王 博，姜在炳，杜天林，賈立龍，牟全斌，楊建超，陳崇楓，李浩哲
(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710054；
2. 西安科技大學，陜西西安 710054)
井下瓦斯(煤層氣)抽采被認為是煤礦安全的一項重要技術措施，但常規的井下鉆孔瓦斯抽采半徑小，瓦斯濃度小，抽采效果差，不能滿足發電的要求，大部分井下瓦斯均被直接排放到大氣中，根據相關研究，1m3甲烷的溫室效應是二氧化碳的20余倍[1]，甲烷的排放造成了對大氣和生態環境的嚴重污染[2-3]。利用地面煤層氣開發技術對煤儲層及其頂底板進行壓裂改造可以提高瓦斯濃度，達到利用瓦斯利用的預期效果[4-6]。由于高瓦斯地區煤層多為碎軟煤層，其結構破碎，在煤層內定向鉆孔易塌孔，施工難度大，因此選擇在緊鄰煤層頂板中施工大直徑定向長鉆孔，然后在頂板內向下定向射孔，實施分段壓裂，能夠實現瓦斯高效抽采。煤層頂板水平井分段壓裂模式抽采的瓦斯濃度高，基本可以100%利用，有利于大幅降低甲烷排放量，增加清潔能源供給，保護生態環境，未來的社會效益和環境效益巨大，是實現“雙碳”目標的可靠路徑。煤層頂板分段水力壓裂技術目前已在淮北廬嶺礦區、山西保德及陜西韓城的礦區進行了工程試驗，取得了較好的效果[7-8]。以往研究更多針對壓裂縫在垂向上能否穿過頂板進入煤層開展，并未對裂縫穿層后的延伸規律深入研究；
分段優化設計在頁巖氣開發等方面應用較多，在瓦斯抽采方面分段參數如何設置的問題還有待探討。文章以淮北礦區祁東煤礦為例，通過煤層頂板水平長鉆孔裂縫穿層延展特性以及壓裂縫長度和壓裂縫間距的優化的研究，闡述了煤層頂板水平井分段壓裂瓦斯治理模式，可為區域化瓦斯治理的工程布置方式提供理論依據。
祁東煤礦位于宿南向斜的東南端，其構造形態基本為一走向近東西、向北緩傾的單斜構造。含煤地層為二疊系山西組(P1s)以及下石河子組(P1x)，主要可采煤層為61、71、82和9煤層。
本次以71煤層為研究對象，71煤層為本礦主采煤層，煤厚2.61～3.91m，平均3.50m，煤層厚度變化較大，煤層結構較復雜，多含1～2層泥巖夾矸，夾矸厚0.28～1.04m，平均0.51m。煤層埋深680～710 m。直接頂為深灰色泥巖、粉砂巖；
老頂為細粒砂巖，黑灰色，薄層狀，水平層理。直接底為深灰色泥巖，塊狀，含較多植物化石碎片及植物根莖化石。通過交叉偶極子聲波測井方法，解釋得到71煤層垂直應力平均為17.0 MPa，最大水平主應力為13.0 MPa，最小水平主應力值為5.0 MPa。71煤層頂板垂直應力為17.0 MPa，最大主應力為13.0MPa，最小主應力值為6.0 MPa。頂板及煤層的垂向應力均大于水平應力，水力壓裂過程中煤層將形成垂直裂縫;頂底板的最小水平主應力大于煤層的水平主應力，能夠使頂板中形成的垂直裂縫擴展延伸到煤層，提高煤層的增產效果。
煤層頂板水平井分段壓裂技術工藝，即將水平井設置在緊鄰煤層的頂板巖層中，可以規避在碎軟低滲煤層中鉆水平井時易垮孔、固井質量差的問題，并實施跨煤巖界面穿層壓裂溝通井筒與下部煤層，利用煤層頂板相對較強的脆性造長縫，提高壓裂改造效果，實現瓦斯高效抽采。煤層頂板水平井分段壓裂模如圖1所示。
圖1 煤層頂板水平井分段壓裂模式示意圖Figure 1 Schematic diagram of staged fracturing mode of horizontal well in the roof of coal seam
水力壓裂穿過煤巖層界面及在煤巖體內的擴展特性是施工效果的關鍵因素[9-12]。為了研究煤層頂板壓裂水力裂縫的穿層特性，利用數值模擬軟件建立了基于頂板水平井穿層壓裂數值模型[13-15]，相比于常規有限元方法，擴展有限元方法模塊具有計算結果精度高和計算量小的優點，可對水力壓裂過程中多種儲層物性參數及壓裂施工參數進行模擬分析，且裂縫形態逼真，裂縫面凹凸程度清晰，結果準確[16-18]。
2.1 模型參數設置
通過定義裂縫起裂準則和損傷演化準則，建立應力-滲流-損傷耦合關系，模擬計算水力壓裂裂縫擴展規律[19-21]。模型從上至下設計與實際地層接近的地層模型，如圖2所示，劃分為4層，即細粒砂巖5 m，砂質泥巖3 m，煤層3.5 m，泥巖5 m，水平井的位置部署在距離煤層頂部1 m的砂質泥巖頂板內。因為壓裂模型為對稱方式，因此本次模擬選取裂縫的單翼進行研究[22-24]。模擬的模型長寬高設定為100 m×40 m×16 m，模型劃分形成12 600個單元。模型中插入采用擴展有限元法，應用應力-滲流-損傷耦合理論模型來模擬水壓致裂裂縫擴展過程，提取了不同時刻形成的裂縫形態和應力分布狀態圖，如圖3所示，分析了頂板水平井穿層壓裂裂縫動態擴展過程。
圖2 水力壓裂數值模擬模型Figure 2 Numerical simulation model of hydrofracturing
a.5min裂縫形態
b.10min裂縫形態
c.15min裂縫形態
d.20min裂縫形態圖3 煤層頂板壓裂裂縫延展圖Figure 3 Extension diagram of fracturing fractures in coal seam roof
水平井壓裂施工排量為5 m3/min，壓裂液黏度0.96 Pa·s；
巖石力學參數、孔隙率、滲透率、地應力等參數采用了淮北礦區祁東煤礦實際測試數據(表1)。
表1 頂板壓裂模型計算參數
2.2 數值模擬結果分析
從圖3中可以看出，裂縫擴展是一個漸進過程，壓裂初始階段裂縫主要在煤層頂板泥巖內擴展，此時裂縫會沿著縱向高度和橫向長度兩個方向同時擴展，擴展速度較快。當裂縫高度擴展到上界面時，裂縫內水壓難以壓開頂板細粒砂巖，裂縫開始向下傳遞，在定向射孔的誘導作用下，裂縫會向下穿越界面進入煤層把煤層全部壓開，與此同時，水力裂縫繼續擴展，在長度方向上裂縫擴展增加較快，同時由于裂縫在頂板泥巖內的擴展速度要大于裂縫在煤層的擴展速度，橫向上裂縫在頂板巖層內快速延伸，從而牽引煤層中的裂縫在橫向上快速延伸。煤層的朔性比頂板泥巖大，可以形成比頂板泥巖更為寬泛的壓裂縫。
2.3 施工參數優化
基于實際地層參數，采用MFracSuite三維壓裂系統軟件，進一步研究壓裂施工排量對煤層頂板水平井壓裂裂縫擴展形態的影響規律[25]。數值模擬時，固定其他參數不變，設定水平井與軟煤層的距離為1.0 m，分別模擬施工排量為3.0 m3/min、4.0 m3/min、5.0 m3/min、6.0 m3/min時裂縫形態。模擬結果如圖4所示：煤層頂板水平井壓裂都能把下伏煤層全部壓開，且隨著壓裂施工排量的增加，縫長和裂縫高度都有增加，但是縫高的增加更加明顯。對于水力壓裂而言，裂縫縫高盡量控制在煤層有效厚度內，如果縫高超過儲層有效厚度，將會造成支撐劑的無效支撐，甚至會壓穿隔層，影響壓裂效果，降低增產效果。因此，根據祁東煤礦地質特征，施工排量控制在5m3/min左右較合理。
a.注入排量為 3m3 / min 時的裂縫延伸形態
b.注入排量為 4m3 / min 時的裂縫延伸形態
c.注入排量為 5m3 / min 時的裂縫延伸形態
d.注入排量為 6m3 / min 時的裂縫延伸形態圖4 不同注入排量下的裂縫延伸形態Figure 4 Fracture extension morphology under different injection displacement
上述壓裂縫擴展研究結果表明，緊鄰煤層頂板巖石的裂縫能夠延展至煤層，且在頂板巖石的撕裂作用下，煤層內的裂縫能夠延展一定的距離。但是如何設置裂縫的形態才能得到最優的抽采效果，是區域化瓦斯治理必須解決的問題。因此在考慮裂縫穿層機理的基礎上，研究裂縫長度以及裂縫間距等設計參數，對瓦斯區域治理具有重要實用價值[26-28]。
以下應用Eclipse產能模擬軟件，采用數值模擬的方法，從裂縫參數對累計產氣量的影響方面，提出最優裂縫設計參數。
3.1 產能模擬參數設置
本次模擬采用雙孔模型，同時考慮壓裂裂縫，形成煤基質、水力壓裂裂縫的復合模型。模擬氣藏區域為 600 m×600 m，高度3.50 m，模型x方向網格設置60個，y方向網格設置60個，z方向的網格數為4個，在各壓裂段網格進行加密。對于壓裂裂縫段，利用裂縫“等效導流能力法”對裂縫網格進行處理。產能模擬的儲層參數參考擬進行工程試驗的淮北礦區祁東煤礦，參數設置見表2所示。
表2 瓦斯抽采產能模擬參數
裂縫的縫長、裂縫的間距的選取范圍是在參考現有施工條件及臨近礦井實際生產數據的基礎上，結合以往相關專家學者的研究成果合理選取的。根據礦區附近蘆嶺井田應用煤層頂板水平井壓裂技術后，日最高產氣量為10 000 m3進行反演，可知壓裂后裂縫導流能力約為100 mD，因此本次設置裂縫導流能力為100 mD；
根據許耀波等人研究，壓裂段數過密，段間距過小會產生縫間應力干擾[10]，段間距過大則瓦斯的抽采不充分，因此設定壓裂縫間距大于等于50 m，即單孔壓裂段在6～10段。在目前壓裂技術條件下，壓裂施工排量有限，據已有地面煤層氣井的微地震監測顯示，壓裂縫的長度一般小于160 m，因此本次設置裂縫長度取值范圍在40～140 m。
3.2 裂縫縫長的選擇
裂縫長度是影響水平井產能的一項重要因素，本次設置裂縫導流能力為100 mD，單孔壓裂段數為6段，改變壓裂裂縫長度(40 m、60 m、80 m、100 m、120 m及140 m)，模擬不同方案4 a瓦斯含量的變化情況，如圖5所示。分析不同方案的累計產氣量隨抽采時間的變化規律，并根據4 a的累積量計算不同裂縫數目下累計產氣量增幅的同比增長率及環比增長率，分別如圖6和圖7所示。
由模擬結果可以看到，隨著壓裂裂縫長度的增加，煤層4 a累計產氣量是逐漸增加的，但增加幅度逐漸減慢，這是由于雖然較長的裂縫建立了井眼到遠端的高滲流通道，但解吸速度較慢，無法提供足夠的氣量向通道中運送，從而導致每米裂縫貢獻值下降，從累計產氣來看，當裂縫長度大于80 m后，累計產氣量變化幅度趨于平緩，單條裂縫對產能的貢獻逐漸變小，結合井下施工條件及安全考慮，由于井下孔徑的限制，壓裂排量一般小于5 m3/min，平均砂比控制在10%以下，因此優選取裂縫長度80 m。
a.縫長40m抽采4a瓦斯剩余量
b.縫長80m抽采4a瓦斯剩余量
c.縫長120m抽采4a瓦斯剩余量
d.縫長160m抽采4a瓦斯剩余量圖5 4a瓦斯剩余含量Figure 5 Residual gas content in 4a
圖6 累計產氣量隨抽采時間的變化Figure 6 Variation graph of cumulative gas production with drainge time
圖7 不同的裂縫長度對累計產氣量的影響Figure 7 Effect of different fracture length on cumulative gas production
3.3 壓裂段數的選擇
對于水平井長為500 m，縫長以80 m的等間距裂縫進行模擬，壓裂段數目分別為6段、7段、8段、9段和10段(裂縫的間距分別為84 m、72 m、63 m、55 m和50 m)，模擬不同方案4 a瓦斯含量的變化情況，如圖8所示。分析了不同方案的累計產氣量隨抽采時間的變化規律，并根據4 a的累積量計算不同裂縫數目下累計產氣量增幅的同比增長率及環比增長率，分別如圖9和圖10所示。
a.單孔分6段抽采4a瓦斯剩余量
b.單孔分7段抽采4a瓦斯剩余量
c.單孔分8段抽采4a瓦斯剩余量
d.單孔分9段抽采4a瓦斯剩余量圖8 4a瓦斯含量變化情況Figure 8 Variation of gas content in 4a
圖9 累計產氣量隨抽采時間的變化Figure 9 Variation of cumulative gas production with the change of drainge time
圖10 不同的壓裂段數對累計產氣量的影響Figure 10 Effect of different fracturing stages on cumulative gas production
從圖9和圖10可以看出隨著裂縫數目的增加，增長率值不斷減小，即總產氣量的增加速度逐漸減慢。裂縫數目的增加促進了產量的增長，但對一定長度水平井其裂縫的間距必就減小，相鄰裂縫由于流動相互干擾，其流動區域變小，抑制了產量的增長，所以產量增長呈現出遞減的規律。若同比增長率10 %時決定壓裂更多裂縫有較好的經濟效益，則本井例的壓裂段劃分為8段，即裂縫間距約63 m較合適。
祁東煤礦71號煤層埋深在680～710 m，平均煤層厚度3.50m，空氣干燥基氣含量為10.85m3/t。水平井層位布置在71號煤層頂板較堅硬的巖層中，為了解決定向鉆進中的技術難題，施工期間采用邊界探測儀技術，即利用隨鉆邊界探測儀實時探測井眼軌跡一定范圍的煤、巖層電阻率和自然伽馬等參數，根據71煤層與其頂板泥巖、粉砂巖的電阻率和自然伽馬差異，來判斷井眼所在位置及其與煤層頂面的距離。據此采用地質導向配套工具及時調整鉆進方向，以最大程度地確保水平段井眼軌跡在煤層頂面0.5～2m范圍內，滿足了后續射孔、壓裂的要求，使壓裂裂縫有效溝通煤層，形成煤層氣的滲流通道。水平井水平段長度為720 m，將水平井分割成10 段進行壓裂改造，各段間距在60～80 m，壓裂注入排量為5～10 m3/min，平均每段加砂77 m3，平均每段注入壓裂液938 m3。在壓裂施工過程中，通過微地震裂縫監測技術對頂板水平井壓裂裂縫形態進行監測，結果顯示，第一段主裂縫長度80～120 m，裂縫高度10.3m，裂縫方位角357.3°，證明了頂板裂縫能夠下穿進入煤層，且能夠延展較長的距離，實現對煤層的強化改造的目的。
水平井產氣最高突破5 000 m3/d，截至2021年11月，2a累計產氣量約87萬m3，平均單段日產氣量約為121 m3。
1)采用數值模擬的方法模擬了煤巖界面處裂縫從頂板起裂后的穿層及延展規律，認為在煤層頂板巖石的裂縫能夠延展至煤層，且在頂板巖石的撕裂作用下，煤層內的裂縫能夠快速延展且煤層的裂縫寬度大于頂板巖石的裂縫寬度。
2)在礦井工程地質及煤儲層參數一定的條件下，通過瓦斯抽采的效率，確定了分段壓裂的裂縫長度，以及壓裂縫間距，認為壓裂裂縫的縫長為80 m，壓裂縫的間距為63 m時抽采效果。
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