第36卷第12期煤 炭 学 报
Vol.36 No.12 2011年
12月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Dec.
2011
文章编号:0253-9993(2011)12-1996-06
煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用
翟 成1,2,3,李贤忠1,2,3,李全贵1,2,3
(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;3.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏徐州 221116)
摘 要:为了提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯的抽采效率,提出了煤层脉动水力压裂卸压增透技术,进行了不同压力二频率条件下型煤试样的脉动水力压裂实验,分析了脉动水作用下煤体的疲劳损伤破坏特点及高压脉动水楔致裂机理三研究结果表明:煤体原生裂隙在强烈的脉动水压力作用下,会在缝隙末端产生交变应力,使煤体裂隙孔隙产生 压缩 膨胀 压缩”的反复作用,煤体将产生疲劳损伤破坏,煤体内部裂隙弱面扩展二延伸,形成相互交织的贯通裂隙网络三工业性试验结果表明脉动水力压裂比普通水力压裂卸压增透效果明显,钻孔瓦斯抽采浓度和流量均有较大幅度提高三关键词:脉动水力压裂;卸压增透;疲劳损伤;瓦斯抽采中图分类号:TD713.32 文献标志码:A
收稿日期:2011-09-21 责任编辑:韩晋平
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201205);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(50804048);中国矿业大
学青年科研基金资助项目(2007A003)
作者简介:翟 成(1978 ),男,山东滕州人,副教授,博士三Tel:0516-********,E-mail:greatzc@https://www.doczj.com/doc/7c14351225.html,
Research and application of coal seam pulse hydraulic fracturing technology
ZHAI Cheng 1,2,3,LI Xian?zhong 1,2,3,LI Quan?gui 1,2,3
(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining ,Xuzhou 221116,China ;2.Faculty of Safety Engineering ,China University of Mining &Technol?ogy ,Xuzhou 221116,China ;3.National Engineering Research Center for Coal Gas Control ,Xuzhou 221116,China )
Abstract :In order to improve the gas drainage efficiency of high gas and low permeability coal seams,the pulse hy?
draulic fracturing technology was proposed,hydraulic fracturing experiments and mechanical analysis were taken under different pressures and frequencies,and fatigue damage characteristics of coal and the mechanism of high pressure pulse hydraulic fracturing were analyzed too.The results show that alternating stress is formed at the end of coal frac?ture under the action of the intense pulse water,and fatigue damage failure can be formed in the coal due to repeated action of compression?expansion?compression.The extension of fracture and weak plane in the coal is transformed into interlaced transfixion fracture https://www.doczj.com/doc/7c14351225.html,pared with general methods of hydraulic fracturing,the results of industrial
experiments show that pulse hydraulic fracturing generates a better effect of pressure relieving and permeability impro?ving,meanwhile,the concentration and flow of drilling gas extraction are remarkably improved.Key words :pulse hydraulic fracturing;pressure relief permeability improvement;fatigue damage;gas drainage
我国煤矿地质条件复杂,高瓦斯煤层占50%~
70%,而高瓦斯低透气性煤层又占其中的70%左右三采前区域瓦斯抽采是解决煤矿生产安全二实现煤和瓦斯共采二减少环境污染的主要措施[1]三但是,普通的瓦斯抽采钻孔有效影响范围小(钻孔间距2m 左右)二区域瓦斯抽采需要的钻孔数量多(每个开采工作面需要数百至上千个钻孔)二钻孔施工工程量大二抽采瓦斯浓度低二抽采效果差和抽采时间长,不能适
应安全生产的需要三若要做到抽采达标,消除煤层瓦斯灾害,需要采取增透的方法,扩大钻孔有效影响范围,提高瓦斯抽采效果三
随着高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术研究的深入开展,许多水力化措施得到应用,其特点都是用水力作为煤体卸压增透的介质,使煤层产生并发育裂隙,提高瓦斯抽采效果三煤矿井下煤层水力压裂增透技术在国内一些矿井进行了工业性试验应用,初步显
第12期翟 成等:煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用
示出具有增大煤层透气性二降低地应力及卸压范围大
的特点,对于防治煤与瓦斯突出起到了很好的作用,
为低透气性二无保护层开采的突出煤层瓦斯治理,提
供了一条新的途径[2-3]三国外也有关于石油和煤层气工业通过采用水力压裂技术提高瓦斯抽采率的文
献报道[4-6]三普通水力压裂主要是利用高压力二大流量的注水泵将压裂液压入到目标煤层,需要较高压力(通常25MPa以上)破裂煤体,压裂可控性差,容易形成局部应力集中三
赵振保[7]采用变频脉冲式煤层注水技术,实现了脉冲高压水压裂二沟通煤层裂隙,在煤层内部形成新的相互关联孔隙-裂隙网,静压水均匀润湿煤层的动二静压交替注水方式,取得了良好的煤层注水防尘效果三张景松等[8]利用高压脉动水锤发生装置对潘三矿1562(3)工作面的难以抽采煤层进行脉动式注水试验,试验证明脉动式高压注水技术有效地提高了煤层透气性,增大了瓦斯抽采量三聂百胜等[9]利用向煤层中注入脉动高压水,改变注水压力使水渗入到不同的裂隙二孔隙中,最大限度地使煤体力学性质发生改变,并利用脉动高压水将游离高压瓦斯排放,减少煤体中瓦斯含量,提高了安全性,减低或消除了煤层突出和冲击危险性三
当前,煤层高压注水技术已经较为成熟,注水方
式多种多样,而采用较高压力同时具有脉冲效果的煤
层高压注水卸压增透技术研究还不深入三本文研究
的主要目的和意义就是如何有效地发挥高压注水和
脉动式注水的优势,并将它们的优势结合起来,从而
达到改善煤层透气性二提高瓦斯抽采率的效果三
1 煤层脉动水力压裂卸压增透技术的提出铁法煤业集团大兴矿曾经采用多种方法提高煤层透气性,但都没有取得很好的效果三在普通水力压裂和脉动注水技术的基础上,笔者提出了煤层脉动水力压裂卸压增透技术,是将具有一定频率的脉动水持续注入钻孔中,由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉动波,对煤体裂隙产生交变或重复荷载,逐渐使煤体出现疲劳损伤,促使煤层中的微小孔裂隙形成和逐渐张开,宏观裂隙扩展联通,最终形成新的裂隙网三工业性试验表明脉动水力压裂技术具有起裂压力低二致裂效果好二卸压充分的特点,为高瓦斯低透气性煤层瓦斯治理提供了一条新的途径三
1.1 脉动水力压裂试验
1.1.1 实验设备
脉动定向水力压裂实验设备包括脉动注水系统二
管路系统二监控系统3个主要部分三脉动注水系统采用脉动注水泵,其脉动强度为0~25MPa,脉动频率为5~25Hz,输出流量为120L/min三监控系统主要是保证脉动水力压裂过程中压力二注水量二注水时间等重要参数的控制,包括压力表二流量计二溢流阀等,可以通过调速旋钮调节电机转速,进而改变脉动水的输出频率,并通过数字式仪表显示泵的工作转速以及输出压力,实现脉动水的控制输出三脉动水力压裂设备系统如图1所示
三
图1 脉动水力压裂设备系统
Fig.1 The pulse hydraulic fracturing equipment system 1.1.2 实验材料
实验材料为人工制作的立方体型煤(水泥∶碳酸钙∶煤粉=35∶35∶1)试样,试样大小为1m×1m×1m(图2),其抗压强度σc=12.4MPa,弹性模量E=1.5GPa,为了进行对比试验,共做了5块同样的试样,提前预埋压裂注水管和观测管,图3为压裂孔与观测孔布置图
三
图2 型煤试样
Fig.2 Coal sample
1.1.3 实验参数及步骤
实验采用脉动水压荷载控制方式,加载波形为正弦波,脉动频率为5~25Hz三加载波形的特征参数如图4所示三图中σmax为脉动周期荷载的上限应力;
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卷
图3 压裂孔与观测孔的布置
Fig.3 The fracturing hole and the observation hole layout
σmin 为脉动周期荷载的下限应力,应力幅值σa =
1
2
(σmax -σmin );σm 为平均应力值;f 为频率三假设压裂钻孔周围存在一条与x 方向平行的主裂隙,主裂隙壁面上有一点A ,裂隙几何模型如图5所示[10]三高压脉动水注入钻孔后,A 点受到随时间t 作周期性循环变化的应力
三
图4 周期脉动水压特征参数示意
Fig.4 Sketch of wave shape of pulse water
pressure
图5 主裂隙几何模型
Fig.5 Geometry model of main fracture
从图4可以看出,A 点的应力循环为σm →σmax
→σm →σmin →σm ,影响试样疲劳破坏的因素很
多,如脉动周期荷载的应力幅值σa 二上限应力σmax ,脉动周期荷载的频率和加载波形等三在本实验中,脉动水力压裂的注水压力二注水频率是影响压裂效果的两个关键因素,通过不同观测孔的出水压力来考察不同注水压力二注水频率影响因素下的压裂效果三
实验主要步骤:①准备工作进行完毕后,通过控制台输出一定压力二一定频率的脉动水,打开试样上
1号观测孔的阀门,密切关注1号观测孔的出水情况;持续一段时间后,1号观测孔出水,记录压力及频率等数据;然后关闭1号孔,打开2号孔,重复上述步骤直至4号观测孔被压裂出水,记录数据三②改变注水压力或频率,重复上述步骤进行压裂,记录数据三③同时采用乳化液泵进行普通注水压裂,类似于静压注水,观测普通注水条件下各观测孔的出水压力三
1.1.4 实验结果及分析
图6为不同注水频率下各观测孔出水压力变化曲线,图7为普通注水压裂与脉动水力压裂(20Hz)
各观测孔出水压力对比曲线
三
图6 不同注水频率下各观测孔出水压力
Fig.6 Water pressures of the observation holes under
different infusion
frequencies
图7 普通注水与脉动水力压裂(20Hz)
各观测孔出水压力的对比
Fig.7 Comparison of water pressure of ordinary hydraulic
fracturing and pulse hydraulic fracturing
由图6可以看出,注水频率为5Hz 时,1号孔离
压裂孔最近,在2.5MPa 的时候1号孔首先与压裂孔贯通出水,2号孔在2.7MPa 的时候贯通出水,3号孔在2.8MPa 时贯通出水,4号孔在3.1MPa 时贯通出水,观测孔离压裂孔距离越大,贯通出水压力越大三注水频率10Hz 的时候,1号孔在2.3MPa 时首先与压裂孔贯通出水,2号孔与3号孔在2.5MPa 的时候同时贯通出水,4号孔在2.9MPa 时贯通出水三在试验设备脉动频率允许运行的5~25Hz 范围内,随着注水频率的提高,各观测孔贯通出水压力越来越小三
由图7可以看出,普通注水压裂与20Hz 时的脉动注水压裂相比,同样距离的观测孔,脉动水力压裂各观测孔贯通出水压力明显低于普通注水压裂各观
8
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测孔贯通出水压力,1二2二3二4号观测孔压力分别降低
了116%二81%二63%二56.5%三
1.2 脉动水力压裂卸压增透技术原理
1.2.1 煤体的疲劳损伤
疲劳特性是材料的动力性能之一,在重复二循环
或交变荷载作用下,任何材料都会出现疲劳损伤[11]三
研究表明:煤岩在循环荷载作用下会发生疲劳损伤,
其强度和变形规律与静态荷载作用下有显著不同,煤
岩是否发生疲劳破坏和应力门槛值有关,单轴循环荷
载作用下煤样疲劳破坏 门槛值”不超过单轴抗压强
度的81%,且在疲劳破坏 门槛值”以下进行循环加
载二卸载时,也会产生一定程度的疲劳损伤[12-14]三
煤体中的原生裂隙发育丰富,对煤岩进行水力压
裂时,宏观上高压脉动水对煤层的结构破坏过程不同
于单轴(多轴)压缩条件下煤岩的破坏过程三单轴
(多轴)压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下的
破坏,而煤层注水压裂破坏是借助流体水在煤层各种
弱面内对弱面两壁面的支撑作用,使弱面发生张开二
扩展和延伸,从而对煤层形成内部分割[14]三微观上
而言,对于单个的裂隙面,脉动水以强烈的交变应力
作用于裂隙面,在裂隙面内产生周期性张压应力三一
方面,高频压力波激发煤层孔隙堵塞物,使堵塞物疲
劳破碎,疏通煤体孔隙通道,提高注水孔周边渗透率;
另一方面,煤体在交变应力下产生疲劳破坏,比在恒
压载荷作用下产生破坏所需的最大应力值低三
1.2.2 高压脉动水的 水楔”作用
脉动水力压裂时,脉动高压水作用于介质后首先
在介质上产生裂缝,脉动水渗流到裂缝中,使裂缝得
以扩展和延伸,这种作用可以认为是 水楔”的劈裂
作用[15]三裂纹初步形成和汇合后,在水射流冲击压
力作用下,水射流楔入裂隙,裂隙将产生一定的压力
场,在裂隙尖端产生拉应力集中区,它使裂隙迅速发
展和扩大,最后使煤岩体破裂三
煤体属于一种准脆性材料,裂纹失稳扩散准
则[11]为
σf=2Eγf
πa(1)
式中,σf为裂纹失稳扩散尖端应力临界值;γf为裂纹尖端失稳所需的表面能,即裂纹失稳扩散所需克服的阻力;E为煤体的弹性模量;a为裂纹尺寸三
由断裂力学应力强度因子断裂判据可知,在裂纹尖端应力场强度因子可以表述为
K=ασπa(2)式中,K为应力强度因子;α为形状系数(与裂纹大小二位置等有关);σ为裂纹尖端应力三
由式(2)可以看出,应力强度因子与荷载呈线性关系,并依赖于物体与裂纹的几何形状和尺寸三当脉动高压水的 水楔”作用产生的裂纹尖端应力σ>σf 时,裂纹就失稳扩展三
随着煤体内应力升高,发生失稳扩展的临界裂纹长度逐渐变小;随着裂隙扩展和贯通,使煤体中细宏观裂隙增多,即 水楔”作用就是水体在较大的注水压力作用下沿孔周围多种张开型裂隙的流动二渗透和亲润而使各种裂隙扩大二扩展和贯通的过程三由于脉动水使煤层内产生周期性的扩张应力,针对煤体的这一力学性质,利用水的 不可压缩”性,采用具有较高压力的脉动水对煤层进行注水压裂,加速了层理或切割裂隙张开度的增大过程,当在某位置的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的原始应力之和时,将在该位置处发生次级弱面起裂,具有高压脉动特点的压力水不断冲击煤体的次级裂隙,使其发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程三依此规律反复发展下去,直至达到煤分层中的微小裂隙三压力水便达到对煤层的逐级分割作用,达到煤层增透的目的三
1.2.3 脉动水力压裂卸压增透过程分析
脉动水力压裂煤层可以分成4个阶段:首先脉动水进入煤体原生裂隙和孔隙中,对煤体产生周期性的冲击,使高压水渗透到煤体中的裂隙和孔隙中并使其充满水;其次,当水充满煤体裂隙后,一定频率的脉动压力开始作用煤体,裂隙表面受到交变荷载作用,在脉动水累积冲击下逐渐出现疲劳损伤;再次,随着脉动水压力的逐渐增加,当其超过煤体裂隙的起裂压力时裂隙开始扩展,衍生更多裂隙;最后,在持续的脉动作用下,部分初始裂隙相互连接,新生裂隙进一步延伸,形成贯通裂隙网,煤体透气性大幅度提高三整个脉动水力压裂过程中,煤体的疲劳损伤和脉动水的 水楔”作用是最终形成裂隙网的关键三
2 工业性试验及效果分析
2.1 压裂工艺及参数
铁煤集团大兴矿Sv719工作面为高瓦斯低透气性煤层,走向长773m,工作面宽193m,煤层平均厚4.5m,煤层地质构造复杂,火成岩侵入严重,瓦斯涌出量大,工作面多次出现瓦斯超限三由于煤层透气性较低,普通顺层钻孔抽采瓦斯流量小二浓度低,抽采效率低,无法解决瓦斯问题三
根据工作面巷道布置方式,设计本煤层脉动水力压裂钻孔和普通水力压裂钻孔,两种压裂钻孔布置在进风巷内三脉动注水系统采用脉动注水泵,其脉动强
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度为0~25MPa,脉动频率为5~25Hz,输出流量为
120L /min;普通水力压裂采用BRW200/31.5乳化液泵作为动力源三
钻孔从开始注水到水力压裂措施结束大约需要180min三起始压力设定在5MPa,每5min 升压1MPa,当泵压稳定一段时间后,压力迅速下降,并且持续加压时压力无明显上升,或者压裂孔周围的观测孔附近瓦斯浓度明显升高时,说明压裂孔已经完成压裂,此时即可停泵,关闭卸压阀,压裂程序结束三选取其中2个脉动水力压裂钻孔和2个普通水力压裂钻孔作为对比,钻孔布置如图8所示,钻孔压裂参数见
表
1三
图8 水力压裂钻孔布置
Fig.8 Diagram of hydraulic fracturing boreholes
in the coal seam
表1 钻孔压裂主要参数
Table 1 Parameters of hydraulic fracturing
类型孔号孔深/m 孔径/mm 封孔长度/m
压裂时间/min
水量/m 3
最大压力/MPa
脉动频率/Hz
脉动水力压裂
1701132010012121528011322150181625
普通水力压裂
360113187522254
70
113
20
85
29
26
2.2 试验结果分析
钻孔压裂完成后进行放水,之后联入抽采管路中进行瓦斯抽采,记录4个钻孔抽采参数变化并进行对比,图9为压裂后监测钻孔抽采瓦斯流量和浓度随时间变化的关系曲线
三
图9 钻孔抽采纯流量和浓度变化曲线
Fig.9 Change curves of drainage gas pure flow
and concentration
由表1二图9可以得出:
(1)与普通水力压裂相比,脉动水力压裂所需要
的压力较低,25Hz 时最大压力16MPa,15Hz 时最大
压力12MPa,普通水力压裂最大压力达到26MPa三由脉动泵产生的水力脉动波作用在钻孔周围裂隙,根据波的传播特性,脉动波的频率越高,能量衰减越快,渗入煤体裂隙中的距离越短,15Hz 的脉动水压裂效果优于25Hz 的脉动水三
(2)在观察记录的时间内,与普通抽采孔相比,脉动水力压裂孔维持在高浓度二高流量的时间长,衰减慢三
(3)脉动水力压裂孔抽采纯流量最高达
0.96m 3/min,普通水力压裂孔抽采纯流量最高达0.55m 3/min,是普通水力压裂孔抽采流量的1.75倍三
(4)脉动水力压裂孔抽采浓度在抽采初期出现
衰减现象,后期浓度出现回升,一直保持较高浓度,最高达85%,最低20%;普通水力压裂孔抽采瓦斯浓度最高为39%,最低为6%三
3 结 论
(1)脉动水力压裂比普通水力压裂致裂效果好,
在实验设备脉动频率允许运行的5~25Hz 范围内,
随着注水频率的提高,各观测孔贯通出水压力越来越小三
(2)煤体裂隙在脉动水所产生的交变应力作用下将产生疲劳和累积损伤破坏,促使煤层中的微小孔裂隙形成和逐渐张开,宏观裂隙扩展联通三
(3)脉动高压水流楔入裂隙,裂隙将产生一定的
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第12期翟 成等:煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用
压力场,在裂隙尖端产生拉应力集中区,它使裂隙迅速延伸和扩展三
(4)与普通水力压裂相比,脉动水力压裂卸压增透效果好,钻孔维持高浓度二高流量的时间长,衰减慢,抽采效果明显优于普通水力压裂三
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