深部低透气性煤层上向穿层水力压裂强化增透技术

蔡　峰，刘泽功

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南　232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南　232001；

3.煤与煤层气共采安徽省重点实验室，安徽 淮南　232001)



深部低透气性煤层上向穿层水力压裂强化增透技术

蔡峰1,2,3，刘泽功1,2

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南232001；

3.煤与煤层气共采安徽省重点实验室，安徽 淮南232001)

摘要:煤层气的长时间、高效抽采的是当前煤层气灾害治理与煤层气资源利用过程中亟需解决的问题。利用数值模拟实验与工程试验相结合的方法，系统地研究了井下底抽巷对目标煤层进行水力压裂强化增透技术。研究发现，水力压裂的裂隙扩展过程经历了能量与应力累积、微裂隙产生、局部压裂损伤、煤体抵抗失效与裂隙迅速拓展以及压裂水能量再蓄集再扩张循环5个阶段，水力压裂产生了大量的裂隙，再加上顶底板碎胀作用而使煤层卸压，使得煤体透气性大幅提高。水力压裂工程试验验证了压裂水的运移轨迹，与数值模拟与分析结果相吻合，实现了大范围增透和长时效的煤层气抽采，从而为深部低透气性煤层强化增透和煤层气高效抽采提供了技术保障。

关键词:低透气性煤层；井下；水力压裂；增透

煤层气(又称为瓦斯)是制约矿井安全生产的主要因素之一[1]，但也是一种优质的能源，可用于发电、取暖、化工等众多领域[2]。因而，安全高效的抽采煤层气，一方面可以消除安全隐患，另一方面又可以获得煤层气能源，实现变害为宝[3]。

为了提高煤层气资源的抽采率，自“十一五”以来，国家在一些代表性的矿区实施了大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项，以期促进煤层气的高效抽采和产业化。

然而，我国多数矿区的煤层气抽采难度普遍较大，特别是在两淮矿区，由于煤层埋藏深、煤层软、煤层透气性低等因素，导致煤层气抽采困难，严重制约着矿井生产安全[4]。尽管通过深孔预裂爆破、水力冲孔等措施使得透气性在短期内迅速提高，但是由于煤层的埋藏较深、地应力较大、煤层较软，煤体透气性会在短时间内迅速衰减到原来的水平[5]。因而，如何确保长时间、高效的抽采煤层气是目前亟需解决的问题[6]。

水力压裂技术在石油工程领域应用广泛，是油气开发工程的主要增透技术之一[7]。其方法是在地面打竖井到油气储层，然后利用高压泵将水或压裂液压入储层，并将其压裂，从而大幅提高储层透气性，实现高效抽采油气资源[8]。但在煤层气抽采过程中应用此方法时，由于地面钻井定位困难、施工成本较高、成本回收周期长等众多技术经济问题，这一技术的应用受到了制约[9]。而在井下从煤层底板向上施工水力压裂钻孔并实施水力压裂，由于其施工精度高、成本低等特点使其成为了一个重要的可选方案，在这一领域，国内外研究较少。

本文利用数值模拟和现场工程试验相结合的方法，系统的研究了井下煤层水力压裂强化增透技术，实现了煤层气的强化增透和抽采，有效的解决了煤层气抽采的时效性难题，为相似条件下的煤层气强化抽采提供借鉴。

1数学模型

1.1煤体多孔介质方程

煤体是一种多孔介质，根据多孔介质控制方程，煤体骨架的几何方程、物理方程、平衡方程以及边界条件[10]可表述为

(1)

(2)

(3)

(4)

在水力压裂过程中，高压水在煤体中流动的流动方程、连续性方程以及边界条件[11]为

在区域Ω内：

(5)

(6)

在压裂水载荷边界位置：

(7)

在煤体孔隙压力边界位置：

(8)

1.2Cohesive损伤模型

Cohesive损伤模型起裂的判定准则[12]为

(9)

1.3Cohesive流动性质

压裂水沿Cohesive单元切向流特性方程[13]为

(10)

式中，p为压裂水的压力，Pa；μ为压裂水的动力黏度，Pa·s；t为裂隙开口宽度，m；q为压裂水切向体积流量，m3/s。

Cohesive单元内压裂水法向流量[7]为

(11)

式中，pt,pb为压裂水流入和流出单元的压力，Pa；ct,cb为压裂水流入和流出单元的滤失系数，m3/(Pa·s)；pi为单元中面压力，Pa；qt,qb为压裂水流入和流出单元的流量，m3/s。

2水力压裂数值模拟与分析

2.1数值模型与参数

数值模拟计算以淮南矿业集团顾桥矿1115(1)长壁工作面所属的11-2煤层为例，利用RFPA-Integrated数值模拟软件进行建模和模拟，如图1所示。数值模型的尺寸为20 m×30 m的长方形，将其划分成72 600个单元。在煤层的中部开挖一个直径为94 mm的水力压裂孔。

图1　数值模型Fig.1　Numerical model

煤层垂深860 m，煤层气含量为11.3 m3/t，煤层气压力为3.2 MPa，通过地应力测定，煤层所在位置垂向地应力为12 MPa，水平方向地应力为4.2 MPa。该处煤体的力学参数见表1。利用Monte-Carlo法对基元进行初始化[14]，如式(4)所示，并使各单元的参数符合Weibull分布[15]，

(12)

式中，φ(E)为弹性模量为E的统计基元数；m为均质系数，这里取m=3；E0为弹性模量的均值。

2.2数值模拟与分析

图2显示了水力压裂过程中垂向应力场动态分布情况，结合图3所示的水力压裂过程中裂隙场分布和能量积聚图可以分析出，在水力压裂的裂隙扩展过程经历了以下5个阶段：

(1)能量与应力累积阶段。

这一阶段压裂水主要通过渗流方式进入煤体的原始孔隙和裂隙，在高压压裂水的作用下，煤体的微裂隙也逐渐被高压水充实，其中的煤层气被压缩，煤层气压力增大并成为阻碍高压水进一步润湿煤体的重要因素。在这一阶段，声发射现象和次数较少、能量也较小，在压裂孔周围形成一个环形放射状应力集中带。

表1　煤层与顶底板力学参数

图2　水力压裂过程中垂向应力动态分布(MPa)Fig.2　Dynamic distribution of vertical stress during hydraulic fracturing

图3　水力压裂过程中裂隙场动态分布Fig.3　Dynamic distribution of cracks field during hydraulic fracturing

(2)微裂隙产生阶段。

随着压裂水压力的不断增加，压裂孔周围应力进一步升高并产生了许多零星分布的微裂隙，这些微裂隙在压裂孔左右两侧的密度较高，由于产生了微裂隙，在这一阶段，声发射现象和次数明显增多，如图3(b)所示。

(3)局部压裂损伤阶段。

随着压裂水压力的进一步增加，微裂隙不断的发育、延伸和合并，在压裂孔左右两侧逐渐形成两个主裂隙，其方向大致呈水平。同时，在主裂隙尖端附近产生了一些不与主裂隙沟通的微小裂隙。压裂水的压力沿着裂隙(特别是主裂隙)的方向扩展，声发射的次数和能量都有大幅度的提高，形成了局部裂隙损伤，裂隙发展较快。

(4)煤体抵抗失效与裂隙迅速拓展阶段。

由于压裂水能量的不断累积，当压裂水的压力足以克服地应力和煤体强度时，导致煤体抵抗失效，主裂隙迅速扩展，如图3(c)所示。同时，由于主裂隙迅速扩展，裂隙中的自由空间增大，压裂水的压力迅速降低。

(5)压裂水能量再蓄集再扩张循环阶段。

压裂水的压力在压裂泵的作用下再次蓄能增压，当压裂水的压力再次足以克服地应力和煤体强度时，煤体抵抗再次失效，主裂隙再次迅速扩展，同时压裂水的压力再次降低，并进入再蓄能再扩张的循环往复过程。

水力压裂同时也导致顶底板发生局部位移，当这种局部的位移达到一定程度时，会导致顶底板破裂同时使煤层的体积胀大。但当水力压裂结束后，顶底板的破裂位置的岩体由于碎胀作用将无法恢复到原来的状态，这些碎胀的岩体起到了支撑上部岩体的作用而使得煤体膨胀卸压，这将大幅提高煤体的透气性。

2.3起裂压力与埋深的关系

根据海姆假设，垂向地应力与埋深之间存在着一个线性关系，因而可通过埋深来计算获得垂向地应力[2]。为了能够确定起裂压力，在模拟过程中，将初始水压定为6 MPa，每步增加水压0.1 MPa。同时，调整垂直地应力并使水平地应力为垂直地应力的1/3进行反复模拟，以确定不同埋深条件下的起裂压力，模拟结果如图4所示。

图4　起裂压力与埋深的关系Fig.4　Relation between crack pressure and buried depth

由图4可以看出，随着埋深的增加，起裂压力也逐渐增大，两者之间大致呈线性关系。在水力压裂工程实践中，由于多数压裂泵的工作压力是不可以动态调整的，因而可以在水力压裂作业前，根据煤层的埋深和图4所计算结果，对压裂泵的工作压力进行预设。

3水力压裂工程试验研究

试验地点选在淮南矿业集团顾桥矿1115(1)长壁工作面底板抽采巷，煤层倾角为12°，在该工作面的巷道掘进前，在底板抽采巷向上打钻孔实施水力压裂作业，以提高煤体的透气性，缩短抽采达标时间。

3.1水力压裂和效果考察方案

压裂设备选用南京六合煤矿机械公司生产的BZW-200/56型乳化泵，额定压力56 MPa，额定流量200 L/min。管路系统采用两路φ19 mm，额定压裂75 MPa的高压钢网软管。水力压裂孔的布置如图5所示，压裂孔的直径为94 mm，倾角为70°。

图5　水力压裂孔的布置Fig.5　Arrangement of hydraulic fracturing borehole

水力压裂后，为了考察压裂效果，在压裂孔周围40 m范围内的煤层进行取样分析，取样钻孔的设计如图6所示，分别对每个取样钻孔取出的煤样测定含水率、煤层气含量、孔隙率特性。由于单个钻孔的煤层气流量较小，单个钻孔的流量测定精度难以保证，因而在煤层参数测定完成后，将T1～T7组钻孔合并为一组接入煤层气抽采系统并安装一个流量计进行煤层气抽采量考察，如图6所示。

图6　取样钻孔与水力压裂孔终孔位置Fig.6　Arrangement of sample and hydraulic fracturing borehole

3.2水力压裂过程

根据数值模拟结果，将压裂泵的工作压力设定为33 MPa，压裂孔煤层段为筛管，岩石段采用“一堵二注”工艺带压二次注浆，压力6～8 MPa。水力压裂作业分为3个阶段：

第1阶段，2014-08-19，开启双台泵进行压裂作业，压力稳定在31～33 MPa之间，共计压裂时间65 min，压入水量18.09 t。压裂后进入巷道观察，无异常；

第2阶段，2014-08-21，开启双台泵进行压裂作业，压力稳定在30～35 MPa之间，共计压裂时间530 min，压入水量202.25 t，压裂结束后：压裂孔以西0～5 m处，巷道底臌，地坪开裂，无片帮掉顶及渗水现象；压裂孔以东0～10 m，巷道顶板有轻微掉浆皮现象，部分锚杆孔渗水；压裂孔以东15 m处，巷帮局部掉浆皮，巷顶开裂放线较明显，周围锚杆孔口有渗水现象；压裂孔西35 m，有1处裂隙滴水，伴有煤层气溢出，周围部分锚杆孔渗水；32324底板巷对应压裂孔处顶板侧局部掉浆皮；

图7　水力压裂后底板巷围岩变化情况Fig.7　Influence on roof and rib of roadway by hydraulic fracture

第3阶段，2014-08-22，压力稳定在30～32 MPa之间，共计压裂时间212 min，压入水量84.06 t。水力压裂后，底板巷围岩变化情况如图7所示。

从图7可以看出，在底板巷进行水力压裂孔作业时，会引起底抽巷顶、帮位移从而导致掉浆皮等现象，这与数值模拟和分析结果是一致的。

3.3压裂后的对比分析

水力压裂后，保水10 d，将水自由排出后开始施工图6所示的取样钻孔。为了能够有效的反映出水力压裂对煤层可抽采特性的影响，在水力压裂孔以西300 m以外施工9组与图6布置相同的对比钻孔，并测定对比钻孔煤样的含水率、煤层气含量以及煤层气抽采速率，作为未压裂区域的煤层气可抽采特性，并与压裂后图6所示的取样钻孔的数据进行对比分析。

3.3.1煤层含水率特性

从图8可以看出，水进入煤体后并不是均匀的向外扩展，而是主要沿着压裂孔的两侧进行压裂扩展，图8中的红色箭头表示了水的压裂扩展方向，这与图4所示的数值模拟结果是吻合的，同时，由于重力的作用，在压裂孔的下方，一部分水会向下压裂扩展。通过对对比钻孔的煤样分析获得，未压裂区域煤层的含水率为1.89%，而在图8所示的压裂孔周围40 m的区域内，多数煤样煤层的含水率超过4%，因而，从煤层含水率的角度来看水力压裂的影响半径超过了40 m。

3.3.2煤层气含量特性

图9显示了水力压裂后，图6所示的各取样钻孔中煤样的煤层气测定结果。从图9可以看出，在压裂孔的两侧以及下部区域煤层气含量较小，且离压裂孔越近，煤层气的含量越小，这与图8所示的煤体含水率特性相反。

图8　压裂后煤体含水率等值线(%)Fig.8　Contour view of rate of water content (%)

图9　压裂后煤层气分布等值线(m3/t)Fig.9　Contour view of CBM (m3/t)

在压裂孔两侧煤层气含量均呈现出由内向外逐渐增大的趋势，东侧煤层气含量明显高于西侧，所测出的较大的煤层气含量值均出现在东侧，这是因为压裂水在煤体中的不规则运动所造成的。在水力压裂的影响区域内，煤层气的含量均明显低于未压裂区煤层气含量值，且压裂水影响较大的区域，煤层气的含量明显少于压裂水影响较小的区域，存在明显的水驱气现象。

3.3.3煤层气可抽采特性

通过在未压裂区的对比钻孔进行煤层气抽采纯量测定，确定未压裂区煤层气的平均单孔抽采流量为0.003 m3/min左右。图10显示了水力压裂区和未进行水力压裂区的平均单孔煤层气抽采纯量与对比情况。通过对图10的分析，可以发现：

图10　压裂区和未压裂区平均单孔抽采纯量与对比Fig.10　Average pure CBM flux and comparison before and after hydraulic fracturing

(1)压裂影响区内的煤层气抽采纯量曲线经历了上升期、峰值期和稳定期3个阶段，通过多次压裂抽采试验，上升期通常为3～6 d，峰值期通常为2～4 d，而稳定期通常可达到1个月以上。从图10可以看出，在上升期的初期，煤层气的抽采纯量反而比未压裂区小，之后抽采纯量迅速增加，在峰值期，煤层气抽采纯量通常达到未压裂区的3～7倍，反映出煤层气的抽采量随着煤体内水分的逐渐散失而逐渐提高的趋势，这是因为在压裂过程中，水沿着裂隙面渗入煤体，对煤层气起到一定程度的抑制作用，且在抽采初期，由于水分较多抑制作用较明显，而随着水分不断散失，煤层气沿着压裂裂隙不断涌出，而使得抽采纯量不断提高。在稳定期，煤层气抽采纯量也可达到未压裂区的2倍以上。

(2)水力压裂影响区域内煤层气抽采纯量可以实现1个月以上的连续高效抽采，时效性较突出。

(3)压裂后煤层气高效抽采半径超过30 m，在现场工程实践中，可以每隔50 m设置一个水力压裂孔即可实现目标煤层的高效增透。

4结论

(1)通过利用多孔介质控制方程和Cohesive损伤模型进行数值模拟分析发现，水力压裂的裂隙扩展过程经历了能量与应力累积、微裂隙产生、局部压裂损伤、煤体抵抗失效与裂隙迅速拓展以及压裂水能量再蓄集再扩张循环五个阶段，水力压裂同时也导致顶底板发生局部位移和破裂，碎胀的岩体起到了支撑作用而使得煤体膨胀卸压，从而大幅提高煤体的透气性。

(2)通过水力压裂工程试验，发现在水力压裂过程中，底板巷的巷帮和巷顶在高压水的作用下开始出现位移和掉浆皮、裂隙滴水等围岩断裂现象，这与数值模拟分析结果相吻合。

(3)通过对压裂区煤体含水率和煤层气含量的采样分析，验证了压裂水的运移轨迹与数值模拟结果相吻合。

水力压裂影响区实现了长时效的煤层气抽采，有效抽采时间超过1个月，单个压裂孔增透范围大(超过30 m)，从而为深部低透气性煤层强化增透和煤层气高效抽采提供了技术保障，也为相似煤层赋存条件下的煤层气抽采提供借鉴。

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Simulation and experimental research on upward cross-seams hydraulic fracturing in deep and low-permeability coal seam

CAI Feng1,2,3，LIU Ze-gong1,2

(1.ProvincialandMOEJointEstablishedKeyLabofCoalMineSafetyandHighEfficientMining,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.SchoolofResourceandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;3.KeyLaboratoryofIntegratedCoalExploitationandGasExtractionofAnhuiProvince,Huainan232001,China)

Abstract:Long-time and high-efficiency CBM drainage is a problem for current CBM disasters control and CBM resource utilization.Numerical simulation and engineering experiments were conducted to systematically study the underground hydraulic fracturing technique for greatly increasing the permeability of coal seam.The research results show that there are five stages in the process of hydraulic fracturing,including energy and stress accumulating,micro cracks growing,local damage,local cracks growing and connecting,and fail to resistance of coal and rapid expansion of cracks.A large number of cracks created by hydraulic fracturing,and swelling effect of roof and floor make coal seam pressure relieved,thus,the permeability of coal seam is greatly increased.The engineering experiments validate the migration path of water,and it is in agreement with numerical simulation results.A large-range permeability increase and long-time CBM drainage are achieved.This study provides a technical way for intensified permeability increase and high-efficiency CBM drainage in deep and low-permeability coal seams.

Key words:low-permeability coal seam;underground;hydraulic fracturing;permeability increasing

中图分类号:TD712

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0113-07

作者简介:蔡峰(1980—)，男，江苏徐州人，教授，硕士生导师，博士。E-mail：fcai@aust.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51304006)；国家科技重大专项资助项目(2011ZX05064)；安徽省自然科学基金资助项目(1408085QE87)

收稿日期:2015-09-11修回日期:2015-11-13责任编辑:毕永华

蔡峰，刘泽功.深部低透气性煤层上向穿层水力压裂强化增透技术[J].煤炭学报,2016,41(1):113-119.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9014

Cai Feng，Liu Zegong.Simulation and experimental research on upward cross-seams hydraulic fracturing in deep and low-permeability coal seam[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):113-119.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9014