順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究

薛偉超，李艷增，齊黎明，仇海生，季淮君

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；4.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京101601；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

定向控制水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤礦井下煤層增透[1-2]、消突[3]、防治沖擊地壓[4]、堅(jiān)硬頂板控制[5-7]和提高頂煤冒放性[8]等方面，其關(guān)鍵在于對(duì)水力裂縫的形態(tài)和數(shù)目的控制和裂縫擴(kuò)展方向的導(dǎo)向作用。通過(guò)割縫鉆頭或者水射流割縫形成預(yù)置導(dǎo)向槽控制水力裂縫走向、形態(tài)及改變裂縫數(shù)目等是主要的定向控制措施[9-13]，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。趙文豪[14]研究了預(yù)置縫槽水壓爆破壓裂的機(jī)理，認(rèn)為射流割縫能形成一定范圍內(nèi)的卸壓區(qū)和結(jié)構(gòu)弱面，在水壓爆破產(chǎn)生的高速水流和二次壓縮波的激勵(lì)下誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展，增加煤層透氣性；郭先敏等[15]通過(guò)真三軸物理模擬和有限差分軟件FLAC3D確認(rèn)了定向割縫能夠降低水力壓裂的破裂壓力，形成理想的裂縫形態(tài)；秦松[16]對(duì)頂定向水力壓裂控制堅(jiān)硬頂板的最佳割縫位置進(jìn)行模擬，得出預(yù)割縫在基本中間及靠近直接頂位置時(shí)堅(jiān)硬頂板控制效果最佳；王耀鋒等[17]研究了導(dǎo)向槽定向壓穿增透抽采煤層瓦斯的機(jī)理，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)后煤層瓦斯抽采半徑擴(kuò)大了1 倍，瓦斯抽采量提高了3.87 倍。然而，目前研究多集中在單縫槽控制，單個(gè)鉆孔控制壓裂范圍較小，對(duì)于單一鉆孔內(nèi)多預(yù)置縫槽同時(shí)定向壓裂的研究很少。因此，在前期研究預(yù)置縫槽長(zhǎng)度和縫槽偏角對(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響規(guī)律[18]的基礎(chǔ)上，基于唐口煤業(yè)工程條件，采用RFPA軟件進(jìn)行模擬，進(jìn)一步研究順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂條件下縫槽間距對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。

1 工程地質(zhì)概況

唐口煤礦位于濟(jì)寧礦區(qū)，為高瓦斯礦井，主采3#煤層，地面標(biāo)高+36.3～+36.6 m，井下標(biāo)高-942.2～-898.6 m，煤層平均厚10 m，平均傾角2°，普氏硬度系數(shù)為1.52。3#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層及頂板均為弱沖擊地壓傾向性，3#煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 3#煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor of 3# coal seam

唐口煤礦3#煤層6304 工作面設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂工藝。為使水力裂縫擴(kuò)展致整個(gè)工作面，合理的割縫預(yù)置縫槽密度是實(shí)現(xiàn)良好煤層壓裂效果的前提條件和關(guān)鍵參數(shù)。

2 模擬方案

為了研究合理的預(yù)置縫槽密度，采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬。RFPA 軟件基于損傷力學(xué)和等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，考慮煤巖體變形破壞的非均質(zhì)特征，能描述多孔介質(zhì)流固耦合的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)并顯示煤巖體水力壓裂過(guò)程中巖石破壞裂紋的萌生、擴(kuò)展過(guò)程[19-20]。

2.1 物理模型

在6304 工作面運(yùn)輸巷正幫煤體實(shí)施順層鉆孔水射流割縫預(yù)置縫槽控制壓裂。從6304 工作面運(yùn)輸巷垂直巷道向工作面實(shí)施順層長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂工藝措施，鉆孔長(zhǎng)L=120 m，孔徑94 mm，鉆孔傾角+8°。鉆孔施工完畢后采用水射流預(yù)置縫槽，然后采用兩堵一注、帶壓注漿的封孔方式封孔，待封孔段凝固穩(wěn)定后實(shí)施水力壓裂。順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂物理模型示意圖如圖1。

圖1 順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂物理模型示意圖Fig.1 Schematic of the physical model of the controlled fracturing with multi-preset slots along the coal seam

定義預(yù)置縫槽的密度ρ 為單位鉆孔長(zhǎng)度上預(yù)置縫槽的數(shù)目，單位m-1，它是縫槽間距d 的倒數(shù)。模擬不同縫槽密度對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響。預(yù)置縫槽編號(hào)規(guī)則如下：以鉆孔中間縫槽M 為基準(zhǔn)，鉆孔中間縫槽以里的預(yù)置縫槽編號(hào)為T(mén) 系列，鉆孔中間縫槽以外的縫槽編號(hào)為B 系列，不同預(yù)置縫槽密度模擬方案見(jiàn)表2。

2.2 數(shù)值模型

根據(jù)物理模型提煉相應(yīng)的數(shù)值模型，結(jié)合工程實(shí)踐，選取200 m×200 m 的煤層區(qū)域，建立200×200個(gè)單元格的平面應(yīng)變模型，鉆孔長(zhǎng)度為120 m，封孔長(zhǎng)度為30 m。順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)置縫槽水力壓裂模擬方案如圖2，σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力，單側(cè)預(yù)置縫槽長(zhǎng)度Ls為5 單元格。

表2 不同預(yù)置縫槽密度模擬方案Table 2 Simulation scheme of different preset slot densities

圖2 順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)置縫槽水力壓裂模擬方案Fig.2 Simulation schemes of hydraulic fracturing with pre-set slots in the coal seam borehole

假設(shè)：①高壓水在鉆孔內(nèi)沒(méi)有壓力衰減；②忽略水流在鉆孔和煤層裂縫中傳遞的時(shí)間，認(rèn)為高壓水在瞬間充滿整個(gè)鉆孔。試驗(yàn)過(guò)程中采用分步增加鉆孔水壓力的方法來(lái)模擬水力壓裂過(guò)程，初始鉆孔壓力5.0 MPa，鉆孔水壓增量0.5 MPa/step，順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂數(shù)值模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

3 模擬結(jié)果

3.1 多縫槽控制壓裂的裂縫擴(kuò)展形態(tài)

模擬過(guò)程中水壓裂縫的擴(kuò)展基本過(guò)程如下：水壓裂縫首先在部分預(yù)置縫槽尖端處萌生、起裂、擴(kuò)展。單一順層長(zhǎng)鉆孔不同縫槽密度條件下，順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖3。

表3 順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽控制壓裂數(shù)值模擬參數(shù)Table 3 Numerical simulation parameters of the controlled fracturing with multi-preset slots along the coal seam

圖3 順層長(zhǎng)鉆孔多縫槽水力壓裂裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.3 Fracture propagation morphology of the hydraulic fracturing with pre-set slots in the coal seam borehole

從圖3 可以看出，隨著鉆孔水壓力的增大，萌生的尖端裂縫在地應(yīng)力和預(yù)置縫槽誘導(dǎo)應(yīng)力及水壓力的共同作用下，大致沿預(yù)置縫槽的方向（即垂直于最小水平主應(yīng)力方向）擴(kuò)展。

當(dāng)縫槽間距d=40 m 時(shí)，主要有M 和T 縫槽延伸開(kāi)來(lái)的水壓主裂縫；當(dāng)縫槽間距d=30 m 時(shí)，主要有M 和T1 縫槽延伸開(kāi)來(lái)的水壓主裂縫；當(dāng)縫槽間距d=20 m 時(shí)，主要有M 和T1 縫槽延伸開(kāi)來(lái)的水壓主裂縫；當(dāng)縫槽間距d=30 m 時(shí)，主要有M、T1 和T2縫槽延伸開(kāi)來(lái)的水壓主裂縫；水壓主裂縫絕大部分集中在鉆孔中部及中上部。這是在鉆孔內(nèi)及縫槽內(nèi)水壓完全相等沒(méi)有衰減的條件下的模擬結(jié)果。在實(shí)際煤層鉆孔中，在壓裂初期，高壓水在鉆孔中流動(dòng)，由于煤壁的沿程阻力和煤壁孔隙的漏失作用，必然導(dǎo)致鉆孔水壓力向孔內(nèi)傳遞存在一定的衰減，此時(shí)必然是孔口附近的控制縫槽先充滿水并且優(yōu)先開(kāi)裂；當(dāng)高壓水充滿鉆孔并穩(wěn)定一段時(shí)間后，忽略順層鉆孔的高差影響和孔隙的微弱漏失，則鉆孔內(nèi)水壓基本處處相等，則有模擬中出現(xiàn)的鉆孔中部縫槽誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展延伸。實(shí)踐可使用封孔器分段壓裂使水壓裂縫在整個(gè)煤體充分發(fā)育。

每個(gè)模擬方案中均不止1 個(gè)縫槽產(chǎn)生水壓裂縫；但多縫槽同時(shí)壓裂時(shí)，并不是每個(gè)縫槽都能誘導(dǎo)產(chǎn)生水壓主裂縫，存在優(yōu)勢(shì)縫槽優(yōu)先誘導(dǎo)產(chǎn)生水壓主裂縫并隨鉆孔水壓力增大而繼續(xù)擴(kuò)展。產(chǎn)生主裂縫的優(yōu)勢(shì)縫槽主要集中在鉆孔中段，如M 縫槽和T1縫槽。定義：①水壓主裂縫自鉆孔到裂縫擴(kuò)展最遠(yuǎn)處在最小主應(yīng)力σh上的投影長(zhǎng)度為水壓主裂縫的長(zhǎng)度，表征水壓裂縫在煤層平面內(nèi)垂直于鉆孔方向的擴(kuò)展范圍；②主裂縫終點(diǎn)與該縫槽開(kāi)孔處的連線與最小主應(yīng)力所夾的銳角為裂縫張開(kāi)角，表征裂縫擴(kuò)展的均勻程度。不同縫槽密度條件下壓裂的裂縫擴(kuò)展參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同縫槽密度條件下壓裂的裂縫擴(kuò)展參數(shù)Table 4 Fracture propagation parameters of the hydraulic fracturing with different slot densities

從表4 可以看出，當(dāng)預(yù)置縫槽間距d=40 m 時(shí)，各預(yù)置縫槽之間壓裂及裂縫擴(kuò)展之間的影響小，預(yù)置縫槽誘導(dǎo)的水壓主裂縫起裂占比為2/3。隨著預(yù)置縫槽密度的增大，縫槽間距減小，各個(gè)預(yù)置縫槽誘導(dǎo)的水壓主裂縫之間產(chǎn)生相互影響，產(chǎn)生的水壓裂縫增多，裂縫起裂占比約從2/5 到2/3 不等，對(duì)應(yīng)的裂縫張開(kāi)角從3°到25°逐漸增大，裂縫擴(kuò)展更加均勻。

單側(cè)最大主裂縫長(zhǎng)度隨預(yù)置縫槽間距變化關(guān)系如圖4。即隨著預(yù)置縫槽密度的增大，各個(gè)預(yù)置縫槽之間的水壓主裂縫擴(kuò)展之間的影響逐漸增大，水壓主裂縫擴(kuò)展張開(kāi)所需抵消的周?chē)芽p限制力越大，單側(cè)水壓主裂縫的長(zhǎng)度L 整體趨于減小的趨勢(shì)，具體符合L=-5.02d+38.8（R2=0.751）（10≤d≤40）的函數(shù)關(guān)系，R2為相關(guān)系數(shù)。

圖4 單側(cè)最大主裂縫長(zhǎng)度隨預(yù)置縫槽間距變化關(guān)系Fig.4 Relationship between the maximum unilateral length of the main crack and the spacing between the preset slots

D1 和D2 方案的主裂縫長(zhǎng)度和裂縫張開(kāi)角相近，平均32.6 m，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中單孔壓裂裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度30 m 相接近。D3 和D4 方案主裂縫長(zhǎng)度和裂縫張開(kāi)角相近，但是較前1 組單側(cè)主裂縫長(zhǎng)度有所減小而主裂縫張開(kāi)角有所增大，且這2 組之間的差異相對(duì)較大。為了平衡裂縫最大長(zhǎng)度與裂縫均勻度，取2 組試驗(yàn)的中間值ρ=0.04（d=25 m）作為指導(dǎo)實(shí)踐的合理縫槽密度（間距）。

3.2 多縫槽控制壓裂的起裂壓力與擴(kuò)展壓力

不同縫槽間距煤層壓裂的裂縫起裂與擴(kuò)展壓力見(jiàn)表5。

表5 不同縫槽間距煤層壓裂的裂縫起裂與擴(kuò)展壓力Table 5 Crack initiation and propagation pressure of coal seam hydraulic fracturing with different slot spacings

多縫槽控制水力壓裂的縫槽尖端裂縫起裂壓力均為2.0 MPa，起裂步時(shí)為1-2 step，模擬初期即起裂。這是由于多縫槽對(duì)煤巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)的改造，縫槽尖端在造縫時(shí)已經(jīng)發(fā)生應(yīng)力解除，含有孔隙和天然裂隙的雙重孔隙結(jié)構(gòu)的煤巖體在高壓水的壓力作用下極易發(fā)生楔形張拉破壞，在原生裂縫和卸壓裂縫基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸形成萌生裂縫，隨著鉆孔水壓力的不斷增大而擴(kuò)展，裂縫起裂聲發(fā)射參量柱狀圖如圖5。

圖5 裂縫起裂聲發(fā)射參量柱狀圖Fig.5 Acoustic emission parameters of crack initiation

多縫槽控制水力壓裂的裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展壓力為18.0 MPa，相應(yīng)的模擬步時(shí)為33-1 step，縫槽密度的大小對(duì)于多縫槽控制水力壓裂的裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展壓力基本沒(méi)有影響。

3.3 多縫槽控制壓裂的卸壓效果

在鉆孔預(yù)置縫槽時(shí)，會(huì)使鉆孔周?chē)后w隨鉆孔排出形成一定的自由面，煤體在原巖應(yīng)力的作用下膨脹變形，導(dǎo)致煤層頂?shù)装逑蛎簩臃较虬l(fā)生微運(yùn)移，造成一定范圍內(nèi)的應(yīng)力降低。水力壓裂產(chǎn)生大量水壓裂縫同時(shí)軀替出煤層中的瓦斯，在壓裂結(jié)束后在逆水壓梯度作用下煤層中的水排出，形成卸壓區(qū)。鉆孔卸壓，煤體塑性變形，水壓裂縫驅(qū)趕瓦斯、破壞煤巖結(jié)構(gòu)、弱化力學(xué)性能，煤體潤(rùn)濕等綜合作用，實(shí)現(xiàn)沖擊能量的釋放，有利于防治沖擊地壓。多縫槽控制壓裂卸壓區(qū)為模擬應(yīng)力圖中的應(yīng)力降低陰影區(qū)，多縫槽控制壓裂卸壓效果如圖6。S1、S2、S3、S4為4 個(gè)方案中水力壓裂形成的卸壓區(qū)面積，m2。

圖6 多縫槽控制壓裂卸壓效果Fig.6 Pressure relief effect of the multi-slot controlled hydraulic fracturing

從圖6 可以看出，卸壓區(qū)面積最大為3 293 m2，最小為2 052 m2，平均2 537 m2，多縫槽控制壓裂具有顯著的卸壓作用。多縫槽控制壓裂有縫槽卸壓和水壓裂縫卸壓的雙重卸壓作用。從趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，隨著預(yù)置縫槽間距減小、密度越大，水壓主裂縫在最小主應(yīng)力方向的長(zhǎng)度越小，水壓裂縫的卸壓作用范圍也相應(yīng)減??；當(dāng)預(yù)置縫槽間距減小至20 m 時(shí)，主要表現(xiàn)為預(yù)置縫槽的卸壓作用。從防治沖擊地壓角度講，減小縫槽間距會(huì)增加施工工程量和施工時(shí)間，同時(shí)減小了煤層平面內(nèi)垂直于鉆孔方向上的卸壓范圍，不具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

3.4 多縫槽控制的增透效果

水力壓裂能在煤體中產(chǎn)生大量裂縫，驅(qū)趕瓦斯，提高煤層的滲透率。在孔隙、裂隙內(nèi)流體滲透特征不變的條件下，滲透率與滲透系數(shù)正相關(guān)，滲透系數(shù)的增大必然是由于滲透率的增大引起的。水壓裂縫在M 縫槽左側(cè)擴(kuò)展良好，取模型中M 預(yù)置縫槽左端20 m 位置為研究對(duì)象，分析其滲透系數(shù)變化，壓裂前后M 縫槽左側(cè)20 個(gè)單元格滲透系數(shù)變化如圖7。

圖7 壓裂前后M 縫槽左側(cè)20 個(gè)單元格滲透系數(shù)變化Fig.7 Permeability coefficient changes of the 20 cells on the left side of M slot before and after the hydraulic fracturing

由圖7 可以看出，經(jīng)過(guò)水力壓裂后的水壓主裂縫區(qū)域煤體滲透性顯著提高，滲透系數(shù)由原來(lái)的0.1 m/d 增加到10～20 m/d，最大增加了100～200 倍，增透效果顯著。

4 結(jié) 論

1）多縫槽同時(shí)壓裂時(shí)能產(chǎn)生多個(gè)水壓主裂縫，但并不是每個(gè)縫槽都能誘導(dǎo)產(chǎn)生水壓主裂縫，水壓主裂縫全部沿垂直于最小水平主應(yīng)力的方向擴(kuò)展；存在優(yōu)勢(shì)縫槽優(yōu)先誘導(dǎo)產(chǎn)生水壓主裂縫并隨鉆孔水壓力增大而繼續(xù)擴(kuò)展。

2）隨著預(yù)置縫槽密度的增大，預(yù)置縫槽間距減小，各個(gè)預(yù)置縫槽之間的水壓主裂縫擴(kuò)展之間的影響逐漸增大，水壓主裂縫擴(kuò)展張開(kāi)所需抵消的周?chē)芽p限制力越大，單側(cè)水壓主裂縫的長(zhǎng)度減小而裂縫張開(kāi)角增大。單側(cè)最大水壓主裂縫的長(zhǎng)度變化大致符合L=-5.02d+38.8，10≤d≤40（R2=0.751）的線性關(guān)系。

3）平均單側(cè)最大水壓主裂縫長(zhǎng)度為26.3 m，平均裂縫張開(kāi)角為11.8°。合理的縫槽密度為0.04 m-1，對(duì)應(yīng)的縫槽間距為25 m。

4）多縫槽控制水力壓裂裂縫萌生時(shí)在縫槽尖端發(fā)生大量的張拉破壞；裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展壓力為18.0 MPa，縫槽密度對(duì)于多縫槽控制壓裂的裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展壓力基本沒(méi)有影響。

5）多縫槽控制水力壓裂對(duì)唐口煤礦3 煤層具有顯著的卸壓、增透作用，單孔平均卸壓面積2 537 m2，水壓主裂縫區(qū)域透氣性最大可以提高100～200 倍。