高壓水力壓裂技術(shù)在瓦斯治理中的應(yīng)用研究

王小鵬

西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦 山西 太原 030053

瓦斯突出問題是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要問題。目前我國針對我國瓦斯治理主要是通過抽采的方式，但隨著開采年限的不斷增加，煤礦開采的重點(diǎn)逐步向著深部煤層轉(zhuǎn)移，隨著煤層深度的不斷增加，煤層的透氣性能有所降低，此時(shí)抽采瓦斯效果就得到一定的限制，為了解決低滲透煤層瓦斯抽采難的問題[3,4]，利用水力壓裂的方式對煤層進(jìn)行增透措施，從而提升瓦斯的抽采效率，本文利用數(shù)值模擬軟件對水力壓裂裂縫擴(kuò)展及增透技術(shù)進(jìn)行研究，為后續(xù)瓦斯治理提供一定的參考[1]。

1 數(shù)值模擬研究

水力壓裂是一個(gè)涉及到滲流力學(xué)、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的問題，內(nèi)部涉及滲流場和應(yīng)力場的多場耦合。因此對水力壓裂進(jìn)行三維分析較為困難，所以本文研究水力壓裂選用二維模型進(jìn)行研究。模擬軟件選用ABAQUS模擬軟件，模型尺寸設(shè)定為40m×40m正方體，在模型中心設(shè)定鉆孔，在鉆孔內(nèi)設(shè)置注水點(diǎn)。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸為0.1m×0.1m，在模型的左右兩邊進(jìn)行應(yīng)力施加，根據(jù)地質(zhì)資料設(shè)定垂直方向應(yīng)力18MPa，水平方向應(yīng)力34MPa，注水孔內(nèi)的注水速率設(shè)定為0.003m3/s，對模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，模型彈性模量設(shè)定為1.8GPa，抗拉強(qiáng)度為0.5MPa，泊松比為0.3，模型孔隙比0.1，破壞位移為0.001，濾失系數(shù)為1E-014，損傷穩(wěn)定粘性為0.1，完成模型的建立[2]。

首先對裂縫內(nèi)部的流體壓力隨時(shí)間變化趨勢進(jìn)行分析，繪制流體壓力曲線如圖1所示。

圖1 流體壓力曲線

如圖1所示可以看出，隨著注液時(shí)間的不斷增大，此時(shí)流體壓力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在時(shí)間0s-9s時(shí)，此時(shí)的流體壓力快速增大，鉆孔內(nèi)部的能量快速聚集，在9s時(shí)達(dá)到最大值即巖石的起裂壓力，起裂壓裂值為19.2MPa，繼續(xù)注液到20.2s時(shí)，此時(shí)在上一階段快速下降的流體壓力在此節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，不會發(fā)生較大幅度的變化。根據(jù)以上分析可以看出，巖石的起裂大致可分為三個(gè)階段，分別為壓裂準(zhǔn)備階段、壓裂階段和壓裂穩(wěn)定階段。

對隨著注液時(shí)間的增長裂縫擴(kuò)展長度及裂縫寬度進(jìn)行分析，裂縫寬度及長度隨注液時(shí)間變化曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，隨著注液時(shí)間的增大裂縫的寬度及裂縫擴(kuò)展長度均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，在注液前期此時(shí)由于鉆孔并未壓裂所以鉆孔內(nèi)部能量快速聚集，直到內(nèi)部能量超過鉆孔起裂能量時(shí)，鉆孔壁發(fā)生起裂，此時(shí)的能量釋放，裂縫發(fā)生擴(kuò)展，此時(shí)由于裂縫長度較短，所以能量消耗較小，同時(shí)由于裂縫接觸面積較小所以液體整體的濾失較低，所以裂縫寬度快速增大，而當(dāng)裂縫長度達(dá)到一定程度后，能量損失及濾失量的增大均會造成內(nèi)部能量的降低，所以裂縫寬度增長趨勢減弱。裂縫長度變化趨勢類似，均是由于濾失及能量傳遞損耗造成的[3]。

對不同注液量下裂縫寬度及裂縫擴(kuò)展長度變化趨勢進(jìn)行分析，裂縫寬度及長度隨注液量變化曲線如圖3。

圖3 裂縫寬度及長度隨注液量變化曲線

根據(jù)圖3可以看出，隨著注液量的增大裂縫的寬度及裂縫擴(kuò)展長度均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，但增長趨勢整體呈現(xiàn)減弱的趨勢，當(dāng)注液量為0.001m3/s時(shí)，此時(shí)的裂縫寬度為0.0043m，而裂縫的擴(kuò)展長度為9.2m，當(dāng)注入量增大至0.005m3/s時(shí)，此時(shí)的裂縫寬度為0.0076m，而裂縫的擴(kuò)展長度為17.8m。這是由于隨著注入量的增大，在相同時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)部能量聚集的速度越快，聚集的能量越多，所以在發(fā)展擴(kuò)展時(shí)，由于注入量大的能量多，所以裂縫寬度及裂縫的擴(kuò)展長度均呈現(xiàn)增大的趨勢。但通過觀察可以看出一味的增大注入量并無法達(dá)到擴(kuò)展長度及裂縫寬度的線性增加，所以適當(dāng)?shù)淖⑷肓坎粌H能夠滿足壓裂的要求，同時(shí)能夠降低施工成本。

2 應(yīng)用研究

鎮(zhèn)城底礦22618工作面的西北兩側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為已采工作面，工作面由回風(fēng)順槽、進(jìn)風(fēng)順槽、切眼等組成。其中，回風(fēng)順槽長度為2381.7m，進(jìn)順槽長度為2510.6m，工作面切眼長度為290m，可采長度2261.7m。工作面主采6#煤層，6#煤層的厚度為6.25～6.55m，平均厚度為6.4m，回采率94%，工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤采煤法。工作面煤層的原始瓦斯含量約為10.0496m3/t，其中殘余瓦斯含量約為2.37m3/t，可解析的瓦斯含量為7.1274m3/t，屬于高瓦斯工作面。

對煤層進(jìn)行水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用，選用某礦29020回采工作面作為試驗(yàn)地點(diǎn)，選用KFS98-65壓漿水泵、高壓管路、高壓無縫鋼管和封孔膠囊等設(shè)備。在增透區(qū)域進(jìn)行鉆孔，對鉆孔進(jìn)行封堵，并進(jìn)行注水，注水時(shí)先緩慢注水，等到封孔膠囊接觸孔壁后提升注液量，持續(xù)高壓注水15Min，孔口壓力示數(shù)在20MPa附近，持續(xù)注液，當(dāng)孔口壓力示數(shù)降低至14MPa時(shí)，此時(shí)的煤層裂隙發(fā)育明顯，完成整個(gè)水力壓裂過程。對壓裂的鉆孔進(jìn)行20d的連續(xù)抽采，同時(shí)對比常規(guī)孔的抽采數(shù)據(jù)。

經(jīng)過水力壓裂的鉆孔抽采瓦斯的流量明顯高于常規(guī)孔，鉆孔整體抽采呈現(xiàn)波動(dòng)情況，但經(jīng)過壓裂后的鉆孔抽采瓦斯流量最小值為0.021m3/min，瓦斯抽采流量的最大值為0.052m3/min，而未經(jīng)水力壓裂卸壓的鉆孔抽采瓦斯流量最小值為0.006m3/min，瓦斯抽采流量的最大值為0.017m3/min。綜合分析可以看出，水力壓裂后鉆孔的抽采瓦斯量有了較大幅度的提升，增透技術(shù)應(yīng)用取得了較好的效果。

3 結(jié)論

（1）隨著注液時(shí)間的不斷增大，此時(shí)流體壓力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，巖石的起裂大致可分為三個(gè)階段，分別為壓裂準(zhǔn)備階段、壓裂階段和壓裂穩(wěn)定階段。

（2）利用模擬對裂縫寬度和裂縫長度隨時(shí)間變化趨勢進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著注液時(shí)間的增大裂縫的寬度及裂縫擴(kuò)展長度均呈現(xiàn)逐步增大。

（3）隨著注液量的增大裂縫的寬度及裂縫擴(kuò)展長度均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，但增長趨勢整體呈現(xiàn)減弱的趨勢。