地質構造對脈動水力壓裂過程及效果的影響

郝 軍

(山西潞安集團余吾煤業有限責任公司,山西 長治 046103)

0 引言

隨著煤礦開采深度的增加和開采強度的增大,煤層安全高效地卸壓增透消突成為煤礦安全高效生產的重要保證[1-2]。近年來,各種水力化措施在煤礦瓦斯治理和防治煤與瓦斯突出領域越來越受到煤礦企業和學者的重視,包括水力壓裂、煤層注水、水力割縫等措施[3-5]。脈動水力壓裂技術是在水力壓裂技術的基礎上發展而來旨在提高煤層瓦斯卸壓增透效果的新技術[6-10],林柏泉,李子文,翟成等現場試驗研究表明,脈動壓裂抽采鉆孔與普通抽采鉆孔相比,抽采體積分數平均增加了264.7%,瓦斯流量增加了245.5%;翟成,李賢忠,李全貴現場試驗研究表明,脈動水力壓裂孔抽采純流量是普通水力壓裂孔抽采流量的1.75倍;彭深,林柏泉,翟成現場試驗結果表明,與普通瓦斯抽采鉆孔相比,壓裂孔的瓦斯濃度平均提高4.7倍,純流量平均提高了6.3倍;導向孔的瓦斯抽采濃度平均提高了3.7倍,抽采純流量平均提高了3.9倍;謝正紅現場對比實驗表明,高壓脈動水力壓裂與普通抽采孔相比,抽采濃度平均增加了396.7%,流量增395.5%;李全貴現場試驗研究表明,脈動水力壓裂技術實施后,瓦斯抽采濃度提高了2.22倍以上,瓦斯抽采流量提高了2.63倍以上。不少學者已對脈動水力壓裂弱化機理、壓裂過程中裂隙的擴展規律以及脈動壓裂技術方法上進行研究,取得了一定的成果[11-15]。

但是,對于脈動水力壓裂適用的地質條件以及地質構造對脈動水力壓裂實施產生的影響,有學者進行研究。采用數值模擬和實驗室實驗研究經常存在邊界條件、材料參數等方面的誤差,因此,本文選擇在具有斷層構造的通化礦業集團松樹鎮煤礦+206水平西一采區和非地質構造區的鐵法礦業集團大興煤礦N2706工作面分別進行現場試驗。通過對地質構造區和非地質構造區脈動水力壓裂過程和效果的對比,分析地質構造對脈動水力壓裂過程及效果的影響,探索脈動水力壓裂技術適用的地質條件。

1 礦井概況及地質構造分析

1.1 非地質構造區概況

非地質構造區脈動水力壓裂現場試驗選擇在東北鐵法礦業集團大興煤礦N2706工作面實施。大興煤礦含煤地層共含煤14層,其中4-2、7-2、9、12煤層為主采煤層,其余為大部分或局部可采。N2706工作面東側為N2705采空區,南側為北二采區7-2煤層準備巷道,西側為未采動區,北側為礦井邊界,與大隆井田相鄰。工作面上鄰近4-2煤層,煤厚一般為1.20m。4-2煤層與7-2煤層間距一般為54.88m;下鄰9煤層,煤厚平均為5.35m。7-2煤層與9煤層間距一般為19.96m。

根據N2705工作面的回采情況及三維地震資料,N2706工作面斷層構造較為簡單,N2706工作面北部發育一條較大斷層,F45號斷層,產狀為85°∠68°,落差為15.0m,控制可靠,對掘進無影響。

1.2 地質構造區概況及構造分析

地質構造區脈動水力壓裂現場試驗選擇在通化礦業集團松樹鎮煤礦+206水平西一采區實施。該礦含煤地層中共含煤6層,自上而下編號為Ⅰ～Ⅶ層。其中Ⅰ煤層、Ⅱ煤層普遍發育,基本全區可采,Ⅲ煤層局部可采,其余煤層均不可采?？刹擅簩拥奶攸c:Ⅰ、Ⅱ煤層皆為西部薄東部厚,下部薄上部厚,Ⅲ煤層在東部發育,厚度小,大部分處于最小開采厚度。

礦區位于華北地區遼東隆起區的東部,為單斜構造,軸向北東,向東傾伏。向斜南翼煤層走向近東西,向北傾斜;向斜北翼煤層走向為北東方向、向南東傾斜。南翼煤層露頭在橫迅河子附近被中生代煤系掩蓋;北翼煤層露頭在蚊子溝附近被白堊紀火山巖系及第三紀玄武巖掩蓋。

礦區共有落差20m以上的主要斷層11條,其中9條分布在西部生產區,有2條分布在東部生產區。

松樹鎮煤礦+206水平西一采區脈動水力壓裂區域位置如圖1所示。圖1中綠框內為脈動水力壓裂區域,該區域右側有r3斷層穿過,r3斷層走向144°,傾向54°,傾角67°,落差為13m。壓裂區域距離r3斷層最遠距離為40m,最近距離為5m。

圖1 松樹鎮煤礦脈動水力壓裂區域位置圖

2 脈動水力壓裂現場試驗

2.1 鉆孔布置及參數

地質構造區和非地質構造區的脈動水力壓裂鉆孔布置方式相同,均采取壓裂孔與導向孔交替布置,導向孔在脈動水力壓裂區域形成弱面區,引導裂隙方向性擴展。地質構造區壓裂孔分別為D1、D2、D3、D4,導向孔分別為Da、Db、Dc、Dd;非地質構造區壓裂孔分別為F1、F2、F3、F4,導向孔分別為Fa、Fb、Fc、Fd、Fe。兩個區壓裂孔和導向孔的間距均為5m。

基于大興煤礦7煤層賦存條件、N2706工作面與N2706底板瓦斯巷布置方式,選擇在N2706底板瓦斯巷交替布置脈動壓裂孔和導向孔,終孔至7煤層,鉆孔傾角均為9°如圖2(a)所示。根據松樹鎮煤礦地質構造和巷道布置方式,壓裂孔D4距離r3斷層為5m,導向孔Da距離r3斷層為40m如圖2(b)所示。

圖2 巷道和鉆孔布置圖

地質構造區和非地質構造區內的脈動水力壓裂現場試驗壓裂孔和導向孔參數見表1和表2。

表1 壓裂孔設計參數

表2 導向孔設計參數

2.2 脈動水力壓裂實驗結果

在地質構造區和非地質構造區實施的脈動水力壓裂現場試驗采用相同的設備和實施方法,設備主要包括脈動注水泵、溢流閥、脈動注水管路等。

在地質構造和非地質構造區域內的壓裂參數及結果見表3。

表3 兩種壓裂區域壓裂過程參數

由表3數據可以看出,地質構造區實施的脈動水力壓裂現場試驗最長注水時間為55min,最短注水時間為35min;最大脈動壓力為4MPa,最小脈動壓力為1MPa;最大注水量為6.875m3,最小注水量為5.1m3。且D3、D4壓裂孔旁邊的導向孔均未出水。非地質構造區實施的脈動水力壓裂現場試驗最長注水時間為15min,最短注水時間為9min;最大脈動壓力為12MPa,最小脈動壓力為7MPa;最大注水量為1.5m3,最小注水量為0.6m3,且非地質構造區內的導向孔均出水。兩個區的脈動水力致裂上述參數的顯著差異,說明脈動水力致裂結果受到了地質構造區裂隙發育的顯著影響。

3 地質構造對脈動水力壓裂影響分析

通過對比在地質構造區和非構造區域進行的脈動水力壓裂現場試驗結果,進行地質構造對脈動水力壓裂影響的分析,得出地質構造對脈動水力壓裂過程及效果的影響規律。

3.1 地質構造對脈動水力壓裂過程的影響

在地質構造區和非地質構造區實施的脈動水力壓裂現場試驗,壓裂孔注水時間、注水量、脈動壓力的柱狀圖如圖3～圖5所示。

圖3 壓裂孔注水時間

由圖3和圖4可以看出,地質構造區內壓裂孔D1、D2、D3、D4的注水時間均在35～55min之間,注水量均在5～7m3之間;而非地質構造區內壓裂孔F1、F2、F3、F4的注水時間均在10min左右,注水量均在1m3左右。在地質構造區的脈動水力壓裂注水時間和注水量均遠大于非地質構造區的注水時間和注水量,說明地質構造對脈動水力壓裂的過程產生了顯著影響。由于脈動水力壓裂區域內存在斷層結構,斷面在壓裂區域形成弱面區,很容易誘導煤層裂隙向斷層方向擴展,脈動水則不斷向斷層方向運動,對脈動注水形成疏排效應。因此,斷層構造導致脈動注水時間和注水量均明顯大于非地質構造內的水力壓裂。

圖4 壓裂孔注水量

由圖5可以看出,地質構造區內壓裂孔D1、D2、D3、D4的脈動注水壓力均在3MPa左右,而非地質構造區內壓裂孔F1、F2、F3、F4的脈動注水壓力均在10MPa左右,分析認為,由于斷層構造的存在,導致脈動水力壓裂區域內形成一個自然卸壓區,對脈動壓力形成釋放效應,從而導致地質構造區的脈動注水壓力顯著減小。

圖5 壓裂孔脈動壓力

通過對表3地質構造區數據和距斷層距離參數進行回歸分析,擬合得出同一地質構造區內壓裂孔D1、D2、D3、D4的脈動注水壓力、注水量隨壓裂孔距斷層距離的變化關系如圖6所示。由圖6可以看出,在地質構造內的脈動水力壓裂過程中,脈動注水壓力和注水量與距斷層距離基本成正線性關系,即在地質構造區內壓裂孔距離斷層構造越近,其脈動注水壓力越小,注水量也越小。隨著距離從35m(D1壓裂孔)減至5m(D4壓裂孔),脈動注水壓力從D1壓裂孔的4MPa降至D4壓裂孔的1MPa,注水量從7m3降至5m3左右。進一步證明了斷層自然卸壓區對脈動壓力形成釋放效應,阻止了脈動壓力的提升,降低了脈動水力壓裂的效果。同時,由于斷層斷面在壓裂區域形成弱面區,誘導了煤層裂隙向斷層方向擴展,因此,脈動注水則不斷向斷層方向運動。

圖6 脈動壓力、注水量與距斷層距離的關系

3.2 地質構造對脈動水力壓裂效果的影響

基于松樹鎮煤礦+206水平西一采區和鐵嶺大興煤礦N2706工作面在原始瓦斯含量和原始瓦斯壓力等原始瓦斯條件的不同,只考慮脈動水力壓裂后的瓦斯濃度大小對比有失科學性。因此,在此對脈動水力壓裂前后的瓦斯濃度增量進行分析,研究地質構造對脈動水力壓裂效果的影響。

在脈動水力壓裂完成后,立即連接抽采管路,對壓裂孔進行抽采,觀測鉆孔瓦斯濃度1個月。再分別對地質構造區和非地質構造區鉆場抽采鉆孔瓦斯濃度數據進行對比,如圖7所示。

圖7 壓裂前后瓦斯抽采濃度隨時間變化圖

由圖7可以看出,在地質構造區和非地質構造區,脈動水力壓裂實施后,瓦斯抽采濃度均能明顯升高。在地質構造區域內,壓裂孔D1、D2、D3、D4的瓦斯抽采濃度普遍大于該區域脈動水力壓裂前的對比孔瓦斯抽采濃度如圖7(a)所示。其中,壓裂孔初始抽采瓦斯濃度在3%～10%左右,而對比孔初始瓦斯濃度范圍在0.5%～2%左右。D1壓裂孔初始抽采瓦斯濃度達到最大為10%,而對比孔2初始瓦斯濃度最小為0.5%;壓裂孔穩定抽采瓦斯濃度在3%～6%之間,而對比孔穩定抽采瓦斯濃度范圍在0.5%～2%之間。在斷層地質構造區域內實施脈動水力壓裂后,初始抽采瓦斯濃度提高6～20倍,穩定抽采瓦斯濃度提高3～6倍。

在非地質構造區域內,壓裂孔F1、F2、F3、F4的瓦斯抽采濃度亦普遍大于該區域普通抽采孔瓦斯抽采濃度如圖7(b)中所示。普通抽采孔初始抽采瓦斯濃度為10%～15%,而脈動水力壓裂孔的初始抽采瓦斯濃度一般為40%～50%之間,是普通抽采孔初始抽采瓦斯濃度的4倍左右;普通抽采孔的瓦斯穩定抽采瓦斯濃度僅2.5%左右,而壓裂孔瓦斯穩定抽采濃度達到了25%以上,是普通抽采孔的10倍以上。

通過以上對比分析可以得出,地質構造區內進行的脈動水力壓裂前后,穩定抽采瓦斯濃度提高3～6倍,初始抽采瓦斯濃度提高6～20倍;非地質構造區內進行的脈動水力壓裂前后,穩定抽采瓦斯濃度提高10倍以上,初始瓦斯抽采濃度提高4倍左右。

針對地質構造區和非地質構造區的初始抽采瓦斯濃度和穩定抽采瓦斯濃度提高倍數的顯著差異,分析認為,由于地質構造區相對非地質構造區裂隙發育,賦存的游離態的瓦斯較多,脈動水力致裂之后隨著裂隙的導通,地質構造區的初始抽采瓦斯提高倍數大于非地質構造區;與此同時,受脈動致裂裂隙與構造區裂隙導通卸壓的影響,使得構造區的致裂壓力低于非構造區,有效致裂范圍和裂隙發育程度低于非構造區,從而使得地質構造區的穩定抽采瓦斯濃度低于非地質構造區。

由圖7也可以看出,在地質構造區和非地質構造區,壓裂孔的瓦斯抽采濃度均會經歷反復下降又上升的彈性過程。以D1壓裂孔為例,最高瓦斯濃度為10%,經過10天,抽采瓦斯濃度降為5%,但在第15天,瓦斯濃度又反彈為8%。其原因是脈動水力壓裂后,煤層內存在的水阻止了瓦斯運移的動力學過程,在第15天時,經過排水過程解除了煤層內水對瓦斯運移的封鎖,瓦斯濃度又升到8%?；谇笆龇治?脈動水力壓裂在非地質構造區內的注水量要遠小于地質構造區內的壓裂孔注水量。因此,脈動水力壓裂后,地質構造內大量水的存在對瓦斯抽采產生較大的水鎖效應,不利于瓦斯抽采。

4 結論

(1) 脈動水力壓裂區域內存在斷層結構,斷面在壓裂區域形成弱面區,誘導了煤層裂隙向斷層方向擴展,導致脈動注水不斷向斷層方向運動,從而使地質構造區脈動注水時間和注水量均明顯大于非地質構造區。斷層自然卸壓區對脈動壓力形成釋放效應,阻止了脈動壓力的提升,降低了脈動水力壓裂的效果。

(2) 通過對地質構造區和非地質構造區脈動水力壓裂前后瓦斯抽采效果的對比分析,地質構造區壓裂孔穩定抽采瓦斯濃度提高了3～6倍,初始抽采瓦斯濃度提高了6～20倍;非地質構造區壓裂孔瓦斯抽采濃度提高了10倍以上,初始瓦斯抽采濃度提高了4倍左右。地質構造降低了脈動水力壓裂前后穩定抽采瓦斯濃度增量,提高了初始抽采瓦斯濃度的增量。

(3) 脈動水力壓裂后,地質構造區域煤層內存在大量水的存在對瓦斯抽采產生較大的水鎖效應,阻止了瓦斯運移的動力學過程,降低了脈動水力壓裂效果,影響了瓦斯的抽采。