓦斯抽采效果有限。水力壓裂作為一種提高低透氣性儲層產(chǎn) 量的技術(shù)已在瓦斯開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。壓裂使煤體內(nèi)形成大量的微裂隙和貫通裂隙,使煤層瓦斯快速地運(yùn)移出來,其壓裂效果與煤體原生裂隙、受力狀況、強(qiáng)度等相關(guān)[5-7],因此水力壓裂是增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采效率、降低瓦斯災(zāi)害有效的技術(shù)手段之一。

實(shí)踐表明,煤礦井下常規(guī)水力壓裂工藝對中硬以上煤層進(jìn)行增透改造更具有效果,但其裂紋擴(kuò)展范圍有限、擴(kuò)展方向不易控制,部分裂紋在失去水壓后重新閉合,使壓裂改造效果遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期,因此亟待開發(fā)新的壓裂工藝與配套裝備以提高壓裂效率。在復(fù)雜應(yīng)力條件下,裂紋起裂與擴(kuò)展規(guī)律研究仍不夠充分,特別是在特殊的壓裂技術(shù)和工藝條件下(聯(lián)動控制條件下的分段同步壓裂)裂紋起裂和擴(kuò)展規(guī)律、裂紋分布和影響范圍,尚缺乏理論支撐、實(shí)驗研究和實(shí)踐經(jīng)驗。

1 多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂技術(shù)及裝備工作原理

多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂裝備系統(tǒng)主要包括高壓泵站、高壓封孔膠囊、可調(diào)式高壓注水器、高壓密封推桿、聯(lián)動控制裝置(包括聯(lián)動控制分水箱和聯(lián)動控制箱),系統(tǒng)工藝布置及系統(tǒng)工作原理如圖1所示。穩(wěn)定可靠的壓裂裝備是實(shí)施壓裂工藝的前提,多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂系統(tǒng)中最核心的裝備為實(shí)現(xiàn)多孔同步壓裂的聯(lián)動控制裝置和保證封孔效果的高壓封孔膠囊。

圖1 多孔聯(lián)動控制同步分段水力壓裂工藝布置及系統(tǒng)工作原理示意圖

圖2 聯(lián)動控制系統(tǒng)整體流程示意圖

聯(lián)動控制箱(系統(tǒng))開機(jī)后,主控自動將3路壓裂孔的進(jìn)水閥門打開,啟動高壓泵站,高壓泵站將高壓水通過聯(lián)動控制系統(tǒng)的分水箱注入3路壓裂鉆孔中。隨著高壓水的持續(xù)注入,其中某一個壓裂孔與控制孔裂縫導(dǎo)通,高壓水通過導(dǎo)通的裂縫不斷從控制孔中排出,此時該管路中的水壓會有較大幅度的跌落(閾值可調(diào)),聯(lián)動控制箱通過壓力傳感器檢測到超過閾值的信號變化后,自動識別壓裂鉆孔管路,由電磁閥門控制氣動閥門關(guān)閉該路高壓水,剩余管路繼續(xù)進(jìn)行壓裂作業(yè)。當(dāng)所有壓裂組全部壓裂完成后,系統(tǒng)關(guān)閉泵站開關(guān),打開回水閥,將膠囊內(nèi)部高壓水卸壓后,將壓裂裝置推出壓裂孔,完成鉆孔壓裂。

2 多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

為指導(dǎo)多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂技術(shù)及裝備的現(xiàn)場應(yīng)用,確定多孔分段壓裂參數(shù),本次工程應(yīng)用選取礦井為山西三元煤業(yè)股份有限公司(以下簡稱“三元煤業(yè)”),該礦是晉能集團(tuán)長治有限公司下轄的主力生產(chǎn)礦井,年生產(chǎn)能力為2.60 Mt/a,現(xiàn)階段的主采煤層為位于二疊系山西組下部的3號煤層。具體實(shí)驗地點(diǎn)為三元煤業(yè)四采區(qū)4302工作面(運(yùn)輸順槽長1197 m,回風(fēng)順槽長1348 m,切眼長189 m)的運(yùn)輸順槽(煤層埋深為367 m,煤層平均厚度為7.25 m,傾角10°,堅固性系數(shù)在0.53～1.00之間),該區(qū)域煤體強(qiáng)度較高,且為變質(zhì)程度較高的貧瘦煤,原始孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育,有利于壓裂過程中裂縫的延展。根據(jù)礦井地質(zhì)資料和開采現(xiàn)狀建立試驗工作面運(yùn)輸順槽煤層順層多鉆孔水力壓裂的數(shù)值計算模型。水力壓裂是一個復(fù)雜的非線性的強(qiáng)流固耦合過程,在研究中往往需要通過簡化和設(shè)定初始條件來最大程度地還原、反映、模擬該過程。由于損傷模型能很好地模擬水力壓裂擴(kuò)展,同時可以分析多裂縫擴(kuò)展中的應(yīng)力干擾作用,因此本論文在水力壓裂的參數(shù)敏感性分析和現(xiàn)場尺度多段壓裂研究方面使用損傷壓裂模型進(jìn)行模擬研究。本次研究選取水力壓裂KGD模型利用擴(kuò)展有限元法(XFEM)模擬分析其分段壓裂過程,為其現(xiàn)場工業(yè)性試驗的分段壓裂參數(shù)設(shè)計提供理論參考。

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建的邊界條件和模擬方案

基于水力壓裂損傷模型進(jìn)行分段壓裂研究,數(shù)值模型大小為40 m×20 m,壓裂孔直徑為94 mm,沿同一鉆孔由內(nèi)向外布置3個壓力點(diǎn),巷幫距最近壓裂點(diǎn)的距離為20 m,建立4種相鄰壓裂點(diǎn)間距的數(shù)值計算模型,相鄰壓裂點(diǎn)間距分別為4 m、6 m、8 m和10 m,每個模型的壓裂點(diǎn)均以66.67 L/min的恒定排量進(jìn)行壓裂,擬通過數(shù)值模擬分析得到其分段壓裂的主要壓裂參數(shù)和壓裂點(diǎn)間距對其壓裂效果的影響。

表1 多孔分段壓裂模型基本物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬結(jié)果

圖3給出的不同壓裂段間距下孔壓及裂縫擴(kuò)展云圖直觀地表明,隨著壓裂段間距的增大,裂縫間相干效應(yīng)隨之降低,當(dāng)壓裂段間距超過某一個間距后其裂縫間相干效應(yīng)消失,分段壓裂與單一壓裂現(xiàn)象相同,例如:當(dāng)壓裂時長為6000 s,壓裂段間距為4 m或6 m時,裂縫兩側(cè)孔壓最大為0.197～0.211 MPa,受顯著的裂縫間相干效應(yīng)影響,三個壓裂段的壓裂裂縫長度相差較大;當(dāng)壓裂段間距超過8 m或10 m時,裂縫兩側(cè)孔壓最大為0.181～0.188 MPa,裂縫間相干效應(yīng)基本消失,三個壓裂段的壓裂裂縫長度基本一致。圖4給出的中間壓裂段入口壓力時程曲線表明,不同壓裂段間距下裂縫起裂壓力基本一致,為24.31～24.36 MPa,壓裂段間距為4 m時壓裂初期1000 s內(nèi)的穩(wěn)定擴(kuò)展壓力為11～13 MPa,壓裂后期的穩(wěn)定擴(kuò)展壓力約為10.5 MPa;當(dāng)壓裂段間距超過8 m或10 m時,整個壓裂期間的穩(wěn)定擴(kuò)展壓力幾乎不發(fā)生變化,為11.5 MPa左右。圖5給出的不同壓裂段間距下入口張開度時程曲線同樣直觀地表明,當(dāng)壓裂段間距較小時,相鄰壓裂段間存在顯著的裂間相干效應(yīng),當(dāng)壓裂段間距超過一定間距時,相鄰壓裂段間的相干效應(yīng)開始消失,例如:當(dāng)壓裂段間距為4 m時,入口張開度在壓裂時長962 s時達(dá)到最大,為24.51 mm。當(dāng)壓裂段間距為6 m時,入口張開度在壓裂時長1930 s時達(dá)到最大,為26.9 mm;當(dāng)壓裂段間距為8 m和10 m時,入口張開度在壓裂時長4000～4500 s左右時分別達(dá)到最大,分別為29.65 mm和31.62 mm。圖6進(jìn)一步表明,隨壓裂段間距的增大,相同壓裂時長下裂縫擴(kuò)展長度越來越接近,即相鄰裂間相干效應(yīng)隨之降低,例如:當(dāng)壓裂段間距為4 m和6 m時,相同壓裂時長下裂縫擴(kuò)展長度相差較大,當(dāng)壓裂段間距為8 m和10 m時,相同壓裂時長下裂縫擴(kuò)展長度相差較小。

圖3 不同壓裂段間距下裂縫擴(kuò)展及孔壓(kPa)云圖:壓裂時間3000 s

圖4 不同壓裂段間距下入口壓力時程曲線

圖5 不同壓裂段間距下入口張開度時程曲線

圖6 不同壓裂段間距下裂縫擴(kuò)展長度時程曲線

綜上礦井煤層試驗工作面運(yùn)輸順槽在不同壓裂段間距下水力壓裂數(shù)值模擬分析結(jié)果可知,當(dāng)壓裂段間距超過8 m或10 m時,壓裂段壓裂效果幾乎不再受壓裂段間距的影響,即每個壓裂段的起裂壓力、穩(wěn)定擴(kuò)展壓力、裂縫擴(kuò)展速度基本一致。因此,當(dāng)?shù)V井煤層采用分段水力壓裂工藝時,綜合上述各種因素對水力壓裂效果的影響,為獲得相對較好的壓裂效果,相鄰壓裂段間距為10 m左右,注水泵壓力至少24 MPa,以66.67 L/min的恒定排量進(jìn)行壓裂的連續(xù)壓裂時間至少為100 min。因此選取工作壓力為31.5 MPa,公稱流量為400 L/min的BRW400/31.5型泵站。

壓裂鉆孔和控制孔之間的距離根據(jù)工程經(jīng)驗的同時參照分段間距分別取5 m與10 m進(jìn)行考察確定。

3 多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂技術(shù)工程應(yīng)用

3.1 壓裂方案設(shè)計

根據(jù)上述多孔分段同步水力壓裂數(shù)值模擬結(jié)果,本次試驗設(shè)計壓裂距離分別為5 m(用于參考比較)和10 m的兩種距離的多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂試驗,考慮到多孔壓裂水量供應(yīng)的問題,本次采用分段壓裂方式,壓裂段間距10 m,直徑94 mm,注水泵最大壓力30 MPa。鉆孔及裝備布置方式如圖7所示,兩種壓裂孔間距下的壓裂參數(shù)見表2和表3。

表2 5 m壓裂間距時鉆孔布置參數(shù)

表3 10m 壓裂間距時鉆孔布置參數(shù)

圖7 井下多孔聯(lián)動控制同步分段水力壓裂鉆孔及裝備布置示意圖

壓裂孔與控制孔間距為5 m時,鉆孔的參數(shù)設(shè)置見表2。壓裂孔與控制孔間距為10 m時,鉆孔的參數(shù)設(shè)置如表3所示, 根據(jù)上述多孔分段同步水力壓裂數(shù)值模擬結(jié)果,本次試驗分別進(jìn)行壓裂距離分別為5 m和10 m的兩種距離的多孔聯(lián)動控制同步水力壓裂試驗,考慮到多孔壓裂水量供應(yīng)的問題,本次采用分段壓裂方式。

圖8給出Y-1-1,Y-1-2,Y-1-3壓裂鉆孔的首段壓力時程曲線,分析可知,各個壓裂孔的壓力時程曲線變化趨勢基本一致。高壓泵設(shè)置的初始壓力為30 MPa,流量為200 L/min(一分三)。開啟高壓泵后,由于分段壓裂時壓裂段空間較小,高壓水很快就充滿壓裂空間,各個壓裂鉆孔在1 min之內(nèi)壓力即達(dá)到起裂壓力,其中Y-1-1鉆孔起裂壓力為23.3 MPa,Y-1-2鉆孔起裂壓力為24.2 MPa,Y-1-3鉆孔起裂壓力為25.4 MPa。煤體起裂后,隨著高壓水的持續(xù)注入,各個壓裂鉆孔內(nèi)的壓力會有一個小的跌落,在之后的一段時間內(nèi),壓裂孔內(nèi)水壓在一個小范圍內(nèi)波動,總體呈下降趨勢,但相對保持穩(wěn)定,這段時間即為鉆孔的壓裂過程,即裂紋擴(kuò)展過程。Y-1-1鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為26 min,Y-1-2鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為33 min,Y-1-3鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為38 min。在裂紋擴(kuò)展到一定距離后,壓裂孔會與控制孔溝通,此時,壓裂鉆孔內(nèi)的水壓會有一個很大幅度的跌落,且跌落后繼續(xù)注入高壓水后,壓力也不會再上升,Y-1-1鉆孔裂紋溝通時間約為28 min,Y-1-2鉆孔裂紋溝通時間約為35 min,Y-1-3鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為40 min,統(tǒng)計3孔單段壓裂的耗水量約為10 t。

圖8 5 m間距壓裂鉆孔壓力時程曲線

圖9給出Y-2-1,Y-2-2,Y-2-3壓裂鉆孔的首段壓力時程曲線,分析可知,各個壓裂孔的壓力時程曲線變化趨勢基本一致。高壓泵設(shè)置的初始壓力為30 MPa,流量為200 L/min(一分三)。開啟高壓泵后,由于分段壓裂時壓裂段空間較小,高壓水很快就充滿壓裂空間,各個壓裂鉆孔在1min之內(nèi)壓力即達(dá)到起裂壓力,其中Y-2-1鉆孔起裂壓力為22.8 MPa,Y-1-2鉆孔起裂壓力為24.1 MPa,Y-1-3鉆孔起裂壓力為22.3 MPa。煤體起裂后,隨著高壓水的持續(xù)注入,各個壓裂鉆孔內(nèi)的壓力會有一個小的跌落,在之后的一段時間內(nèi),壓裂孔內(nèi)水壓在一個小范圍內(nèi)波動,總體呈下降趨勢,但相對保持穩(wěn)定,這段時間即為鉆孔的壓裂過程,即裂紋擴(kuò)展過程,Y-2-1鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為88min,Y-2-2鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為83 min,Y-2-3鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為98 min。在裂紋擴(kuò)展到一定距離后,壓裂孔會與控制孔溝通,此時,壓裂鉆孔內(nèi)的水壓會有一個很大幅度的跌落,且跌落后繼續(xù)注入高壓水后,壓力也不會再上升,Y-2-1鉆孔裂紋溝通時間約為90 min,Y-2-2鉆孔裂紋溝通時間約為85 min,Y-2-3鉆孔裂紋擴(kuò)展時間約為100 min,統(tǒng)計3孔單段壓裂的耗水量約為25 t。

圖9 10 m間距壓裂鉆孔壓力時程曲線

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

鉆孔壓裂完成后,將各個壓裂孔與其溝通的控制孔作為一組,接入抽采系統(tǒng),每天統(tǒng)計各個編組的瓦斯抽采濃度值、瓦斯抽采混合流量及瓦斯抽采純量。根據(jù)實(shí)際情況,進(jìn)行不間斷持續(xù)抽采,由于現(xiàn)場情況的特殊性,第一組(鉆孔5 m間距)和第二組(鉆孔10 m間距)鉆孔的記錄時間均為30 d。

對比分析各組中壓裂鉆孔與未壓裂鉆孔數(shù)據(jù),隨著抽采的進(jìn)行,壓裂組和對比組的瓦斯?jié)舛染氏陆第厔?但煤體壓裂后,瓦斯抽采濃度會有一定程度的提高。第一組(鉆孔5 m間距)瓦斯抽采濃度壓裂后相比壓裂前平均提高1.2倍,第二組(鉆孔10 m間距)瓦斯抽采濃度壓裂后相比壓裂前平均提高1.10倍,如圖10所示。煤體壓裂后,瓦斯抽采純量會有較大的提高。第一組(鉆孔5 m間距)瓦斯抽采純量壓裂后相比壓裂前平均提高2.44倍,第二組(鉆孔10 m間距)瓦斯抽采純量壓裂后相比壓裂前平均提高2.12倍,見圖11。第一組(鉆孔5 m間距)瓦斯抽采混合流量壓裂后相比壓裂前平均提高2.17倍,第二組(鉆孔10 m間距)瓦斯抽采混合流量壓裂后相比壓裂前平均提高1.96倍,如圖12所示。

圖11 壓裂與未壓裂鉆孔瓦斯抽采純量對比

圖12 壓裂與未壓裂鉆孔抽采瓦斯混合流量對比

4 結(jié)論

(1) 通過理論分析和井下鉆孔水力壓裂現(xiàn)場試驗效果對比,研究發(fā)現(xiàn)在井下移動高壓水力泵站P≥30 MPa,L≥200 L/min的前提條件下,分段同步水力壓裂鉆孔間距和同一鉆孔壓裂間距均為10 m時,壓裂后的單日瓦斯抽采量比未壓裂時有顯著的提高,應(yīng)用效果良好。

(2) 通過多孔分段同步水力壓裂增透技術(shù)及裝備,在某煤礦試驗工作面運(yùn)輸順槽開展了現(xiàn)場試驗,分別實(shí)施了鉆孔壓裂間距5 m和10 m范圍兩種情況下的同步壓裂,結(jié)果表明各壓裂孔的壓力時程曲線形式基本相同,煤體起裂壓力為22.3～25.4 MPa,穩(wěn)定擴(kuò)展壓力為18 MPa左右。

(3) 對實(shí)際工程中壓裂前后鉆孔瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明壓裂后的區(qū)域煤層瓦斯抽采量、抽采濃度及抽采純量均有顯著的提高。但是鉆孔間距5 m和10 m的瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采混合流量、瓦斯抽采純量相差不大,從工程量和壓裂周期考慮,10 m鉆孔間距是更合理的鉆孔間距,這與數(shù)值模擬結(jié)論相一致。