基于数值模拟的煤矿井下分段水力压裂技术研究

孙昊达， 唐胜利， 王 毅

(1.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

井下瓦斯抽采不仅是煤矿煤层气开发的主要技术手段，也是有效防治煤矿瓦斯灾害和实现本质安全型生产的技术性措施。随着水力压裂技术的发展，近年来已有学者成功的将石油行业的水力压裂技术移植到煤矿井下，逐渐发展形成了煤矿井下水力压裂增透技术。马耕等(2014)提出了围岩——煤储层缝网改造增透抽采瓦斯理论与技术，完善了软煤、深部高应力储层瓦斯区域治理新工艺[1]。刘丽萍(2014)在煤峪口煤矿开展顶板坚硬岩层段分段逐次压裂，改善了坚硬顶板的难垮落问题[2]。陈泽升等(2015)对研究定向水力喷射压裂技术进行了研究[3]。张飞等(2016)对井下煤层水力压裂起裂、延伸和增透机理进行理论分析和数值模拟[4]。秦可(2021)对煤矿井下水力压裂技术进行了阐述、分析与探究，提出煤矿井下大直径定向钻进技术与水力压裂技术的融合，极大程度上可以增强治理煤层瓦斯的效果且应用效果显著[5]。基于煤矿井下水力压裂的技术创新和研究成功，该技术逐渐成为煤矿井下瓦斯治理技术中最好的选择之一。

阳泉矿区新景煤矿所属的3#煤层属于我国典型的高瓦斯、低透气性、碎软煤层发育的矿区，瓦斯抽采达标难度大[6]，原始瓦斯含量为15～20m3/t，煤体坚固性系数f值在0.2～0.8，煤体破坏类型属Ⅲ、Ⅳ类，煤层透气性系数为1.16×10-3m2/(MPa2·d)。采用常规的方法对该煤层瓦斯进行抽采十分困难，因此想实现顺利成孔并且瓦斯抽采达标，需采取将煤层底板梳状定向长钻孔成孔技术[7]和分段水力压裂强化增透技术[8]相结合才得以实现，该技术融合了梳状定向长钻孔成孔和分段水力压裂增透技术的优点，能够实现对碎软煤层瓦斯远距离与区域增透抽采，有效的改善煤层透气性、提高瓦斯抽采效率等难题[9-10]。

1 分段水力压裂原理与工艺

水力压裂主要是为了解决碎软煤层抽采孔成孔性差、抽采距离短和抽采区域小的难题，目的是增加煤储层的透气性，提高瓦斯抽采浓度和抽采纯量，缩短抽采时间，最终实现区域瓦斯抽采达标。逐级分段压裂可确保压裂均匀，消除压裂盲区，避免整体压裂时煤岩体因孔隙、裂隙造成的水量流失[11]，水力压裂产生的裂缝形态特征主要由煤层所在处的岩层地应力和煤岩体的力学性质决定[12]，其原理是：在高压水动力条件下，煤层及顶(底)板岩层发生起裂，在钻孔(包括主孔、分支孔及煤孔)与煤层之间，按照压裂三阶段原理，会产生相互交错的裂缝体系，形成以分支孔煤孔段为一级裂缝、分支孔岩孔段破裂岩体为二级裂缝、主孔段破裂岩体为三级裂缝的多级渗流网络通道，为瓦斯的扩散和运移提供了良好的通道，从而实现对碎软煤层远距离与区域的瓦斯高效抽采[13]。

底板梳状钻孔水力压裂采用主孔管柱不动、间隔封隔器滑套分段封孔逐级压裂工艺[14](分段水力压裂工艺示意图如图1所示)。压裂施工主要包括压裂准备阶段、封孔试压阶段、高压注水分段压裂阶段和停泵回收工具阶段[15]，压裂液选择为清水。工艺过程即利用煤层底板稳定岩层作为目标层而施工的定向长钻孔主孔作为主通道，在各分支孔前选取合理位置、稳定岩层部位，下入坐封式封隔器和投球滑套，利用井口投球装置投球憋压，采用水力压裂装备，送入高压水进行压裂。第一循环压裂完成后，投入大一级直径的密封球，打开相应位置的滑套，开始第二循环压裂，依次投入密封球(直径从小到大)进行压裂，直至施工结束。

图1 分段水力压裂工艺示意图Figure 1 Schematic diagram of staged hydraulicfracturing technology

2 分段水力压裂数值模拟

物理实验和数值模拟等方法均可作为直接监测分段水力压裂效果的有效替代方法，并在煤层压裂研究中被广泛应用[16]。ANSYS软件中的FLUENT又称ANSYS流体分析，主要用于确定流体的流动或热行为，也能应用于水力压裂流体分析。采用容器内流体分析模块来模拟煤矿井下分段水力压裂，分析该技术应用情况。

2.1 模型建立

根据分段水力压裂钻孔设计参数，采用CAD-3D建立三维分段水力压裂模拟模型，选取分段中的某一段进行数值模拟建模，所建模型选取两个封隔器之间的部分，模型尺寸为800mm×120mm×400mm(1∶100等比例缩小)，经单元划分形成计算网格，模型共记465 115个单元，113 363个节点。分支孔与主孔夹角取经验值60°(爬升过渡段忽略)，主孔和分支孔直径均为Φ120mm，箭头为水流方向(图2)。

图2 模型结构Figure 2 Model configuration

2.2 模拟结果分析

研究区煤层分段压裂施工，注入清水水压16.40～20.94MPa，流速32～36m/s，排量为33.50～40.00m3/h。根据孔内水流流向定义，主孔分支处水流率先通过的部位为前端，后通过的部位为后端；同理，定义分支孔分支处分别为上端和下端。

1)研究区中轴面。模拟分段水力压裂中某个分支孔分支区域中轴面内水的流速情况和流动特征，如图3所示。从图3(a)中可以看出，钻孔内部水流大致沿钻孔轨迹前进，在分支处前、上端出现明显加速现象，并伴有聚集效应。而图3(b)中可以看出，分支孔初始段水流极不稳定，该处最高流速可达0.70m/s，然而最低流速只有0.14m/s，相差高达5倍，虽然入水口速度极大，随着水不断通过分支部分，其速度损失极为迅速。

2)研究区孔壁。模拟结果表明，前端与后端分别表现为应力减少和应力增加，上端与下端分别表现为应力增大和应力减少，主孔前端和后端以及分支孔上端和下端是研究区应力变化最为明显的部位(又称分段水力压裂重点部位群)，主孔应力极值区为139.0～381.0Pa，分支孔极值区为42.8～199.0Pa，变化幅度为2～4倍，结合孔壁流速矢量与应力等值线图(图4)情况，该部位最有可能出现变形、开裂或破碎的区域。

图3 孔内中轴面流速Figure 3 Borehole axial plane current velocities

图4 孔壁流速矢量与压力等值线Figure 4 Isogram of borehole wall current velocity vectors and pressures

3)研究区的回流现象。根据孔内局部回流图(图5)可以看出，分支孔初始段上端(主孔水流方向前端)由于该区域水流速度减小，应力不集中，导致出现逆时针环形水流圆环区，致使从主孔进入分支孔的水流二次减速，并且使流线角度(矢量)沿逆时针旋转约20°，进一步压缩了清水进入分支孔的有效面积，改变了入水角度。因此，应尽量避免水力压裂时回流现象的产生或减小该现象强度，以提高岩煤体致裂效果。

图5 孔内局部回流Figure 5 Borehole local inverse flows

3 应用效果

本次压裂施工地点选择在新景公司保安区3107工作面南五底抽巷6#钻场，压裂施工区域地质条件简单，压裂影响范围内无明显的透水型构造、断层。根据巷道实际情况与已完钻的分段压裂钻孔情况，结合模拟数据和结论，对剩余分段水力压裂钻孔进行“增压减度”(即适当增加泵注压力或减少分支孔倾角度数)的优化，并称剩余钻孔为对照组，已完穿层钻孔为普通组。

使用千米定向钻机在3#煤层底板水力压裂施工累计有效时间33h左右，总计完成注水量1 360m3，3个分支处分别在110m、210m、310m位置。其中1-1#分支注水量372m3，泵注压力18.4～21.4MPa；1-2#分支注水量371m3，泵注压力18.6～21.2MPa；1-3#分支注水量617m3，泵注压力18.8～20.6MPa。分段压裂钻孔的抽采数据：抽采浓度最大为7.48%，最小深度为4.57%，平均为5.22%；抽采流量最大值5.18m3/min，最小值2.25m3/min，平均值4.60m3/min；日均瓦斯抽采量最大值457.41m3/d，最小值171.08m3/d，平均值334.81m3/d，抽采30d，累计抽采瓦斯纯量10 044.58m3(图6)。

图6 瓦斯抽采浓度/日均抽采纯量变化曲线Figure 6 Gas drainage concentration/daily average drainagescalar quantity variation curve

收集3107底抽巷穿层钻孔优化组和普通组抽采数据共80组。结果表明，优化组压裂钻孔百米钻孔流量为2.11m3/min，普通组穿层钻孔百米钻孔流量为0.40m3/min，抽采流量提高了近5.27倍。

4 结论

本文针对煤矿井下分段水力压裂技术的模拟与应用，提出几点认识如下：

1)分支孔的有效孔径、长度和孔壁的完整性是分段水力压裂效果优劣的前提，适当的“增压减度”有利于提升该技术的效果。对分段水力压裂钻孔整体来说，孔内水压随孔深的增加而减少，压力分布状况从入口向内缓慢减少；对各分支孔分支处而言，出现局部速度和应力急增急减情况，提出分段水力压裂重点部位群概念，局部出现回流现象。

2)融合了碎软低透煤层底板梳状定向长钻孔成孔技术和分段水力压裂强化增透技术。实现了连续压裂作业状态下的分段压裂，增加了压裂影响范围的均匀性，保证了水力压裂钻孔封孔的有效性。

3)压裂增透与普通穿层钻孔抽采数据对比，钻孔瓦斯抽采流量提高5.27倍，抽采效果较好。煤层底板梳状定向钻孔分段水力压裂技术能够解决碎软低透煤层瓦斯抽采难的问题，具有较高的推广价值。