變流量縫網(wǎng)壓裂技術(shù)在松軟煤層中的研究與應(yīng)用

鄧敢博

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤層開采深度的不斷加深[1-3]，煤層滲透率進(jìn)一步降低，滲透率成為了提高瓦斯抽采效率的主控因素。對煤層采取水力化措施是增加滲透率的常用方法之一，高壓水注入到煤層中，不僅增加了透氣性，水?dāng)D壓了煤層瓦斯的吸附空間，促進(jìn)了其解吸。從應(yīng)用效果來看，水力壓裂以其增透范圍廣泛、成本相對低廉，在各煤礦取得了廣泛的應(yīng)用。雖然井下水力壓裂的工藝和壓裂過程相對成熟，但是對壓裂施工參數(shù)的合理性分析不夠準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致達(dá)不到預(yù)期的壓裂效果，反而會發(fā)生其他事故，如誘發(fā)煤與瓦斯突出、頂?shù)装迤扑?、煤體變形等。因此，合理的施工參數(shù)對于提高煤層滲透率、進(jìn)而促進(jìn)瓦斯抽采具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]。

近年來，對于改進(jìn)深部煤層水力壓裂工藝、提高壓裂效果方面，國內(nèi)外做了大量的研究工作[6-9]。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，在煤層形成一個立體縫網(wǎng)系統(tǒng)，提高瓦斯導(dǎo)流能力。但由于這種工藝的高壓力和流量對壓裂設(shè)備、人員面臨巨大的挑戰(zhàn)，并且由于煤層儲存的復(fù)雜性、非均質(zhì)性，對于“穩(wěn)定大排量”注入的方式并不敏感，不易讓煤巖產(chǎn)生破裂及裂縫發(fā)的延伸，反而會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，但因在深部煤層地應(yīng)力高等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的緣故，采用一般的注水應(yīng)用效果并不理想，加大注水壓力又會導(dǎo)致壓裂事故的產(chǎn)生。在井下低滲透氣性松軟煤層水力壓裂的施工中，由于松軟煤層致裂主要呈現(xiàn)剪切破壞，與常規(guī)壓裂起裂方式不同，在保證安全作業(yè)的前提下，形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)[10]，提高水力壓裂增滲效果是目前急需解決的問題。因此，在論述煤儲層水力壓裂機(jī)理和過程的基礎(chǔ)上，從理論上分析注水壓力對煤層水力壓裂效果的影響，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用，最終確定出合理的注水壓力。對于提高煤層滲透率，最終提升瓦斯抽采效率，同時對水力壓裂技術(shù)在煤礦上的推廣應(yīng)用具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

1 松軟煤層縫網(wǎng)壓裂機(jī)理

縫網(wǎng)壓裂技術(shù)起先用于低滲透率的砂巖油氣藏、頁巖氣藏的壓裂設(shè)計[11-12]，其主要目的不是單一地增加裂縫的長度及高度的導(dǎo)流能力，而是在結(jié)合設(shè)計合理的水力壓裂施工參數(shù)及儲層特征參數(shù)，最大限度地提高主裂縫轉(zhuǎn)向的可能性，最終形成主裂縫及多個分支裂縫相互交叉的類似網(wǎng)格狀的縫網(wǎng)系統(tǒng)。微縫網(wǎng)的形成與保持是實現(xiàn)增透有效的充要條件，煤層最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差是裂縫擴(kuò)展的先決條件；小于塑性煤體起裂壓力時，微縫網(wǎng)不再延展，但應(yīng)力場的作用將使煤體繼續(xù)發(fā)生塑形變形(不可恢復(fù))，使得縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)得以固化保持(如砂子在應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性流變，其孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)不會閉合)，實現(xiàn)持續(xù)增透。對于大部分松軟煤層來說，其為非均質(zhì)體，包含著各類的缺陷和天然裂隙，因而要在松軟煤層中形成縫網(wǎng)，重點在于先在較大的原生主裂縫擴(kuò)展延伸，繼而在裂縫內(nèi)提升其凈壓力，使得天然裂隙或者煤儲層缺陷能夠張開，最后形成縫網(wǎng)。縫網(wǎng)壓裂得以進(jìn)行的力學(xué)原理是分支裂縫在儲層天然裂隙的擴(kuò)展上形成的[13]，如圖1所示。

圖1 松軟煤層水力壓裂縫網(wǎng)形成示意Fig.1 Schematic of hydraulic fracturing network formation in soft coal seam

一般來說，對于煤巖來說，天然裂隙發(fā)生的為張性破裂，根據(jù)Warpinski及Teufel破裂準(zhǔn)則，應(yīng)力與壓力的關(guān)系，如式(1)所示：

p>σn

(1)

而當(dāng)水力壓裂作用松軟煤層，在天然裂隙以剪應(yīng)力為主時，則天然裂隙在此刻易發(fā)生剪切滑移，此時：

|τ|>τ0+Kf(σn-p)

(2)

式中，σH和σh分別為最大和最小水平主應(yīng)力；τ0為松軟煤層內(nèi)部的黏聚力；τ為作用在天然裂隙的剪切應(yīng)力；Kf為天然裂隙的摩擦系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)典的彈性力學(xué)理論，正應(yīng)力和剪應(yīng)力之間的關(guān)系可由如式(3)、式(4)表示：

(3)

(4)

當(dāng)水力壓裂主裂縫與天然裂隙相交時，意味著之間已經(jīng)相互連通，隨著壓裂的進(jìn)行，壓裂液進(jìn)入到原生裂隙，此時原生裂隙的孔隙壓力變?yōu)椋?/p>

p(x，t)=σh+pnet(x，t)

(5)

將式(3)—(5)代入式(1)中整理得到，若煤層發(fā)生張性破裂時所需的凈壓力為：

(6)

而發(fā)生剪切破壞時，裂縫內(nèi)所需的凈壓力為：

Kfcos 2θ)]

(7)

pnet max(x，t)=σH-σh

(8)

因此，如果發(fā)生張性破裂時，破裂最大值為水平主應(yīng)力的差值。

(9)

Kfcos(arctanKf)]

(10)

由于軟煤的黏聚力相對較小，對破裂不起作用，因此與張性破裂一樣，發(fā)生剪切破壞的最大值依然為水平應(yīng)力之間的差值。

如上述分析可知，在含天然裂隙的松軟煤層中，水力壓裂主裂縫促使天然裂隙形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵條件是，施工裂縫內(nèi)的凈壓力大于煤儲層水平應(yīng)力之間的差值。

2 水力壓裂松軟煤層縫網(wǎng)壓裂的關(guān)鍵技術(shù)

按照上述縫網(wǎng)壓裂的力學(xué)原理可以得出，在施工中，理論上如果凈壓力達(dá)到水平應(yīng)力的差值，但對于原生裂隙不發(fā)育的部位，需加上煤體的抗張強(qiáng)度，此為臨界壓力，就可以在原生裂隙的基礎(chǔ)上形成新裂縫[14]。故在縫網(wǎng)壓裂的設(shè)計中最重要的是如何選擇合適的方法來提高裂縫內(nèi)的凈壓力。裂縫內(nèi)的凈壓力主要受到2種因素的影響：①松軟煤層儲層特征參數(shù)，如主應(yīng)力、彈性模量、泊松比等；②水力壓裂技術(shù)參數(shù)，如水力壓裂流量、壓力、壓裂液黏度及加砂比，如果將二維PK模型運用其中，則可得出裂縫內(nèi)流體壓力梯度方程如下：

(11)

式中，q為水力壓裂注入流量；μ為縫內(nèi)壓裂液的黏度；w為壓裂裂縫寬度。

在煤體中裂縫破裂及延伸過程中，分支裂縫的形成，需滿足以下破裂條件[15]：

(12)

(13)

式中，pf為煤體破裂張力；p0為初始孔隙壓力；σf為煤體抗張強(qiáng)度；φ為孔隙度；υ為泊松比。

根據(jù)現(xiàn)場施工的相關(guān)資料，推導(dǎo)出2個水平主應(yīng)力之間的差值Δσ的計算公式為：

Δσ=2σh-p0-pf+σf

(14)

根據(jù)石油行業(yè)經(jīng)驗[15-16]，提升縫內(nèi)凈壓力的方法主要有酸化預(yù)處理、變排量、變黏度、液量控制等。在實施手段主要有3種方法：①采用變參數(shù)射孔；②壓裂時變排量變粒徑加砂；③適時停泵。對于松軟煤層來說，其縫網(wǎng)壓裂設(shè)計不能單純地按照石油行業(yè)來進(jìn)行，需要考慮煤層的特點及盡量不傷害煤層的情況下進(jìn)行，而且松軟煤層一般采取清水壓裂，控制高壓水進(jìn)入煤層總量，一般采取變流量及適時停泵的方法進(jìn)行。

3 縫網(wǎng)壓裂現(xiàn)場試驗

3.1 試驗區(qū)域工作面概況

水力壓裂試驗區(qū)為平煤十二礦己15-31040工作面煤巷條帶區(qū)域，施工地點為己15-31040進(jìn)風(fēng)巷低位瓦斯治理巷。己15-31040工作面垂深928～977 m，平均煤厚3.3 m，煤層傾角平均10°，堅固性系數(shù)為0.3，為典型的松軟煤層[17]。

結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)資料及巷道布置情況，壓裂半徑按30 m，鉆孔間距為50 m，共試驗6個壓裂鉆孔，鉆孔終孔位置距煤層頂板0.5 m左右，不穿透煤層。壓裂鉆孔布置如圖2所示。

圖2 水力壓裂鉆孔布置Fig.2 Hydraulic fracturing drilling arrangement

3.2 壓裂設(shè)計思路及工藝

壓裂參數(shù)設(shè)計涉及到壓裂設(shè)備選型、壓裂施工參數(shù)及壓裂效果。其主要涉及泵注壓力及注入液量的設(shè)計。

3.2.1 壓裂設(shè)備選型

壓裂泵組示意如圖3所示，水力壓裂系統(tǒng)由壓裂泵、壓力表、專用水箱和封孔器組成。本次壓裂試驗泵體使用BYW450/70煤礦井下壓裂泵組，壓裂泵采用額定最大工作壓力70 MPa，最大水排量為450 L/min。壓裂泵組共分3個檔位，各檔位輸出壓力與流量參數(shù)見表1。

圖3 壓裂泵組示意Fig.3 Fracturing pump assembly diagram

表1 壓裂泵組輸出參數(shù)Tab.1 Fracturing pump set output parameters

高壓管路選用φ66.7 mm高壓膠管，鉆孔內(nèi)采用優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，鋼管抗壓承載能力不低于40 MPa。

3.2.2 裂縫凈壓力模擬

根據(jù)相關(guān)試驗[18]，該煤層最小主應(yīng)力為12 MPa，初始孔隙壓力為3 MPa，煤體抗張強(qiáng)度為0.45 MPa。根據(jù)初次試壓結(jié)果顯示，煤體破裂壓力為19 MPa。根據(jù)上述公式計算得到兩個水平主應(yīng)力差值為2.45 MPa，因此必須保證裂縫內(nèi)凈壓力大于2.45 MPa，才能使得分支縫的延伸與擴(kuò)展。

采用裂縫模擬的軟件，模擬了壓裂排量為0.2 m3/min時裂縫凈壓力的變化趨勢(圖4)。由圖4可知，若采取常規(guī)的穩(wěn)流量壓裂，裂縫內(nèi)的凈壓力只能達(dá)到2 MPa左右，因此必須采取提升裂縫內(nèi)部凈壓力的措施。

圖4 常規(guī)壓裂裂縫凈壓力模擬Fig.4 Conventional fracture net pressure simulation

變流量壓裂裂縫凈壓力模擬如圖5所示。采用非穩(wěn)定流量的壓裂措施對裂縫進(jìn)行模擬，由圖5可知，松軟煤層裂縫內(nèi)部凈壓力隨著流量的升高而升高，當(dāng)流量達(dá)到0.4 m3/min時，凈壓力達(dá)到2.6 MPa。如果保持高流量，壓裂泵勢必保持著高壓力，產(chǎn)生極大的安全隱患。而后隨著施工流量的降低，裂縫內(nèi)的凈壓力略有下降，當(dāng)流量降到0.2 m3/min時，裂縫內(nèi)凈壓力仍然能保持在2.5 MPa，完全滿足計算分支裂縫產(chǎn)生所需求的凈壓力。

圖5 變流量壓裂裂縫凈壓力模擬Fig.5 Simulation of net fracture pressure in variable flow fracturing

3.3 現(xiàn)場實施及壓后效果

壓裂鉆孔施工完成后，檢驗鉆孔是否按照設(shè)計參數(shù)施工。驗孔完成后，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72 h方可進(jìn)行高壓水力壓裂試驗。

3.3.1 水力壓裂現(xiàn)場實施過程

在此次煤層水力壓裂實施過程中，1號壓裂孔按如下步驟進(jìn)行：在按照管路連接好壓裂泵后，采用動態(tài)流量注水方法，從水力壓裂開始到結(jié)束，每次壓裂孔注水需要120 min左右(表1)，壓裂泵組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個檔位來回切換，開始先用第Ⅴ檔位，每5 min換到一個檔位，之后保壓10 min，后面又用5 min升高檔位，4個檔位交替進(jìn)行。根據(jù)監(jiān)控視頻顯示，當(dāng)頂板或者巷幫裂隙分別出現(xiàn)小范圍陰濕時，此時停止水力壓裂、關(guān)閉閥門，其余壓裂孔按照常規(guī)穩(wěn)流量進(jìn)行壓裂。壓裂過程中的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 各孔壓裂相關(guān)參數(shù)Tab.2 Fracturing parameters of each hole

從表2可以看出，2號—6號壓裂孔在注水壓力、保壓壓力、14 d后最終壓力及累計注水量趨于一致，而1號壓裂孔壓裂過程中的參數(shù)明顯高于其他孔，這說明1號壓裂孔周圍較其他孔形成了較為豐富的裂隙，表現(xiàn)為較高的保壓壓力及較大的累計注水量。

3.3.2 水力壓裂煤巖效果考察

壓裂孔壓裂過程中，均未發(fā)現(xiàn)巷道頂板變形的預(yù)兆。1號壓裂孔保壓時間最長，初期保壓23 MPa，14 d后孔口保壓壓力仍有8 MPa；2號、3號、5號和6號壓裂孔14 d后的保壓壓力均降為0。2號壓裂孔和3號壓裂孔壓裂過程中巷道頂板漏水較為嚴(yán)重，形成了幾處雨簾，隨著多次壓裂的開展，漏水現(xiàn)象得到明顯減緩。4號、5號和6號壓裂孔壓裂過程中巷道頂板無明顯漏水現(xiàn)象，巷道頂板完整性較好。

3.3.3 壓裂后抽采效果考察

進(jìn)行單孔平均瓦斯抽采濃度和單孔瓦斯抽采純量考察，并與相鄰己15-31030采面之前常規(guī)穩(wěn)定流量壓裂、未壓裂區(qū)域抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(圖6、圖7)。

圖6 煤層區(qū)域抽采濃度對比曲線Fig.6 Extraction concentration comparison curve in fractured zone

圖7 煤層區(qū)域單孔抽采純量對比曲線Fig.7 Scalar correlation curve of single hole extraction in fractured area

通過以上數(shù)據(jù)得出，1號孔變流量縫網(wǎng)水力壓裂后該區(qū)域抽采30 d瓦斯抽采平均濃度達(dá)到48.36%，2號—6號孔穩(wěn)定流量常規(guī)壓裂區(qū)域瓦斯抽采平均濃度為32.43%，未壓裂區(qū)域瓦斯抽采濃度為12.04%。相比之下，變流量縫網(wǎng)壓裂瓦斯抽采濃度分別為穩(wěn)流量壓裂、未壓裂區(qū)域的1.49倍及4.01倍。變流量縫網(wǎng)壓裂平均單孔瓦斯抽采純量為0.062 6 m3/min，穩(wěn)流量常規(guī)壓裂瓦斯抽采純量為0.024 3 m3/min，未進(jìn)行水力壓裂區(qū)域單孔抽采純量0.006 7 m3/min。相比之下，變流量縫網(wǎng)瓦斯抽采純量分別為穩(wěn)流量常規(guī)壓裂、未壓裂區(qū)域的2.58倍及7.72倍。通過這些抽采數(shù)據(jù)說明水力壓裂技術(shù)增加了瓦斯抽采濃度和純量，但是采用變流量縫網(wǎng)壓裂的方法進(jìn)行水力壓裂效果更佳。

4 結(jié)論

通過對松軟煤層縫網(wǎng)水力壓裂的理論分析和現(xiàn)場試驗，得出以下結(jié)論。

(1)在分析松軟煤層縫網(wǎng)壓裂機(jī)理和力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，得出對于松軟煤層產(chǎn)生分支縫網(wǎng)的含天然裂隙的松軟煤層中，水力壓裂主裂縫促使天然裂隙形成縫網(wǎng)的關(guān)鍵條件是施工裂縫內(nèi)的凈壓力大于煤儲層水平應(yīng)力之間的差值。

(2)通過裂縫模擬軟件得出變流量壓裂可以增加裂縫內(nèi)的凈壓力，在松軟煤層形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，變流量注入壓裂的保壓壓力及累計注水量均高于常規(guī)壓裂孔?？疾炝藛慰淄咚钩椴蓾舛群图兞?，與原始煤層及穩(wěn)定流量常規(guī)壓裂的方法相比，變流量縫網(wǎng)壓裂增透效果明顯較好，該方法可以作為水力壓裂增透技術(shù)借鑒的一種方法。

(3)變流量水力壓裂只是縫網(wǎng)壓裂的一種形式，隨著煤層開采難度的不斷增大，勢必會有更多的縫網(wǎng)水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場，需要進(jìn)行更加深入地研究。