煤層頂板間接壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制及影響因素

李 勇 ，陳 濤 ，馬嘯天 ，吳 翔

（1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 北京 100083；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100016）

0 引 言

我國煤層氣資源豐富，歷次評價(jià)顯示僅2 000 m以淺煤層氣資源量超過30 萬億m3，同時(shí)還有巨量深部資源有待勘探開發(fā)[1-2]。我國淺部煤層普遍呈現(xiàn)低滲、低壓、低飽和度和高含氣性特征[3-4]，碎軟低滲煤層約占我國煤炭資源總量60%[5-6]，其具有低力學(xué)強(qiáng)度、低彈性模量、高泊松比和塑性大易破碎等特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)面臨著裂縫在煤層中難以長距離延伸，易出現(xiàn)煤粉阻塞、裂縫擴(kuò)展困難等問題，形成了大量低產(chǎn)低效井，如何高效開發(fā)碎軟低滲煤層煤層氣資源是制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要技術(shù)難題[7]。ARNOLD III 等[8]2003 年提出間接壓裂概念，OLSEN 等[9]在2007 年將間接壓裂技術(shù)應(yīng)用于煤層氣開發(fā)當(dāng)中，并形成了一套垂直方向上的壓裂導(dǎo)流技術(shù)理論體系。間接壓裂不同于直接壓裂煤層，其對煤層頂?shù)装暹M(jìn)行壓裂，通過頂?shù)装遑灤┝芽p擴(kuò)展溝通目標(biāo)煤層，具有裂縫規(guī)模較大、煤粉產(chǎn)出低、施工壓力低、對煤層傷害小等特點(diǎn)，是解決碎軟低滲煤層改造難題的有效途徑[10]。

我國已將間接壓裂技術(shù)應(yīng)用于鄂爾多斯盆地東南緣韓城區(qū)塊120 余口井，平均單井增產(chǎn)近1 000 m3，同時(shí)也在大寧-吉縣區(qū)塊、淮北礦區(qū)等地區(qū)開展了應(yīng)用嘗試[11-13]。煤層頂板巖性、煤體結(jié)構(gòu)、射孔位置和地應(yīng)力場是影響頂板間接壓裂施工的重要因素[14-15]。為探究間接壓裂和直接壓裂裂縫擴(kuò)展差異，數(shù)值模擬方法被應(yīng)用于揭示間接壓裂人工裂縫分布規(guī)律及擴(kuò)展規(guī)律[16]。但是間接壓裂受地質(zhì)和工程等多因素綜合影響，且碎軟低滲煤層樣品制備困難，已有研究普遍圍繞單一因素展開，缺少多因素綜合影響機(jī)制的系統(tǒng)研究，制約了對間接壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的宏觀認(rèn)識。

基于此，筆者開展間接壓裂影響因素的針對性研究，構(gòu)建煤層頂板間接壓裂裂縫擴(kuò)展的物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬模型，揭示煤層頂板間接壓裂裂縫穿層進(jìn)入煤層作用機(jī)制，討論煤層及頂?shù)装鍡钍夏Ａ?、泊松比、地?yīng)力特征等因素對間接壓裂改造效果影響，進(jìn)一步通過不同地層及地應(yīng)力組合情況下的參數(shù)模擬分析，提出水平井間接壓裂煤層改造效果優(yōu)化建議。相關(guān)成果可為構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤層氣開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)和模擬設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)樣品和試驗(yàn)設(shè)備

準(zhǔn)確認(rèn)識目標(biāo)煤層及其頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)是選擇合適間接壓裂方案、提高改造成功率的關(guān)鍵，也是物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)（圖1）。碎軟低滲煤層在黔西和滇東地區(qū)普遍發(fā)育，采用云南白龍山煤礦二疊系C2 煤層（無煙煤）及其頂板（粉砂質(zhì)泥巖）分別制作25 mm × 50 mm 柱塞各3 個(gè)進(jìn)行巖石單軸抗壓試驗(yàn)，25 mm × 12.5 mm 柱塞各3 個(gè)用于抗拉試驗(yàn)（表1）。受碎軟煤層柱樣制備制約和多巖性復(fù)雜因素影響，采用煤巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的煤巖樣品和單一的粉砂質(zhì)泥巖開展物理模擬，同時(shí)由于煤巖頂板巖性力學(xué)性質(zhì)一般明顯強(qiáng)于煤層，相關(guān)研究結(jié)果對認(rèn)識裂縫擴(kuò)展機(jī)制具有指示意義。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)測試結(jié)果Table 1 Test results of uniaxial compression experiment

圖1 直接壓裂和間接壓裂影響因素差異對比Fig.1 Comparison of influencing factors of direct fracturing and indirect fracturing

煤和頂板粉砂質(zhì)泥巖彈性模量分別在1.80～1.89 GPa 和26.37～27.97 GPa，粉砂質(zhì)泥巖的彈性模量明顯大于煤巖，差值在24.48～26.17 GPa。煤和粉砂質(zhì)泥巖泊松比分別為0.31～0.35 和0.26～0.29，煤泊松比要大于粉砂質(zhì)泥巖。煤和粉砂質(zhì)泥巖抗拉強(qiáng)度分別為0.75 MPa 和2.05 MPa，煤抗拉強(qiáng)度明顯低于粉砂質(zhì)泥巖（表2）。

表2 抗拉試驗(yàn)測試結(jié)果Table 2 Tensile test results

采用自主研制水力壓裂模擬裝置開展不同煤巖組合壓裂試驗(yàn)，該裝置為三軸圍壓腔加載，破裂壓力、裂縫延伸壓力以及泵注壓力均可實(shí)時(shí)監(jiān)測（圖2）。裝置試驗(yàn)參數(shù)如下：溫度范圍 0～150 ℃，軸向壓力加載范圍為 0～70 MPa、高壓泵注入壓力為 0～45 MPa、注入排量為 0～45 mL/min。試驗(yàn)裝置加壓模塊主要由 A、B、C 3 個(gè)高壓泵組成，A 泵采用清水提供圍壓，B 泵提供軸向壓力，C 泵提供注入流體壓力。每個(gè)高壓泵都接有獨(dú)立傳感器，可獨(dú)立記錄數(shù)據(jù)。

圖2 擬三軸水力壓裂設(shè)備和測試樣品組合Fig.2 Quasi-triaxial hydraulic fracturing equipment and test sample combination

1.2 間接壓裂樣品試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為降低煤巖及粉砂質(zhì)泥巖機(jī)械損傷，沿垂直層理的方向制取直徑50 mm，長100、70、50 mm 和30 mm煤柱每種各4 個(gè), 長50 mm 和30 mm 粉砂質(zhì)泥巖柱塞每種各4 個(gè)，柱塞上下試件兩端平整度設(shè)置為<0.03 mm，以避免試件在試驗(yàn)中損傷及降低試驗(yàn)結(jié)果誤差。將制作好的煤樣和粉砂質(zhì)泥巖樣品使用環(huán)氧樹脂和硬化劑混合膠黏接在一起，制作成4 種?50 mm×100 mm 柱塞共12 塊，柱塞組合形式見表3。黏接完成后在端面中心進(jìn)行鉆孔，其中?50 mm×100 mm 煤巖柱塞選取完整程度較高的端面進(jìn)行鉆孔，其余柱塞在粉砂質(zhì)泥巖部分端面進(jìn)行鉆孔。試驗(yàn)采用4 mm 鉆頭向試件內(nèi)部進(jìn)行鉆孔。

表3 不同尺寸煤巖組合試件水力壓裂試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Hydraulic fracturing test parameters of coal specimens of different sizes

為保證加壓倉密閉性，在樣品兩端與加壓塊之間粘接硬塑料片以填充樣品表面微裂縫。試驗(yàn)采用恒流注入模式，通過壓裂鋼管向試件中注入清水+白色示蹤劑的壓裂液，壓裂液注入速率為2 mL/min 或4 mL/min。壓裂過程中，監(jiān)測系統(tǒng)配合高頻壓力傳感器全程記錄和監(jiān)測壓裂試件過程的注入壓力，精確采集試件起裂和裂縫擴(kuò)展全過程流體壓力變化。當(dāng)試件發(fā)生破壞后，注入壓力會迅速降低，而后逐漸平穩(wěn)，平穩(wěn)后立即停止試驗(yàn)以免試件受到不必要破壞，同時(shí)觀測記錄試件在壓裂過程中軸壓和圍壓變化（圖3）。

圖3 物理模擬試驗(yàn)具體步驟Fig.3 Experimental steps of physical experiments

1.3 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

物理試驗(yàn)存在著模型尺度小、樣品與地層應(yīng)力情況與實(shí)際存在偏差等問題，采用ABAQUS 軟件中擴(kuò)展有限元法可以對不同地層組合的大尺度模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析[17-18]，探究影響間接壓裂技術(shù)改造效果的關(guān)鍵參數(shù)。采用Cohesive 單元黏聚力模型來描述水力裂縫擴(kuò)展，本文使用二次應(yīng)力準(zhǔn)則作為初始損傷準(zhǔn)則，即當(dāng)3 個(gè)方向的應(yīng)力比平方和達(dá)到1 時(shí)，cohesive 單元開始發(fā)生損傷，用式（1）表示：

根據(jù)煤層間接壓裂技術(shù)的特點(diǎn)建立了“頂板-煤層-底板”三層式模型，模型起裂位置設(shè)置于頂板，模擬包括雙翼裂縫的兩翼，模型長100 m，寬60 m，頂板厚70 m，煤層厚10 m，底板厚20 m。由于煤和頂?shù)装鍘r石的力學(xué)性質(zhì)差異，絕大多數(shù)裂縫縫高控制在煤層與底板界面以上，為更好觀察裂縫穿層后在煤層及頂板中擴(kuò)展情況，煤層選用較大厚度10 m?？紤]到邊界效應(yīng)影響，煤層頂?shù)装搴穸戎辽贋槊簩雍穸? 倍以上，取70 m。數(shù)值模擬中裂縫擴(kuò)展至煤層后，裂縫高度將控制在煤層中，只有極少數(shù)情況下裂縫會穿過煤層與底板巖層的界面擴(kuò)展至底板，根據(jù)多次模擬經(jīng)驗(yàn)將底板巖層厚度設(shè)置在20 m，模型如圖4 所示。模型中煤層及頂?shù)装鍙椥阅Ａ?、泊松比、抗拉?qiáng)度均采用單軸壓縮試驗(yàn)測試結(jié)果和抗拉試驗(yàn)測試結(jié)果，其余參數(shù)見表4。

表4 間接壓裂有限元模型相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters related to finite element model of indirect fracturing

圖4 間接壓裂數(shù)值模型示意Fig.4 Schematic of indirect fracturing numerical model

2 物理模擬結(jié)果

2.1 煤樣直接壓裂

4 塊煤樣注入壓力-時(shí)間曲線可以看出，試件的壓裂過程主要分為“升壓階段、起裂階段、恒流階段”3 個(gè)階段：①注入壓力上升階段：主要原因是高壓泵持續(xù)向預(yù)制井眼中注入混合白色示蹤劑的清水壓裂液，該壓力主要用來克服在改變應(yīng)力條件下所受到的壓力以及試件自身強(qiáng)度；②裂縫起裂階段：注入的清水壓裂液的壓力升至一定壓力值時(shí)，達(dá)到煤樣試件裂縫起裂和擴(kuò)展條件，煤樣試件發(fā)生破裂，隨后壓力發(fā)生驟降，該臨界壓力稱為煤樣水力壓裂起裂壓力，達(dá)到臨界起裂壓力的壓裂時(shí)間稱為起裂時(shí)間；③壓裂液恒流階段：煤樣試件在發(fā)生破裂后，以恒定流速注入的壓裂液將沿著煤樣試件的裂縫滲流排出，當(dāng)停止注入壓裂液時(shí)，煤樣試件中的流體壓力迅速降低（圖5）。

圖5 煤巖直接壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of direct fracturing of coal

4 塊煤樣展現(xiàn)了差異化的破裂模式。1 號產(chǎn)生多條宏觀裂縫，沿軸向應(yīng)力方向形成了一條宏觀長裂縫，同時(shí)伴生有1 條連通端面和側(cè)面斜向裂縫，3條垂直于軸向應(yīng)力的宏觀裂縫，推測是裂縫擴(kuò)展受內(nèi)部原生裂縫影響，在遇到原生裂縫時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向。2號從預(yù)制鉆孔底部發(fā)育沿軸向應(yīng)力方向宏觀裂縫，向下擴(kuò)展時(shí)遇原生裂縫，產(chǎn)生橫向裂縫。3 號在預(yù)制鉆孔底部斜向發(fā)育一條連接試件側(cè)表面的裂縫，在向上發(fā)展過程中受原生裂縫影響發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成1條與初始裂縫近乎平行的斜向裂縫，該裂縫連接試件上端面和側(cè)表面，未形成貫穿裂縫，推測內(nèi)部存在較大的裂縫，對裂縫發(fā)育有較大影響。4 號在預(yù)制鉆孔底部周圍形成了較為復(fù)雜縫網(wǎng)。綜合4 塊煤樣來看，直接壓裂煤樣，水力裂縫易受到原生裂縫影響而轉(zhuǎn)變方向，無法在煤樣內(nèi)均衡擴(kuò)展，無法形成連通射孔和各個(gè)縫面的垂向裂縫，煤體結(jié)構(gòu)是影響水力裂縫擴(kuò)展的重要因素。

2.2 70 mm 煤巖+30 mm 頂板間接壓裂

5 號試件試驗(yàn)時(shí)間較長，在形成貫通裂縫后，壓裂液在試件中充分造縫，在較大的軸向應(yīng)力下被壓碎，試驗(yàn)結(jié)束后無法觀測宏觀大裂縫；7 號試件預(yù)制鉆孔孔底距煤巖界面10 mm，在水力驅(qū)動下，首先在粉砂質(zhì)泥巖部分形成大致沿軸向應(yīng)力方向的裂縫，在突破煤巖界面后裂縫發(fā)育2 個(gè)分支，1 個(gè)分支裂縫近乎垂直于主裂縫，溝通試件側(cè)表面，另一個(gè)分支則是繼續(xù)沿軸向應(yīng)力方向發(fā)育，直至試件下端面，形成貫穿煤巖組合體的宏觀裂縫，壓裂效果較理想；8 號試件在壓裂后形成2 條互相垂直的裂縫，其中1 條沿軸向應(yīng)力方向，穿透煤巖界面的宏觀裂縫，該裂縫縱向貫穿整個(gè)試件，另一條裂縫方向垂直軸向應(yīng)力。綜合兩塊樣品來看，間接壓裂可以形成垂向裂縫，達(dá)到溝通煤層與射孔的目的，且排量對破裂壓力會產(chǎn)生一定的影響（圖6）。

圖6 70 mm 煤巖 + 30 mm 粉砂質(zhì)泥巖間接壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Indirect fracturing results of 70 mm coal + 30 mm silty mudstone

2.3 50 mm 煤巖+50 mm 頂板間接壓裂

該組試件預(yù)制鉆孔底部距煤巖界面距離為30 mm，在水力壓裂試驗(yàn)過程中，砂巖部分均未形成可觀測宏觀裂縫（圖7）。9 號試件在煤巖界面附近發(fā)生斷裂，分析認(rèn)為泥巖在水力作用下在內(nèi)部形成有可以供壓裂液向下流動的微裂縫，在煤界面實(shí)現(xiàn)穿層，穿層后在泥巖與煤組合界面附近受煤內(nèi)部原生裂縫影響，裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后與強(qiáng)度變?nèi)醯拿簬r界面溝通，形成近乎平行于煤巖界面的橫向截?cái)嗔芽p。10 號試件在水力壓裂試驗(yàn)后未形成可觀測裂縫，分析認(rèn)為10 號試件由于端面與硬塑料片貼合度不夠，導(dǎo)致注入壓力略微超過圍壓15 MPa時(shí)，就從預(yù)制鉆孔頂部沖開端部與硬塑料片的連接界面，直接與圍壓溝通，而后波動很小相對穩(wěn)定。12 號試件在泥巖部分同樣未發(fā)現(xiàn)可觀測宏觀裂縫，在煤巖部分發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成一條橫向裂縫，同時(shí)向下發(fā)育兩條傾斜相交裂縫，分析認(rèn)為壓裂液經(jīng)過泥巖微裂縫到達(dá)煤巖界面時(shí)，部分壓力用于擴(kuò)展在泥巖中的裂縫，導(dǎo)致壓裂液注入壓力到達(dá)煤層時(shí)已經(jīng)削減，裂縫在煤巖中發(fā)育受原生結(jié)構(gòu)影響較大而無法順利形成貫穿煤巖的宏觀大裂縫。10 號樣品是首個(gè)試驗(yàn)樣品，為防止同樣情況發(fā)生對試件造成不可預(yù)知的損傷，對于有明顯切割痕跡的試件，采用直接粘貼或增加軟橡膠墊的方式，保證注入壓力與圍壓獨(dú)立加載。綜合樣品9、樣品12 來看，采用間接壓裂的方法，裂縫容易在頂板與煤層的巖性界面，即在“弱面”附近起裂，煤層本身具有的層理、原生裂縫也可以視為一種“弱面”，在頂板的應(yīng)力遮擋作用下，裂縫會在煤層內(nèi)的“弱面”附近延伸，因此頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)是影響間接壓裂效果的重要因素。對比樣品7 和樣品8，樣品9、樣品12未產(chǎn)生垂向裂縫溝通煤層與射孔，起裂位置、排量或成為主要影響因素。

圖7 50 mm 煤巖 + 50 mm 粉砂質(zhì)泥巖間接壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Indirect fracturing results of 50 mm coal + 50 mm silty mudstone

2.4 30 mm 煤巖+70 mm 頂板間接壓裂

13 號試件中預(yù)制裂縫底部到煤巖界面距離為50 mm，在水力壓裂試驗(yàn)后在泥巖部分未觀察到宏觀裂縫，但在泥巖一側(cè)表面可觀查到1 條未張開裂縫，煤巖在第2 次壓力驟降后被壓碎。分析認(rèn)為在泥巖內(nèi)部發(fā)育可以通過壓裂液的微觀裂縫，在軸壓圍壓差較大的情況下向下沿軸壓方向向下發(fā)展，穿層后在煤層中形成有效裂縫，該狀態(tài)持續(xù)到第2 次壓降，2 次壓力驟降時(shí)間差約116 s，在此期間煤層中形成多條裂縫，是煤層強(qiáng)度大幅降低，從而在軸向壓力作用下被壓碎（圖8）。

圖8 30 mm 煤巖 + 70 mm 粉砂質(zhì)泥巖間接壓裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Indirect fracturing results of 30 mm coal + 70 mm silty mudstone

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過物理模擬可以初步得出起裂位置的選擇、垂向應(yīng)力大小以及施工排量對裂縫擴(kuò)展有一定影響，由于設(shè)備加壓方式無法區(qū)分水平主應(yīng)力以及樣品尺寸較小，物理試驗(yàn)具有一定的局限性。數(shù)值模擬成本低，參數(shù)設(shè)置靈活，并且能夠較為準(zhǔn)確的反映實(shí)際壓裂結(jié)果，已經(jīng)成了研究水力壓裂機(jī)理和技術(shù)的主要方法之一[20]。本節(jié)對各影響因素及關(guān)鍵參數(shù)的影響機(jī)制進(jìn)行分析，為更好的觀察裂縫形態(tài)總結(jié)規(guī)律，以下5個(gè)小節(jié)的模型無特殊說明時(shí)縫寬均放大1 000 倍展示。

3.1 起裂位置影響

選取頂板巖層中垂向距離煤層 4、6、8、10、12 m等起裂點(diǎn)進(jìn)行模擬（圖9）。對于該地層組合模型，起裂位置距離煤層6 m 以下時(shí)，裂縫縫高可控、穿層時(shí)間短、擴(kuò)展速率高，很好地溝通了煤層與射孔，間接壓裂效果好；起裂位置距離煤層大于8 m 時(shí)裂縫縫高明顯增加，穿層時(shí)間大幅增加，導(dǎo)致壓裂液在頂板濾失嚴(yán)重，增加壓裂成本。因此，起裂位置因選在距離煤層小于6 m 的范圍內(nèi)。

圖9 不同起裂位置模擬結(jié)果（擴(kuò)展時(shí)間為裂縫長度擴(kuò)展至100 m 所需時(shí)間）Fig.9 Simulation results of different cracking positions (propagation time is the time required for the crack length to expand to 100 m)

3.2 應(yīng)力條件影響

水力壓裂是一種流-固兩相相互作用的力學(xué)行為，在水力作用下儲層發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破裂的過程，一般情況下，煤儲層的地應(yīng)力越大，煤儲層越致密，煤儲層發(fā)生破裂越困難，但對于復(fù)雜的煤儲層地應(yīng)力如何控制壓裂過程需要深入探究。

3.2.1 有效應(yīng)力影響

通過改變煤層水平應(yīng)力實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力差，取2、3、4 MPa，對照模型有效應(yīng)力差為0（圖10a）。層間有效應(yīng)力差由0 增至4 MPa，在水平應(yīng)力差相等的情況下，煤層與頂板的有效應(yīng)力差對裂縫形態(tài)影響較大，當(dāng)有效應(yīng)力差>3 MPa 時(shí)，裂縫在頂板很快形成向煤層擴(kuò)展的窄縫，穿層后縫高控制在煤層中，縫寬較窄，裂縫迅速在煤層中擴(kuò)展，改造效果理想。

圖10 不同條件模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results under different conditions

3.2.2 垂向應(yīng)力與水平最大應(yīng)力差影響

為探究垂向應(yīng)力與水平最大應(yīng)力差對間接壓裂裂縫擴(kuò)展的影響機(jī)制，在其他參數(shù)不改變情況下，改變地層所受垂向應(yīng)力大小，應(yīng)力分別取14、16、18、20 MPa（圖10b）,最大水平應(yīng)力取20 MPa。垂向應(yīng)力與水平最大應(yīng)力差值為6 MPa 時(shí)，水力裂縫在垂向上沒有充分?jǐn)U展，煤層壓裂效果不佳，縫高受限，但隨著垂向應(yīng)力與最大水平應(yīng)力差值的減小，裂縫擴(kuò)展速率加快，且煤層壓裂效果好，因此，適合應(yīng)用間接壓裂地層的水平最大主應(yīng)力與垂向應(yīng)力差值范圍應(yīng)≤4 MPa。

3.2.3 最小水平主應(yīng)力差影響

減小煤層最小水平主應(yīng)力，使煤層與頂板最小水平應(yīng)力差值0、2、4、6 MPa（圖10c）。隨著不同模型水平應(yīng)力差從0 增至6 MPa，模型的裂縫起裂及擴(kuò)展并無差異，通過單層Cohesive 單元層的模型難以總結(jié)層間水平應(yīng)力差對裂縫的縫寬、縫高以及擴(kuò)展速度的影響機(jī)制。

3.3 巖石力學(xué)性質(zhì)影響

3.3.1 彈性模量影響

在其他條件不變情況下，取地層有效應(yīng)力差值為 2 MPa，通過改變頂板彈性模量，與煤層彈性模量差值分別為5、10、15、20、25 GPa（圖11），來探究不同巖性組合間接壓裂效果。根據(jù)模擬結(jié)果，5 種彈性模量差模型的裂縫在頂板均呈現(xiàn)窄縫，在煤層中均呈現(xiàn)寬縫，隨著彈性模量差值的增大，縫寬增大，縫高易失控，有明顯的向底板延伸的趨勢，同時(shí)穿層時(shí)間減少但裂縫沿最大水平應(yīng)力方向擴(kuò)展速率大幅變慢，間接壓裂改造速率明顯降低，因此理想煤層和頂板彈性模量差值范圍為<15 GPa。

圖11 不同彈性模量差值模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of different elastic modulus difference

3.3.2泊松比影響

其他條件不變，煤層泊松比分別取0.30、0.33和0.36，頂?shù)装宀此杀染鶠?.28。泊松比代表巖體的橫向變形能力的參數(shù)，其值越大，巖石橫向抗變形能力越強(qiáng)。通過數(shù)值模擬可以得出隨著泊松比增大，縫寬略變窄，影響程度極小。由于單位時(shí)間注入的壓裂液總體積不變且壓縮系數(shù)極小，裂縫寬度減小同時(shí)裂縫高度變化不大，所以裂縫在煤層中擴(kuò)展速度增加，相同時(shí)間的裂縫長度增大。

3.4 施工排量影響

壓裂液施工排量對裂縫形態(tài)、生產(chǎn)效率等均有影響。其他條件相同，參考云南白龍山地區(qū)各井?dāng)?shù)據(jù)將壓裂液排量大小設(shè)置為0.01、0.05、0.10 和0.15 m3/s（圖12）。根據(jù)模擬結(jié)果可知，施工排量越大，裂縫擴(kuò)展速率越快，裂縫的體積越大，可以提高間接壓裂效率，但當(dāng)施工排量>0.05 m3/s 時(shí)，裂縫有明顯的向底板擴(kuò)展的趨勢，縫高難控制。相同施工排量在不同的地應(yīng)力條件和不同的巖性組合下裂縫形態(tài)會有差別，在縫高可控的情況下盡可能加大施工排量可以提高整體間接壓裂效率。

圖12 不同施工排量裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of crack growth of different construction displacements

4 結(jié) 論

擬三軸壓裂物理試驗(yàn)表明，直接壓裂煤層，水力裂縫易受到原生裂縫影響而轉(zhuǎn)變方向，難以在煤層內(nèi)均衡擴(kuò)展，不能有效溝通煤層，壓裂效果不佳。間接壓裂煤層頂板斷裂能密度高，起裂壓力高，易產(chǎn)生垂向裂縫達(dá)到溝通煤層目的。起裂點(diǎn)距離煤層越遠(yuǎn)，起裂所需能量越大，相應(yīng)的井底壓力越高；裂縫易在弱面附近延伸，能否形成垂向溝通煤層與射孔的裂縫取決于頂板力學(xué)性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、排量、起裂位置等因素。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示起裂位置、有效應(yīng)力差、垂向應(yīng)力和施工排量對裂縫擴(kuò)展影響程度較大，受控于特定地層條件。在本文模型所設(shè)條件下，地應(yīng)力剖面角度，最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力的差值<4 MPa，煤層與頂板有效應(yīng)力差>3 MPa 的地層適合間接壓裂；巖石力學(xué)性質(zhì)角度，煤與頂板彈性模量差<15 GPa的巖性組合適合間接壓裂；起裂位置距離煤層最優(yōu)距離為小于6 m，該范圍內(nèi)裂縫擴(kuò)展速度最快，裂縫形態(tài)呈現(xiàn)“長且窄”的形態(tài)；施工排量受基巖斷裂能密度以及破壞條件影響，需要判斷目標(biāo)儲層破壞形式，根據(jù)地層真實(shí)參數(shù)逐級確定最優(yōu)范圍。

擬三軸水力壓裂試驗(yàn)和ABAQUS 數(shù)值模擬均可用于間接壓裂裂縫擴(kuò)展及影響因素研究，其中物理試驗(yàn)還原度更高但尺度較小，數(shù)值模擬可以在更大尺度進(jìn)行探究，但對煤體結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式有局限性。研究成果對煤層頂板水平井間接壓裂參數(shù)范圍選擇具有指導(dǎo)價(jià)值，間接壓裂前可根據(jù)目標(biāo)地區(qū)裂縫發(fā)育情況進(jìn)行針對性建模分析。