采动影响条件下急倾斜特厚煤层水平井分段压裂技术数值模拟研究

姚团琪， 王 晶， 赵永哲

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054； 2.西安石油大学石油工程学院，西安 710065)

Numerical Simulation Study on Pitching Extra Thick Coal Seam Horizontal Well Staged Fracturing Technology under Condition of Impact from Mining

Yao Tuanqi1, 2, Wang Jing1and Zhao Yongzhe1

(1.Xi’an Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group, Xi’an, Shaanxi 710054;2.College of Petroleum Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, Shaanxi 710065)

Abstract：The Yaojie coalmine No.3 has a typical pitching extra thick coal under impact from mining condition. The winning district No.5 is in an inorganic source CO2invasive infiltration area, belongs to coal (rock) and CO2burst hazardous area, accompanying with local coal and gas burst hazard. To ensure underground coal extract continuation and mining safety, first time proposed technical concept of staged fracturing horizontal well burst hazard fast elimination. The paper has expoundedregard to winning district No.5 staged fracturing horizontal well development regime faced important issues. Firstly, taking previous neighboring area CBM well measured rock mechanical parameters as fundamental database, combined with the well’s microseismic fracture monitoring interpreted results through numerical simulation carried out established numerical model parameters calibration, thereupon acquired more objective, accurate numerical model parameters. On this basis, under same operational parameters and conditions, impacted by strong, medium and weak mining induction simulated results have shown that with mining induced impact degree deepening, vertical hydraulic fissure extensions present exponential increase. The results have shown whether medium or high sand ratio fracturing, propped fissure lengths can all meet requirement. Fracturing target zone overlying strata are all coal seams, impacted by mining have caused vertical fissure height control become pitching extra thick coal fracturing key point. To ensure staged fracturing horizontal well effect of pitching extra thick coal seam under the mining impact, two suggestions are proposed：① to control operational output volume not exceed 6m3/min strictly,single stage operational fluid volume 200m3,with optimized high sand ratio rinsing fracturing fluid system; ② lowering down mining

impact as far as possible, can consider the layout of well horizontal segment apart from overlying coal face 100m below.

Keywords：mining impact; pitching extra thick coal seam; horizontal well; fracturing; numerical simulation

0 引言

急倾斜特厚煤层是指水平宽度大于10m 、平均倾角大于45°，主要分布在辽源梅河矿、新疆乌鲁木齐和六道湾矿、甘肃窑街煤业等区域。甘肃窑街三矿五采区地处三矿东北边缘，煤层赋存特征为急倾斜单斜煤层，倾角60°，煤二层平均厚度50m。根据矿井瓦斯地质报告，五采区为无机源CO2侵入渗入区，属煤(岩)与CO2突出危险区，并伴局部煤与瓦斯突出危险区。目前五采区已开采至+1 322m，原始应力状态已遭破坏。随着开采规模的加大及矿井开拓不断向深部延伸，CO2和CH4突出灾害将严重影响该矿井的采掘接替和安全生产[1-6]。

大量理论成果及实践经验均表明，地面瓦斯预抽是治理矿井瓦斯灾害有效途径。近年来，窑街海石湾煤矿，地面瓦斯预抽取得了突破性进展，压裂垂直井单井产气量突破2 000m3/d[7]。窑街海石湾矿与三矿同属民和盆地，具相同的沉积环境，且地理位置比邻[8]。因此，为三矿解决井下气体突出灾害指明了方向。与海石湾矿相比，三矿的地面预抽条件更为特殊。首先，通过大量文献调研，采用分段压裂水平井方式解决急倾斜特厚煤层煤与瓦斯突出问题的研究极少，无前人研究成果可借鉴。其次，三矿五采区采用综采放顶煤，顶板全部垮落，造成研究区内原始应力状态改变[9-10]。再次，三矿煤层倾角达到60°，使得水力裂缝的延展在垂向上缺少有效隔挡层。

为了进一步探索，在急倾斜特厚煤层条件下，地面气体预抽新技术、新方式，缓解传统井下气体突出灾害治理的不足[11-13]。本次研究拟通过压裂数值模拟方法，从理论上分析，窑街三矿五采区地质条件下，分段压裂水平井开发方式所面临的重要问题。第一个问题，受采动影响条件下，水力压裂裂缝在垂向上延展会不会沟通采掘工作面，从而使水力压裂失败。第二个问题，煤二层垂向上缺少有效隔挡层，压裂裂缝缝高会不会失控，致使压裂失败。第三个问题，目前清水携砂是煤层气井压裂较为理想的压裂液体系。同时，在保证煤层气井压裂效果的前提下，选择压裂施工排量和加砂规模作为主要衡量参数。分析在不同排量、砂比条件下，水力裂缝几何形态产生影响的程度究竟如何。针对以上三个重要问题，笔者通过数值模拟方法展开论述。

1 数值模型参数校准

FracproPT压裂软件是一款集压裂设计、压裂分析、产能预测及经济评价等功能于一体的成熟商业软件。本次研究选择该软件2015版，主要基于以下几方面考量。第一，该软件压裂分析模块，可以分析在不同排量、砂比条件下，压裂裂缝几何形态的变化。第二，截至目前，窑街三矿还未开展过地面预抽等各项工作，借鉴前期三矿临近区块海石湾煤矿所取得的岩石力学参数、煤岩滤失系数等数模参数，该软件“重岩石力学参数，轻地应力分布”的特点，能够满足此次研究各项任务[14-16]。

表1 HSW02-2V井煤二层及其顶底板岩石力学参数

以前期窑街海石湾煤矿，地面煤层气直井HSW02-2V的阵列声波测井解释煤二层及其顶底板岩石力学参数为基础数据库[17]，在压裂软件中建立区域地质模型，并开展数值模拟分析。结合HSW02-2V井微地震裂缝监测数据[18](表1、表2)，对前面所建立的数值模型各个参数进行校验，从而获取更为客观、准确的数值模型(图1、表3)。

2 数值模拟分析

2.1 采动影响程度数值模拟分析

窑街三矿五采区煤二层，目前已开采至+1 322m，受采煤施工的影响， 目标区域内应力分布已经发生

表2 HSW02-2V井煤二层压裂裂缝实时监测解释成果

图1 HSW02-2V井压裂数值模拟校核Figure 1 Well HSW02-2V fracturing numerical simulation calibration diagram

表3 校核后煤二层及其顶底板岩石力学参数表

图2 采动影响程度数值模拟Figure 2 Numerical simulation diagram of mining impact degree

较大的改变。目标区域未开展过地面气体预抽方面的工作，加之因采煤施工造成的采动影响程度也未曾开展过相应的工作。基于此，本文为了评价采煤施工对水平井压裂造成的影响，按照影响程度分为强、中、弱，三种情况进行定性分析。并且强、中、弱影响分别对应煤层隔挡层、砂岩隔挡层和泥岩隔挡层。

假设条件：在大部煤层上覆地质条件下，一口直井，二开井身结构，井深700m，煤二层埋深595～630m，射孔段为600～610m。目标区煤岩各力学参数以修正后结果为准。在相同施工参数条件下，分别从上下泥岩隔挡层、上下砂岩隔挡层及煤层隔挡层，三种情况进行数值模拟分析(表4)。

表4 不同采动影响程度数值模拟结果

从表4中可以看出，随着采动影响程度的加深，水力缝高不断增加。当受采动影响最强的情况下，水力缝高达到119.2m。在受强采动影响条件下，如果选择水平段部署位置距离采掘工作面垂向距离过近，则水力裂缝在垂向上的延展有沟通采掘工作面的可能，致使水力压裂失败。

2.2 不同施工参数数值模拟分析

从上述讨论中，可以看出在不同采动影响程度下，水力裂缝缝高的延展有可能使压裂工程失败。窑街三矿五采区煤二层，目前已开采至+1 322m，已属于强采动影响程度。因此，以确保整个水平井组压裂效果为前提，有必要进一步讨论不同施工参数对水力裂缝延展的影响。

以前述假设条件为数值模拟基础，针对三矿五采区水平井压裂过程中面临的问题，通过数值模拟手段，设计了中砂比(体积比约5%)、高砂比(体积比约10%)两类5组不同压裂规模下，分别对应5个不同排量压裂裂缝的几何形态(表5、表6)。

表5 中砂比条件下5组压裂裂缝数据

表6 高砂比条件下5组压裂裂缝数据

整体来看，无论中砂比或者高砂比，最短水力裂缝支撑缝长85.4m，因此从支撑缝长的角度来看，均能满足压裂要求。从缝高数据来看，施工排量与水力缝高呈现明显的正相关性，即：随着施工排量的增加，水力裂缝在垂向上延展越高，与上覆地层的沟通能力越强。考虑到窑街三矿五采区煤二层，目前受到采动影响的问题，因此严格控制缝高在垂向上的延展，是本次研究需要解决的重要问题。

图3 液量200m3时缝高随排量变化曲线Figure 3 Fissure height variation with output volume curveunder fluid volume 200m3

目前窑街三矿五采区开采深度已至+1 322m，结合矿区下一步采掘规划，垂向上缝高应控制在100m范围内。基于此，中砂比和高砂比条件下，优选单段净液量200m3。由图3可以看出，在单段净液量200m3，水力缝高长度很接近，为了保证支撑剂铺设浓度，优选高砂比，施工排量控制在6m3/min以内。

3 结论

1)窑街三矿所属急倾斜特厚煤层属于CO2和CH4突出矿井，且受采动影响强，为了保障井下采煤接续和矿井生产安全，首次提出了采用分段压裂水平井方式快速消突。

2)以前期窑街海石湾矿煤层气井测得的各项岩石力学参数为基础数据库，结合对该井的微地震裂缝监测解释成果，通过数值模拟方式，对前面所建立的数值模型各个参数进行校验，从而获取更为客观、准确的模型参数。

3)数值模拟结果显示，随着受采动影响程度的加深，水力裂缝在垂向上的延展会呈现指数性增长。因此，在受强采动影响条件下，如果选择水平段部署位置距离采掘工作面垂向距离过近，则水力裂缝在垂向上的延展有沟通采掘工作面的可能，致使水力压裂失败。

4)不同施工参数数值模拟结果显示，无论中砂比或者高砂比，支撑缝长均符合要求。压裂目标段上覆岩层均为煤层，且受到采动影响，导致在垂向上缝高的控制成为急倾斜特厚煤层压裂的重点。

5)受采动影响条件下急倾斜特厚煤层，为了确保分段压裂水平井的压裂效果，给出以下两点合理化建议。①应严格控制施工排量不超过6m3/min，单段施工液量200m3，选择高砂比的清水压裂液体系。②尽量使得采动影响降低，可以考虑将水平井段布置在距离上覆采煤工作面100m以深的位置。