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数值模拟在水力压裂技术中的应用
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【自然科学学术论文】摘 要： 基于导向孔的定向水力压裂技术是当前对煤层进行卸压增透的有效方法之一，本文利用RFPA2D-Flow数值模拟软件对导向孔的导向作用效果进行模拟研究，现场试验后，试验结果与数值模拟结果基本吻合，同时压裂后钻孔的瓦斯抽采浓度与纯量都有显著的提高，该技术可以为
摘 要：基于导向孔的定向水力压裂技术是当前对煤层进行卸压增透的有效方法之一，本文利用RFPA2D-Flow数值模拟软件对导向孔的导向作用效果进行模拟研究，现场试验后，试验结果与数值模拟结果基本吻合，同时压裂后钻孔的瓦斯抽采浓度与纯量都有显著的提高，该技术可以为今后实施水力压裂提供重要的参考。
关键词：水力压裂;数值模拟;现场应用
1 引言
我国大多数煤田煤层透气性系数都较低，在抽采时必须采取措施提高煤层的透气性系数，可以说煤层透气性差已经成为制约瓦斯抽采甚至煤矿开采的瓶颈。针对这一问题，煤炭工作者广泛应用水力压裂技术增大煤层的透气性，在一些矿区取得了显著的效果。只有根据煤矿的具体实际，设计出适宜的定向水力压裂技术方案，才能成功地实现水力压裂的效益最大化。
2 水力压裂导向孔的导向卸压机理
定向水力压裂技术是基于水力压裂时压裂裂隙首先在弱面产生与发展这一机理提出的[1]。在现场实践中，人为创造裂隙弱面及尖端效应可以实现裂隙的定向导控，从而更加充分地利用水力压裂的能量，消除非定向水力压裂中裂缝随意扩展造成的能量浪费以及存在局部应力集中和卸压盲区的现象，达到人们期望的卸压增透消突效果。导向孔导控即通过在压裂孔四周布置一些导向孔，人为创造裂隙弱面空间，诱导压裂过程中裂隙向导向孔方向生成与扩展[2]。
3 导向孔导向作用效果模拟
3.1 数值模型的建立
为使数值模拟的结果更具现场指导意义，结合压裂工作面煤层的赋存条件，建立几何模型如下：模型尺寸为50m×40m，划分为500×400个网格，采用二维平面应力分析，受力准则为摩尔―库伦准则，分布类型选韦伯分布[4～6]。载荷边界为顶部施加竖直载荷，等效煤层上部岩层自重13MPa，侧向施加水平载荷，为水平地应力10.5MPa，底端固定约束[3]。
3.2 模拟结果分析
导向孔的方位根据导控需要进行设定，导向孔与压裂孔之间的距离要小于它们的影响半径之和，即小于导向孔的破碎裂隙范围与压裂孔的压裂范围之和，否则有可能无法实现定向功能。为研究导向孔的导向作用效果，在几何模型的中心压裂孔四周均匀布置4个导向孔，起定向卸压作用。结合本次压裂地点巷道两帮需要增透的范围，将导向孔与压裂孔的距离定为8m。初始注水压力设为10Mp，水压力增量为0.2Mp，模拟煤层裂隙扩展动态特征，见图1。
图1 导向孔定向水力压裂的剪应力分布云图
图中，应力的大小与颜色灰度有关，颜色越亮，表示所受剪应力越大，煤体的破坏越显著。从图1可以看出：水压从10增加到17Mpa期间，没有裂纹产生，只是在压裂孔周围形成一个近似环状的白色压力增高带，在此阶段，水压相对较小，高压水主要以渗流方式进入钻孔周围的裂隙及原煤孔隙中。水压达到17Mpa时，孔壁周围开始有微裂纹产生，此时，水压已相对较大，裂隙的发展对水压相当敏感，很小的水压增量，就能促使裂缝的快速发展延伸，在P=17.8Mpa时，主裂纹已基本形成。煤层的破裂压力约为17Mpa，裂缝的范围接近10m。在现场压裂时，由于需克服管路摩阻及重力的作用，高压泵的注水压力应大于17Mpa，根据注水管路的性能，泵注最高压力定为18Mpa。。
4 效果分析
1)水力压裂影响范围考察
本次试验采用矿用瞬变电磁仪对压裂影响范围进行探测，瞬变电磁仪主要应用于井下裂隙断层、含水区的探测，由于其方便准确的特点，受到矿井工作人员的普遍欢迎。
探测后，利用瞬变电磁仪专业软件对所采集的数据作进一步处理，得到水力压裂后瞬变电磁仪探测的视电阻率拟断面图，见图2。图中颜色由红到蓝，表示视电阻率由高到低，对应的含水性则是由小到大。可以看出在煤壁前方30m、巷道两侧15m的范围内，视电阻率分布较低，含水性较大，可以判定，压裂水已到达这些区域，水力压裂的影响范围为15m左右。
2)抽采效果考察
压裂完毕，待钻孔中的水排尽后，将压裂孔与4个导向孔并入巷道的瓦斯抽采管道进行合闸抽采，并对抽采浓度以及抽采纯量进行测试，在压裂结束后的3天内，每班都要对抽采纯量、抽采浓度、抽采负压等参数进行观测并做好记录。之后，每日观测一次相应参数并记录。连续观测时间视参数变化情况而定，一般不少于20天。将这些参数与该巷道压裂前抽采的各项参数进行对比，得出水力压裂后的瓦斯抽采量提高了4倍左右，可见水力压裂取得了良好的卸压增透效果。
5 结论
通过对压裂前后瓦斯抽采指标的比较，得出水力压裂的卸压增透效果显著，水力压裂确为该矿瓦斯治理的有效方法，值得在整个矿井推广使用。
参考文献
[1] 张国华. 水力压裂钻孔始裂特点分析[J]. 辽宁工程技术大学学报，2005，24(6)：790-794.
[2] 冯彦军，康红普. 水力压裂起裂与扩展分析[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32(2)：3169-3173.
[3] 李树刚，马瑞峰. 煤层水力压裂增透影响半径试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2014，41(3)：9-13.
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