煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式研究_王博.pdf

第 35 卷 1 期2023 年 1 月中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.35 No.1Jan.2023doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.01.05文章编号:1674-1803(2023)01-0025-07煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式研究王 博1,2,姜在炳1,杜天林1,贾立龙1,牟全斌1,杨建超1,陈崇枫1,李浩哲1(1.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054;2.西安科技大学,陕西西安 710054)摘 要:针对煤矿碎软低渗煤层,提出了煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式。通过建立应力-渗流-损伤耦合的理论模型,运用数值模拟的方法模拟了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程,结果表明紧邻煤层顶板岩石的裂缝能够延展至煤层,且在顶板岩石的撕裂作用下,煤层内的裂缝能够快速延展。应用产能模拟的方法对分段压裂水平井的产能进行了模拟,分析瓦斯抽采的效率,优选了分段压裂的压裂缝长度、压裂段数,认为在淮北矿区祁东煤矿的地质条件下,压裂裂缝的长度为 80 m,裂缝间距为 63 m,抽采效果最佳。通过工程验证,说明煤层顶板水平井分段压裂技术是国内碎软低渗煤层地面瓦斯高效抽采的有效模式。关键词:水平井;瓦斯抽采;裂缝扩展规律;产能模拟中图分类号:TE19 文献标识码:AStudy on Gas Control Mode of Staged Fracturing Horizontal Wells in Coal Seam RoofWANG Bo1,2,JIANG Zaibing1,DU Tianlin1,JIA Lilong1,MU Quanbin1,YANG Jianchao1,CHEN Chongfeng1,LI Haozhe1(1.Xian Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group Corp.,Xian,Shaanxi 710054;2.Xian University of Science and Technology,Xian,Shaanxi 710054)Abstract:Aiming at the broken soft and low permeability coal seam,gas control mode of staged fracturing horizontal wells in coal seam roof is proposed.Through the establishment of the theoretical model of stress seepage damage coupling,the hydraulic fracturing crack propagation process of the horizontal well in coal seam roof is simulated by using the numerical simulation method.The results show that the cracks in the roof rock adjacent to the coal seam can extend to the coal seam,and the cracks in coal seam can expand rapidly under the tearing action of the roof rock.The productivity simulation method is used to simulate the productivity of staged fracturing horizontal wells,analyze the efficiency of gas extraction,optimize the length of fracturing fractures and the number of fracturing sections for staged fracturing.Under the geological conditions of Qidong Coal Mine in Huaibei Mining Area,the length of fracturing fractures is 80 m,the spacing of fracturing fractures is 63 m,and the extraction effect is the best.Through engineering verification,it is shown that the staged fracturing technology of horizontal wells in coal seam roof is an effective mode for efficient surface gas extraction in frac-tured soft and low permeability coal seams in China.Keywords:horizontal well;gas drainage;fracture propagation rule;productivity simulation基金项目:陕西省自然基础研究计划项目(2022JQ-458),中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2020XAYDC04)第一作者简介:王博(1985),男,陕西西安人,博士研究生,从事煤炭地质保障工作。E-mail:351947527 收稿日期:2022-05-21责任编辑:宋博辇 井下瓦斯(煤层气)抽采被认为是煤矿安全的一项重要技术措施,但常规的井下钻孔瓦斯抽采半径小,瓦斯浓度小,抽采效果差,不能满足发电的要求,大部分井下瓦斯均被直接排放到大气中,根据相关研究,1m3甲烷的温室效应是二氧化碳的 20 余倍1,甲烷的排放造成了对大气和生态环境的严重污染2-3。利用地面煤层气开发技术对煤储层及其顶底板进行压裂改造可以提高瓦斯浓度,达到利用瓦斯利用的预期效果4-6。由于高瓦斯地区煤层多为碎软煤层,其结构破碎,在煤层内定向钻孔易塌孔,施工难度大,因此选择在紧邻煤层顶板中施工大直径定向长钻孔,然后在顶板内向下定向射孔,实施分段压裂,能够实现瓦斯高效抽采。煤层顶板水平井分段压裂模式抽采的瓦斯浓度高,基本可以100%利用,有利于大幅降低甲烷排放量,增加清洁能源供给,保护生态环境,未来的社会效益和环境效益巨大,是实现“双碳”目标的可靠路径。煤层顶板分段水力压裂技术目前已在淮北庐岭矿区、山西保德及陕西韩城的矿区进行了工程试验,取得了较好的效果7-8。以往研究更多针对压裂缝在垂向上能否穿过顶板进入煤层开展,并未对裂缝穿层后的延伸规律深入研究;分段优化设计在页岩气开发等方面应26 中 国 煤 炭 地 质第 35 卷用较多,在瓦斯抽采方面分段参数如何设置的问题还有待探讨。文章以淮北矿区祁东煤矿为例,通过煤层顶板水平长钻孔裂缝穿层延展特性以及压裂缝长度和压裂缝间距的优化的研究,阐述了煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式,可为区域化瓦斯治理的工程布置方式提供理论依据。1 工作区概况祁东煤矿位于宿南向斜的东南端,其构造形态基本为一走向近东西、向北缓倾的单斜构造。含煤地层为二叠系山西组(P1s)以及下石河子组(P1x),主要可采煤层为 61、71、82和 9 煤层。本次以 71煤层为研究对象,71煤层为本矿主采煤层,煤厚 2.613.91m,平均 3.50m,煤层厚度变化较大,煤层结构较复杂,多含12 层泥岩夹矸,夹矸厚0.281.04m,平均 0.51m。煤层埋深 680710 m。直接顶为深灰色泥岩、粉砂岩;老顶为细粒砂岩,黑灰色,薄层状,水平层理。直接底为深灰色泥岩,块状,含较多植物化石碎片及植物根茎化石。通过交叉偶极子声波测井方法,解释得到 71煤层垂直应力平均为 17.0 MPa,最大水平主应力为 13.0 MPa,最小水平主应力值为 5.0 MPa。71煤层顶板垂直应力为 17.0 MPa,最大主应力为 13.0MPa,最小主应力值为 6.0 MPa。顶板及煤层的垂向应力均大于水平应力,水力压裂过程中煤层将形成垂直裂缝;顶底板的最小水平主应力大于煤层的水平主应力,能够使顶板中形成的垂直裂缝扩展延伸到煤层,提高煤层的增产效果。煤层顶板水平井分段压裂技术工艺,即将水平井设置在紧邻煤层的顶板岩层中,可以规避在碎软低渗煤层中钻水平井时易垮孔、固井质量差的问题,并实施跨煤岩界面穿层压裂沟通井筒与下部煤层,利用煤层顶板相对较强的脆性造长缝,提高压裂改造效果,实现瓦斯高效抽采。煤层顶板水平井分段压裂模如图 1 所示。图 1 煤层顶板水平井分段压裂模式示意图Figure 1 Schematic diagram of staged fracturing mode ofhorizontal well in the roof of coal seam2 裂缝穿层特性研究水力压裂穿过煤岩层界面及在煤岩体内的扩展特性是施工效果的关键因素9-12。为了研究煤层顶板压裂水力裂缝的穿层特性,利用数值模拟软件建立了基于顶板水平井穿层压裂数值模型13-15,相比于常规有限元方法,扩展有限元方法模块具有计算结果精度高和计算量小的优点,可对水力压裂过程中多种储层物性参数及压裂施工参数进行模拟分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确16-18。2.1 模型参数设置通过定义裂缝起裂准则和损伤演化准则,建立应力-渗流-损伤耦合关系,模拟计算水力压裂裂缝扩展规律19-21。模型从上至下设计与实际地层接近的地层模型,如图 2 所示,划分为4 层,即细粒砂岩5 m,砂质泥岩3 m,煤层3.5 m,泥岩5 m,水平井的位置部署在距离煤层顶部 1 m 的砂质泥岩顶板内。因为压裂模型为对称方式,因此本次模拟选取裂缝的单翼进行研究22-24。模拟的模型长宽高设定为 100 m40 m16 m,模型划分形成 12 600 个单元。模型中插入采用扩展有限元法,应用应力-渗流-损伤耦合理论模型来模拟水压致裂裂缝扩展过程,提取了不同时刻形成的裂缝形态和应力分布状态图,如图 3 所示,分析了顶板水平井穿层压裂裂缝动态扩展过程。图 2 水力压裂数值模拟模型Figure 2 Numerical simulation model of hydrofracturinga.5min 裂缝形态b.10min 裂缝形态1 期王 博,等:煤层顶板水平井分段压裂瓦斯治理模式研究27 c.15min 裂缝形态d.20min 裂缝形态图 3 煤层顶板压裂裂缝延展图Figure 3 Extension diagram of fracturing fractures in coal seam roof水平井压裂施工排量为 5 m3/min,压裂液黏度0.96 Pas;岩石力学参数、孔隙率、渗透率、地应力等参数采用了淮北矿区祁东煤矿实际测试数据(表 1)。表 1 顶板压裂模型计算参数Table 1 Calculation parameter of roof fracturing model岩层弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa密度/kgm-3渗透率/m2垂向地应力/MPa最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa细粒砂岩2.00.191.652.5410-317138砂质泥岩1.350.131.282.1910-317136煤层 0.950.330.501.45210-317135泥岩 1.180.11.12.4110-3171382.2 数值模拟结果分析从图 3 中可以看出,裂缝扩展是一个渐进过程,压裂初始阶段裂缝主要在煤层顶板泥岩内扩展,此时裂缝会沿着纵向高度和横向长度两个方向同时扩展,扩展速度较快。当裂缝高度扩展到上界