单孔预置缝槽控制压裂裂缝扩展规律模拟研究_薛伟超.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 水力压裂（致裂） 用于煤矿井下煤层增透、 消 突、 卸压、 抽采瓦斯、 控制坚硬顶板和提高顶煤的冒 放性等方面[1-3]广泛的应用。但该技术在应用过程中 容易形成局部应力集中和增透、卸压盲区，甚至诱 导煤与瓦斯突出，定向控制压裂是解决这一问题的 方法[4]。目前主要控制方法有预置缝槽 （水力割缝、 开楔形槽） 、 钻孔内射孔、 定向卸压孔等[5-9]。水力射 孔控制效果有限，定向卸压孔需要施工大量的钻 孔，增大了经济成本和时间成本；预置缝槽在钻孔 内实施， 操作方便， 应用前景大[10]。但预置缝槽对裂 缝长度和裂缝方向的控制规律尚不清楚， 需要进一 步研究。煤矿井下裂缝监测困难，声发射等常规手 法在井下高噪和原生缝隙干扰条件下难以实现。数 值模拟是研究水力压裂的良好手段[11-12]。松藻矿区 是典型的低渗低透、瓦斯矿含量大的矿区，亟需水 力压裂增透加强瓦斯抽采。利用 RFPA 模拟单孔预 置缝槽控制压裂的裂缝扩展规律，证明了松藻矿区 预置缝槽控制压裂增透的有效性，为定向控制水力 压裂应用提供指导。 1矿区工程地质概况 松藻矿区面积约 136.06 km2， 规划可采储量 6.7 亿 t。矿区煤层厚度在 0.5～4 m 之间， 多属于薄及中 厚煤层。同华矿 K1煤层厚度在 0.5～1.65 m 之间， 煤 层倾角 30～48，平均 39，最大原始瓦斯含量为 17.56 m3/t， 瓦斯压力 1.56 MPa， 煤层瓦斯含量大， 煤 层为突出煤层。 煤层渗透率 0.0110-15m2以下[13]， 渗 透率极低。 K1煤层埋深约 500 m 左右， 煤体抗压强度约为 4 MPa， K1煤层赋存及应力分布如图 1。井下实测三 向地应力数据[13-14]为 σ123.7 MPa， σ29.9 MPa， σ3 4.5 MPa。将其在煤层平面方向上分解，得到 σx DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.036 单孔预置缝槽控制压裂裂缝扩展规律模拟研究 薛伟超 1， 2， 3， 李艳增1，2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110016； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要 以松藻矿区为例， 采用 RFPA 软件， 模拟分析单孔定向预置缝槽控制压裂煤层在不同缝 槽长度、 不同缝槽与地应力分量夹角条件下水压裂缝的扩展规律。研究表明 预置缝槽钻孔能够 有效降低钻孔附近煤层水力压裂的破裂压力和裂缝稳定扩展压力并增大裂缝扩展范围， 裂缝范 围最大可提高至常规钻孔的 2 倍。 关键词 定向控制； 预置缝槽； 水力压裂； 裂缝扩展； 转向； 破裂压力 中图分类号 TD713文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0158-05 Simulation Study on Crack Propagation Law of Single Hole Pre-fitting Slot Controlling Fracturing XUE Weichao1,2,3, LI Yanzeng1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China；2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China；3.Shool of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China） Abstract Taking Songzao Mining Area as an example, RFPA software was used to simulate and analyze the propagation laws of hydraulic cracks under different conditions of different slot lengths and angles between different slots and ground stress component in the coal seams. The research shows that the pre-fitting slot can effectively reduce the cracking pressure and the fracture stability expansion pressure of the coal seam hydraulic fracturing near the borehole. Besides, it can also increase the crack extension range, even 2 times of the conventional drilling hydraulic fracturing. Key words orientation control； pre-fitting slot； hydraulic fracturing； crack propagation； turning； cracking pressure 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （2016ZX05045004- 001） 158 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 表 1数值模拟参数 模拟量参数值模拟量参数值 强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 自重/ （N mm-3） 拉压比 最大拉应变系数 瓦斯压力/MPa 渗透系数/ （m d-1） 孔隙压力/MPa 初始钻孔压力/MPa 4 5.5 0.32 0.000 013 10 1.5 1.56 0.1 0.32 5.0 强度均值度 弹性模量均值度 泊松比均值度 自重均值度 内摩擦角/ （ ） 最大压应变系数 残余强度/ 孔隙水压系数 耦合系数 钻孔水压增量/ （MPa step-1） 2 2 100 100 36 200 0.1 0.12 0.1 0.5 20.55 MPa， σy11.1 MPa， 其中， x 方向为煤层走向方 向， y 方向为煤层倾向方向。 2模拟软件简介及参数设定 RFPA2D假设岩石材料介质中的流体遵循 Biot 渗流理论， 采用最大拉伸强度准则和 Mohr-Coulomb 准则作为损伤阀值对单元进行损伤判断，赋予细观 单元体强度的不均匀性，能对岩石破坏裂纹的萌 生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦 合机制等基本渗流特性进行模拟，开展渗流场、 孔 隙压力场时空分析[15-18]。 结合重庆松藻矿区现场条件，取垂直于钻孔的 1 个剖面，抽象的物理模型示意图如图 2。利用 RFPA 软件建立了 300200 单元的二维平面应变数 值模型， 数值模拟参数见表 1。 3预置缝槽压裂模拟方案 预置缝槽参数主要包括预置缝槽长度和预置缝 槽角度。为了研究定向预置缝槽钻孔压裂的裂缝扩 展行为及其对煤岩体应力环境的改变和影响，依次 模拟预置缝槽的长度 L 及预置缝槽与地应力分量 σx的夹角 θ 的变化， 观察不同条件下的水压裂缝的 扩展行为， 数值模拟方案如图 3。 4模拟结果与分析 4.1典型的常规钻孔压裂 为了更清楚地看出预置缝槽控制压裂的效果， 进行常规的钻孔压裂模拟作为空白对照实验，常规 单孔水力压裂过程中的水力等值线图、 声发射、 渗流 如图 4。 模拟中的水力等值线图的明暗变化的圆圈表示 水力梯度， 光圈越亮， 表示水压力越大。声发射图像 黑色圆圈代表累计声发射，白色圆圈代表当前步声 发射， 圆圈的大小表示声发射的能量大小。 初始水压力为 5 MPa， 每步增加 0.5 MPa； 水力 等值线图在钻孔中心呈圆环状，在周边孔附近向中 心凹陷，钻孔水并没有渗透过周边钻孔的范围。随 着钻孔水压力不断增大， 第 40-1 步时， 在钻孔左右 图 1K1煤层赋存及应力分布图 注 θ1x为 σ1与σx的夹角， 下同。 图 2抽象的物理模型示意图 图 3数值模拟方案 159 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 5单孔预置缝槽控制致裂裂缝扩展随缝槽长度变化图 两侧尖端裂缝萌生，孔壁破裂压力为 24.5 MPa； 水 压力继续增大至 25 MPa 时，水压致裂模拟进入长 时分布计算，水压裂缝不断扩展而钻孔水压力不再 增大， 说明水力致裂进入到稳定扩展阶段， 水压裂缝 稳定扩展压力为 25.0 MPa。随着水压裂缝的扩展， 对应在破裂煤体周围的声发射信号和渗透特性也发 生相应的改变煤体发生张拉破坏释放大量的声发 射信号， 渗透性增大。 4.2预置缝槽长度对压裂的控制模拟 在单孔压裂的基础上， 沿着 x 方向， 在钻孔两侧 预置缝槽， 按照模拟方案模拟单侧缝槽长度 L0.2、 0.3、 0.4、 0.5 m 条件下的水力压裂， 模型参数与对照 实验完全一致，单孔预置缝槽控制致裂裂缝扩展随 缝槽长度变化图如图 5。 当预置缝槽长度 L0.2 m 时，压裂开始时水压 图 4常规单孔水力致裂过程中的水力等值线、 声发射、 渗流图 力迅速充满钻孔，在钻孔壁周围产生环向压应力； 受地应力的影响，由于预置缝槽的楔形几何形状， 在预置缝槽两侧及垂直于应力分量 σy的方向上的 半圆孔壁上首先产生压应力积聚。随后，在渗透水 压力梯度的作用和传导下，岩石骨架发生变形至新 的稳定并向远方传递，对应的压应力区域不断扩 大，直至稳定进入第 2 步计算。模拟进入 35-3 步 时，右侧预置缝槽的右上角初见尖端裂缝，其萌生 压力为 22 MPa； 模拟进入 38-9 步时， 水力压裂进入 裂缝稳定扩展阶段，对应的裂缝稳定扩展压力为 23.5 MPa。 当预置缝槽长度 L0.3 m 时，水力压裂进行到 第 29-6 步时，出现在左边的预置缝槽左下角出现 尖端裂缝萌生， 对应的水压力为 19 MPa； 第 30-13 开始， 在声发射图中的模型中， 垂直于应力分量 σy 的张拉区域不断扩大，说明在宏观层面上该区域的 煤岩体受张拉破坏，渗透率逐渐增大；第 34-15 步 时， 水压裂缝充分扩展， 水压裂缝基本扩展到边界， 160 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 7钻孔压裂的尖端裂缝萌生压力和水压裂缝稳定扩展 压力随预置缝槽长度变化规律 对应的水压力为 21.5 MPa。 当预置缝槽长度 L0.4 m 时，模拟进行到第 30-2 步时， 在预置缝槽的前端右下角处开始有尖端 裂缝萌生， 对应的水压力为 19.5 MPa； 当模拟运行 到第 33-16 步时， 水压裂缝稳定充分的扩展， 对应 的裂缝稳定扩展压力为 21 MPa。 当预置缝槽长度 L0.5 m 时， 第 28-1 步， 在左 侧预置缝槽的左下尖端有尖端裂缝萌生， 裂缝萌生压 力为 18.5 MPa； 水压裂缝稳定扩展压力为 20.5 MPa。 从渗透率变化图可以清楚的看出煤岩体渗透率 随着水压主裂缝的扩展、延伸而在裂缝附近出现渗 透率不断增大。 所建立的模型大小是一致的，在绘图软件中统 计压裂的单元格在总单元格中的占比，用于表征压 裂范围的大小， 压裂范围计算示意图如图 6。 针对以上预置缝槽对煤层水力压裂的影响和控 制情况，得出不同缝槽长度条件下的预置缝槽钻孔 煤层压裂的尖端裂缝萌生压力和水压裂缝稳定扩展 压力，汇总压裂范围占比，预置缝槽长度对煤层压 裂参数影响见表 2。 利用 Office 软件处理数据， 得到相应的散点图， 钻孔压裂的尖端裂缝萌生压力和水压裂缝稳定扩展 压力随预置缝槽长度变化规律如图 7。常规钻孔水 压裂缝出现尖端裂缝萌生时的压力为 24.5 MPa， 预 置缝槽钻孔压裂的水压裂缝出现尖端裂缝萌生压力 最小为 18.5 MPa， 最大为 22.0 MPa， 最大且降幅达 到 24.4。 常规钻孔水压裂缝稳定扩展的压力为 25 MPa，预置缝槽钻孔压裂的水压裂缝稳定扩展压力 最小为 20.5 MPa， 最大为 23.5 MPa， 最大且降幅达 到 18。从表 3 可以看出， 随着预置缝槽长度的增 大，压裂范围有显著的增大，模拟条件下最大可提 高至常规钻孔的 2 倍。当预置缝槽长度 L≤0.3 m 时，对压裂范围的增大效果有限；当预置缝槽长度 L≥0.4 m 时， 会对压裂范围有一个明显的提升。但 是单个预置缝槽压裂范围有其极限，当预置缝槽长 度 L＞0.5 m 时， 压裂范围增大率降低。 预置缝槽钻孔压裂会明显降低煤层水力压裂的 破裂压力， 且预置缝槽的半径越长， 相应的尖端裂纹 萌生压力 （即破裂压力） 降低越大。但是存在极限的 最低破裂压力， 即当预置缝槽足够长后， 破裂压力基 本不再降低， 这与煤岩体本身的物理力学性质有关。 松藻矿区预置缝槽影响下的最低极限破裂压力为 18 MPa， 且符合如下规律 pp0.428 6L2-4.071 4L28.2R210.991（1 ） 水压裂缝稳定扩展压力表征裂缝在在渗透作用 下作用与煤层并使之破坏压裂，最终形成宏观裂纹 的条件压力。预置缝槽的长度越大，水力压裂所需 的裂缝稳定扩展压力越小。但是存在极限的最低裂 缝稳定扩展压力，这与煤岩体本身的物理力学性质 有关。松藻矿区预置缝槽影响下的最低裂缝极限稳 定扩展压力为 20 MPa， 且 pw0.25L2-2.65L27.5R220.986（2 ） 表 2预置缝槽长度对煤层压裂参数影响 图 6压裂范围计算示意图 尖端裂缝 萌生压力 水压裂缝稳定 扩展压力 压裂 范围 模拟步/ step 压力/ MPa 模拟步/ step 压力/ MPa 单元格 占比/ 常规 040-124.541-925.07.87 0.235-322.038-923.58.80 0.330-419.534-1721.58.96 0.430219.033-621.014.55 0.528-118.532-2220.516.42 钻孔 类型 长度 L/m 预置 缝槽 161 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 3不同预置缝槽夹角对煤层水力压裂裂缝影响 θ/ （ ） 裂缝起裂偏向裂缝稳定扩展 压力/MPa 偏 σx偏 σy 0 30 60 90 ■ ■ ■ ■ 21.0 21.0 21.0 21.5 水力压裂时煤矿井下的高压操作工艺，水压裂 缝的破裂压力和水压裂缝稳定扩展压力的降低低， 可以降低压裂工艺对压裂设备的耐压要求，提高设 备的应用范围并降低长时间工作的高压管路损耗， 同时提高压裂效率。 4.3预置缝槽夹角对压裂的控制模拟 在单孔压裂的基础上， 沿着 x 方向， 在钻孔两侧 预置缝槽，按照模拟方案模拟预置缝槽与地应力分 量 σx的夹角 θ 在 0、 30、 60、 90条件下的水力致 裂情况，压裂的模型参数与对照实验完全一致， 单 孔定向预置缝槽控制致裂裂缝扩展随缝槽夹角变化 如图 8。 从图 8 可以看出，水压裂缝从预置缝槽的尖端 开始起裂，在预置缝槽方向短暂延伸之后，脱离预 置缝槽的控制范围， 逐渐转向应力分量 σx方向。预 置缝槽控制压裂不能改变大范围内水压主裂缝的整 体扩展，但是可以在局部范围内控制裂缝的起裂位 置，从而实现对压裂空白带水压裂缝的引导控制。 同时，预置缝槽夹角的改变，对水压裂缝稳定扩展 压力基本没有影响，不同预置缝槽夹角对煤层水力 压裂裂缝影响见表 3。 5结论 1 ） 预置缝槽钻孔压裂会明显降低煤层水力压 裂的破裂压力， 且预置缝槽的半径越长， 相应的破裂 压力降低越大， 但存在最低的极限破裂压力， 松藻矿 区预置缝槽影响下的最低极限破裂压力为 18 MPa。 2） 预置缝槽的长度越大， 水力压裂所需的裂缝 稳定扩展压力越小，但存在极限的最低裂缝稳定扩 展压力，松藻矿区预置缝槽影响下的最低裂缝极限 稳定扩展压力为 20 MPa。 3） 随着预置缝槽长度的增大， 压裂范围有显著 的增大， 最大可提高至常规钻孔的 2 倍。 4 ） 水压裂缝的起裂的最终偏向总是偏向 σx方向， 预置缝槽可以在局部范围内控制裂缝的起裂位置， 从而实现对压裂空白带水压裂缝的控制，实现增 透、 消突、 防冲等工程目的。 参考文献 ［1］ 黄炳香， 赵兴龙， 陈树亮， 等．坚硬顶板水压致裂控制 理论与成套技术 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2017， 36 （12） 2954－2970． ［2］ 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