定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用_徐幼平

第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报
China Safety Science Journal
Vol．21No．7
Jul．2011
定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用*
徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2（1中国矿业大学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）
学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A
基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。

煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）；
国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。

【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。

最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己
15
－31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。

【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射
Analysis on Dynamic Characteristics of Cracks Extension in
Directional Hydraulic Fracturing and Its Application
XU You-ping1，2LIN Bai-quan1，2ZHAI Cheng1，2LI Xian-zhong1，2SUN Xin1，2LI Quan-gui1，2（1State Key Laboratory of Coal Resources＆Mine Safety，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China2School of Safety Engineering，China University of
Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China）
Abstract：In order to reduce roof-floor blind area of hydrofracture in underground mines，expand influ-enced range of fracturing，and improve the effect of hydrofracture，a directional hydraulic fracturing tech-nique was proposed on the basis of analyzing the mechanism of crack initiation and the characteristics of fracture development．And the process of crack starting，extending and elongating was simulated with RFPA2D-Flow．The effect of directional hydraulic fracturing and the effect of non-directional hydraulic frac-
turing were compared．Finally the directional hydraulic fracturing technique was applied in the F
15
-31010 mining workface of the Twelfth Coal of Pingdingshan Coal Mining Group．The results show that single drill-hole fracturing effective radius rises to6m under the pressure of27MPa，and the average concentration of single-drillhole gas drainage promotes80%，average flow up382%than that it is not fractured．All these suggest that the technology obtains remarkable effect，and has a high application value．
Key words：cross layer；directional hydraulic fracturing；pressure relief and permeability increase；
RFPA2D-Flow software；acoustic emission
*文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－20
0引言
水力压裂技术最早使用在油、气田的开发中［1－2］。

20世纪60年代，前苏联将该技术作为一种煤层卸压增透手段引入煤矿，开始进行煤矿井下水力压裂试验研究，通过打钻孔深入煤体，以水为能量传递介质对煤体进行压裂［3－4］。

钻孔经过水力压裂后，能扩大其有效影响半径，改善周围煤体透气性，为矿井瓦斯有效抽采创造良好条件。

因此，研究水力压裂，揭示裂隙在煤体中的扩展特征，对增强煤体卸压增透、提高瓦斯抽采效率具有重要意义。

随着煤矿开采深度的增加，地应力增大，瓦斯压力上升，煤层透气性降低，煤与瓦斯突出危险性也随之升高［5］。

针对这种情况，近年来，利用水力压裂技术来提高煤层透气性逐渐引起了一些学者的重视，杜春志［6］根据最大拉应力准则，给出了煤层原级裂隙扩展的力学条件，进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件，但该模型基于单个裂缝，有一定局限性；张国华［7－9］根据圆孔模型，对钻孔周围任意一点的受力作了理论推导，并对钻孔压裂的起裂位置作了有益的探讨。

冷雪峰［10］模拟了岩石在水力压力作用下破裂失稳过程，对比分析了不同均质度对岩石水压致裂过程的影响。

这些有益的探讨加深了对煤岩体破裂过程中受力状况的认识，但纯粹从力学的角度出发，缺少对煤、水、瓦斯等固液气三相耦合作用的研究，无疑是不够全面的，也与客观情况相去甚远。

笔者针对煤体压裂过程中存在固液气三相作用的特性，研究水力压裂煤层起裂机理与裂纹扩展规律，在此基础上提出定向水力压裂技术，建立数值计算模型，模拟定向水力压裂裂纹的扩展规律，并将结论应用于现场，取得了良好的效果。

1定向水力压裂卸压增透机制
1．1穿层钻孔水力压裂起裂机理
煤是多孔介质，煤体中含有丰富的原生裂隙。

压裂过程中，水在泵压的作用下进入煤层中，作用在煤层中的层理面和原生裂隙以及钻孔成孔过程产生的新裂隙等各级裂隙中，当注入水压力大于渗失水压力时，煤体弱面面壁产生内水压力而发生破裂，形成宏观裂隙，与此同时，压力水进入裂隙中。

随着压裂的继续进行，裂隙损伤变量增大，引起次级弱面及下一级弱面继续发育、扩展和延伸，此时，湿润煤体中孔隙度增加，并被高压水填充。

在非湿润的煤体中，随着压力的升高，煤体内部压缩、损伤并出现裂纹，此时煤体被压实，孔隙度减小。

在压裂过程中，每一次压裂注水过程都会导致在弱面充水空间壁面法线方向上产生拉应力，又因为后续压入动力水在煤岩体中产生的宽度和冲击作用都较前一次有所增强，弱面的内水压力也将持续增加，弱面壁面法向拉应力也由此增加。

当该法向拉应力达到与其相连的次级弱面抗拉临界值与地应力在该方向分力之和时，次级弱面也将起裂，压裂水便进入到次级弱面中，从而形成与上一级弱面同样的扩展延伸过程，如图1所示。

图1次级弱面发育扩展原理示意图
Fig．1Fracture propagation of secondary weak plane 依此规律反复发展下去，直至压裂水达到煤岩分层中的微裂隙体系中，此时，压裂水便达到对煤层的逐级分割破裂的状态，最终在煤岩体内形成以压裂孔为中心、多级弱面为主体的裂隙连通网体系。

1．2定向水力压裂裂隙扩展及增透机制
根据压裂过程中煤岩体裂隙首先在弱面产生与发展这一客观事实，提出定向水力压裂技术，即通过增加一些控制孔，人为创造弱面，诱导压裂过程中裂隙向定向孔方向生成与扩展，从而充分利用水力压裂能量，消除非定向水力压裂，压裂后存在局部应力集中和卸压盲区的现象，达到整体卸压增透消突的目的，如图2所示。

控制孔在压裂过程中对裂隙的扩展延伸起着导向的作用。

钻孔的施工过程本身是不断形成弱面的过程，并最终形成破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区［5］。

破碎区、塑性区的煤体已损伤破坏，构成宏观裂隙区，呈现柱状发散分布。

随着压裂孔的泵压不断升高，柱状分布的塑性区和破碎区不断增大，
·
501
·
第7期徐幼平等：定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用
图2定向水力压裂裂隙扩展图
Fig．2Fracture extension of directional hydraulic fracturing 当压裂孔的塑性区扩大至控制孔塑性区时，压裂孔与控制孔周围的裂隙相互贯通，在持续的压裂下，裂隙不断扩展发育延伸，集中应力区也不断向远离钻孔方向转移，同时煤体向控制孔发生流变，控制孔变小，卸压区扁平化，内部生成更多裂隙。

定向水力压裂促进控制孔与压裂孔之间的煤体裂隙充分发育，形成立体裂隙网，并相互贯通，同时地应力在裂隙产生和煤体流变过程中充分释放，钻孔之间应力峰值下降，煤体透气性提高，达到卸压增透的效果。

2定向水力压裂数值模拟分析
定向水力压裂涉及岩石破坏和流固耦合等问题，利用真实破裂过程分析RFPA系统进行模拟。

该软件是一个能模拟煤岩体介质逐渐破坏过程的数值试验工具，其最大的特色是通过引入材料的非均质性、损伤参量和渗流—应力—损伤分析等元素，使得连续介质力学的分析方法可用于处理物理非连续介质问题，是一种新型的数值试验分析方法。

2．1水力压裂卸压增透模型的建立
以平煤集团十二矿己15－31010工作面为原型建立模型研究，探讨压裂过程中裂纹的扩展规律。

己15煤层厚约4m，采面标高－720 －770m。

煤岩层的力学参数见表1。

煤岩层材料性质按照Weibull 分布来赋值，应用弹性有限元法进行应力分析，屈服原则采用修正后的库仑准则。

将其视为二维问题，建立平面应变力学模型。

依据井下测量结果，模型受垂直应力约为16MPa，水平应力为22.4MPa。

整个模型划分为400ˑ400个单元，如图3所示。

模型的瓦斯初始压力为2.85MPa。

水力压裂注水初始压力为1MPa，每步递增0.5MPa，共运算60步。

表1煤岩层力学及渗流参数
Table1Physical parameters of coal and rock
力学及渗流参数
类别
煤层岩层
（顶底板）
均质度24弹性模量均值E0/GPa 4.865.0
抗压强度均值σ0/MPa30100
泊松比μ0.300.25
摩擦角/（ʎ）2630
强度压拉比2010
强度衰减系数B s0.10.3透气系数m2/（MPa2·d）0.1000.001
瓦斯含量系数A w 2.000.01
液固耦合系数β0.250.10
图3水力压裂（单孔）计算模型图
Fig．3Model calculation of the single drilling
hydraulic fracturing diagram
2.2注水压力对煤层破裂作用过程的数值模拟
在RFPA2D－Flow系统中，声发射图中的点表示声发射声波，点出现的位置即为声发射发生位置，亦表示该处煤体发生破裂。

导出RFPA2D－Flow系统中的数据，作出声发射次数图（AE Counts）、声发射能量图（AE Energy）和声发射能量累积图（AE Accumulated Energy）。

结合水力压裂的声发射过程图，依据声发射次数和能量积聚图可以将水力压裂过程分为5个阶段：
1）应力累积阶段（1 14MPa）。

该阶段高压水主要以渗流方式进入煤体原始孔裂隙中，随着水压的升高，水开始渗入煤体微裂隙中，游离瓦斯在微裂隙中被驱赶压缩，瓦斯压力增大，此阶段瓦斯压力成为阻碍水湿润煤体的主要因素［11］。

该阶段声发射较少，如图4a所示，在声发射能量和次数累积上都比较少，如图5和图6所示（1 26步），该阶段主要在孔壁周围逐步形成一个近似环状压力增高带，且孔周边主应力呈放射状分布。

·
601
·中国安全科学学报
China Safety Science Journal
第21卷
2011年
图4
水力压裂过程中裂缝起裂和扩展声发射图
Fig．4
AE diagram of fracture initiation and stead propagation during hydraulic fracturing
2）微裂纹稳定扩展阶段（14 18MPa ）。

当压裂孔压力加载到第26步，即孔内压力增加到14MPa 时，在圆孔边缘的环形压力增高带周围产生了许多零星分布的微裂纹，如图4b 所示。

微裂纹由弱面破坏而产生，由于煤岩介质的非均匀性，弱面是随机分布的，产生的微裂隙是随机的。

声发射能量累积和次数累积都是初见增长，
如图5和图6所示（26 34步）。

图5压裂过程中声发射次数特征图
Fig．5
AE counts with load
step
图6压裂过程中声发射能量累积图
Figure 6
AE energy with load step
3）局部破坏带形成阶段（18 24MPa ）。

孔内压力
继续增加，在裂缝尖端附近出现了零星的不和主裂隙连通的微裂缝，且这些主裂缝附近的微裂缝也开始增加，但主裂缝的扩展速度较快，水压力沿着孔隙传递，如图4c 所示。

声发射能量累积和次数累积都
有了较大的发展，如图5声发射次数和图6所示的
声发射能量（34 46步）积聚曲线斜率都有较大增大，
该阶段主裂隙发展较快。

4）局部破坏带扩展与贯通阶段（24 29MPa ）。

孔内压力加载到46 56步，当加载到29MPa 时，受煤岩介质非均一性的影响，主裂隙及其附近的微裂隙发展速度加快，扩展过程也更加复
杂，
某些零星的微裂隙也逐步与主裂隙相连通，此时压裂孔影响半径可达6m ，如图4d 和图4e 所示。

该阶段声发射次数增长速度略微减慢，如图5和图6所示（46 56步）斜率比第3）阶段稍有降低，此阶段主裂隙发展减慢，次裂隙和贯通裂隙发展加快。

5）裂隙失稳扩展阶段（29 31MPa ）。

当孔内压力增大29MPa 时，基本不需要增加压力，裂缝仍
可以继续扩展。

当加载到第60步（31MPa ）时，声
发射突然有一个大的突跳，
压裂失稳。

该加载步中的步中步增多，表明裂缝扩展速度加快。

此时，主裂
缝的尖端萌发出多条不规则裂缝，
裂缝分叉明显，次裂缝的数量和规模大幅度增加，在次裂缝的作用下，
使得主裂缝扩展路径更加曲折。

当裂缝发育并扩展到一定程度时将终止，需再次增加注水压力才能使裂缝再次发生扩展，此时压裂影响半径可达7 8m ，如图4f 所示。

2．3定向水力压裂与非定向水力压裂对比分析设置2个压裂孔相距15m 时进行模拟，考察有
定向孔（布置4个定向孔）与无定向孔压裂时裂纹
的扩展情况，其平面模型如图7所示，作出声发射次数图。

对比图5和图9，从声发射单步加载过程上看，定向水力压裂压力增至21MPa 时，裂隙发展到局部
·
701·第7期徐幼平等：定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用
图7
水力压裂计算模型图
Fig．7
Calculation modeling of hydraulic fracturing
破坏带扩展与贯通的阶段，比单孔水力压裂压力（约24MPa ）要低。

这是因为定向孔构成弱面，裂纹向该方向扩展所需压力要比其他方向发展裂隙所需的压力小，在相同压力下，裂隙优先向控制孔方向产生和扩展。

对比图8a 和图8b 可以看出，与非定向水力压裂相比，定向水力压裂之间的裂隙发育明显较多，而且由于定向孔的导向作用，压裂后在煤岩体内部的压裂孔周围产生了一个近似圆柱形压缩粉碎圈和一个沿着压裂孔与定向孔连心线方向的贯穿压裂裂缝面，达到了控制压裂裂隙定向扩展、孔与孔之间相互贯通的目的，有效解决了非定向水力压裂压裂时裂纹在煤体中无序扩展、压裂后易出现应力集中以及压裂孔之间出现瓦斯流通屏障等问题。

图8双孔水力压裂结束时声发射图Fig．8
AE diagram of two drillings after hydraulic
fracturing
图9定向水力压裂过程中声发射次数特征图
Fig．9
AE counts with load step during directional hydraulic fracturing
以上对比试验还表明，适当增加压裂孔和定向孔数目比单纯增加注水压力更有利于提高水力压裂的增透效果，在空间上合理地布置压裂孔和定向孔
的数量和间距，可达到整体卸压增透的效果，有效地消除突出危险性。

3
现场应用及效果考察
3．1
现场施工布置
定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己15－
31010工作面进行现场实施应用，其施工布置如
图10所示。

从己14煤层风巷设计下行孔，下行孔经已15－31010风巷上部至已16、17煤层底部，实施穿层定向水力压裂。

定向压裂后，在己14高位巷与己15风巷之间沿巷道走向形成一个卸压面，对下部的己15煤层巷道产生卸压保护作用。

定向水力压裂孔应超前于掘进工作面60m 左右。

考虑到封孔的质量与安全，最高压力设置为27MPa。

图10己15－31010风巷高位巷定向水力压裂剖面示意图
Fig．10Cross-section of deep crossing-hole directional hydraulic fracturing in 31010roadway
3．2
应用结果考察3．2．1
压裂影响范围
在压裂孔一侧布置考察钻孔，考察钻孔平行于压裂钻孔，每隔1m 布置一个考察钻孔，共布置10个，孔径42mm 。

每个考察钻孔取前15d 的瓦斯抽放浓度进行分析。

其结果如图11所示。

图11压裂后考察孔瓦斯浓度变化Fig．11
Changes of gas concentration after hydraulic fracturing
·
801·中国安全科学学报
China Safety Science Journal 第21卷2011年
从图中可以看出，压裂前后考察孔的抽放浓度有了显著增加，并可近似得出水力压裂影响范围为6 7m 之间。

现场测得的影响半径与数值试验的结果基本是一致的。

3．2．2压裂前后单孔压裂抽放流量对比
选取3个抽放孔进行流量统计，分别记录压裂前20d 和压裂后20瓦斯流量，取平均值并作图，如图12所示。

图12
单孔压裂前后瓦斯流量对比Fig．12
Drainage flow before and after fracturing
3个考察钻孔距压裂孔均为5m ，压裂前最大抽
放浓度为8%，
流量为5.9ˑ10－3m 3
/min ，经7d 后衰减为零。

压裂后单孔瓦斯抽放浓度到15%，流量达27.8ˑ10－3m 3
/min ，抽放浓度稳定。

抽放浓度平均增加了80%，瓦斯流量上升了382%。

3．2．3
定向孔与非定向孔对比分析
此部分的对照试验为标题2.3的模拟原型。

试
验选取相邻8个压裂孔，孔间距为15m ，编号依次
为1 8号，孔参数都相同。

将其分成2组，
1 4号为定向压裂孔，
孔与孔之间布置4个定向孔，定向孔打钻完成后对其封孔，如图13所示；5 8号孔为非
定向压裂孔，孔间不布置定向孔。

从1号孔开始，依次逐个进行压裂。

压力逐渐增加至27MPa 。

压裂过程中发现，当2号孔压力上升到25.3MPa 左右时，1号孔出水；3号孔压力上升到26.1MPa 时2号孔出水；4号孔压力上升25.8MPa 时，
3号孔出水。

6号至8号孔压裂加压至27MPa 时均未出现出水现象，其中5号孔由于封孔不严密，
压力达不到27MPa 。

这表明：压裂过程中定向孔之间已经相互贯穿，压裂效果好；而非定向压裂之间存在应力集中区，即瓦斯通道屏障区，没有贯穿。

由此可以看出，定向孔能有效引导裂隙的发育扩展，达到整体卸压增透的目的，与模拟的结果很好地吻合。

图13
定向压裂钻孔布置图Fig．13
Distribution of directional drilling and
fracturing drilling
4结论
1）分析了水力压裂起裂机理和裂隙发展特征，提出了定向水力压裂技术，探讨了定向水力压裂裂隙扩展及增透机制。

2）通过RFPA 2D －Flow 有限元软件模拟再现了压裂过程中裂缝的起裂、扩展和延伸过程，分析了该
过程的特点，
揭示了定向压裂与非定向压裂压裂后的裂隙分布规律。

3）对平煤集团十二矿己15－31010工作面模拟结果表明，在27MPa 水压下，单孔压裂有效影响范围约为6m 。

在十二矿实际应用定向水力压裂措施后，单孔抽放平均浓度增加了80%，瓦斯流量上升了382%。

试验对比了定向压裂与非定向压裂，表明定向水力压裂技术能有效诱导裂隙的扩展与发育，扩大卸压增透范围，提高瓦斯抽采效率，比非定向水力压裂优越。

参考文献
［1］张旭东．高渗孔隙性地层破裂压力解释模型［
J ］．石油天然气学报，2007，29（4）：111－113．ZHANG Xu-dong．Interpretation model of fracturing pressure for high permeable pore formations ［J ］．Journal of Oil and Gas Technology ，2007，29（4）：111－113．
［2］刘建军，刘先贵，胡雅礽，等．低渗透储层流固耦合渗流规律的研究［J ］．岩石力学与工程学报，2002，21（1）：88－92．LIU Jian-jun ，LIU Xian-gui ，HU Ya-reng ，et al．Study of fluid-solid coupling flow in low permeable oil reservoir ［J ］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ，2002，21（1）：88－92．
·
901·第7期徐幼平等：定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用
［3］
赵万春，艾池，李玉伟，等．基于损伤理论双重介质水力压裂岩体劣化与孔渗特性变化理论研究［J ］．岩石力学与工程学报，
2009，28（2）：3490－3496．ZHAO Wan-chun ，AI Chi ，LI Yu-wei ，et al．Study on rockmass deterioration and changes of porosity and permeability in double-porosity medium under hydraulic fracture based on damage theory ［J ］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ，2009，28（2）：3490－3496．
［4］刘翔．垂直射孔井地应力及破裂压力研究［
J ］．钻采工艺，2008，31（2）：36－38．LIU Xiang．Study on earth stress and fracturing pressure in vertical perforated wells ［J ］．Drilling and Production Technolo-gy ，2008，31（2）：36－38．
［5］卫修君，林柏泉．煤岩瓦斯动力灾害发生机理及综合治理技术［
M ］．北京：科学出版社，2009．WEI Xiu-jun ，LIN Bai-quan．The Gas Power Disaster Mechanism of Coal Rock and Comprehensive Treatment Technology ［M ］．Beijing ：Science Press ，
2009．［6］杜春志，茅献彪，卜万奎．水力压裂时煤层缝裂的扩展分析［J ］．采矿与安全工程学报，2008，25（2）：231－238．DU Chun-zhi ，MAO Xian-biao ，BU Wan-kui．Analysis of fracture propagation in coal seams during hydraulic fracturing ［J ］．Journal of Mining ＆Safety Engineering ，2008，25（2）：231－238．
［7］张国华．本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究［
D ］．阜新：辽宁工程技术大学，2004．ZHANG Guo-hua．The Study of Induce-crack Mechanicals and Cranny s Development Process about Hydraulic Fracture in Mining-coal Bed ［D ］．Fuxin ：Liaoning Technical University ，2004．
［8］张国华，魏光平，侯凤才．穿层钻孔起裂注水压力与起裂位置理论［
J ］．煤炭学报，2007，32（1）：52－55．ZHANG Guo-hua ，WEI Guang-ping ，HOU Feng-cai．Theory of start-split affusion stress and start-split location about through coal delamination's bore of hydraulic fracture ［J ］．Journal of China Coal Society ，2007，32（1）：52－55．
［9］张国华，梁冰，孙广义．煤分层沿层压裂钻孔始裂位置及发展过程分析［J ］．煤炭学报，2005，30（增刊）：34－37．ZHANG Guo-hua ，LIANG Bing ，SUN Guang-yi．Analysis of developing process and beginning fracture location of hydrau-lic fracturing bore in delamination coal bed ［
J ］．Journal of China Coal Society ，2005，30（S ）：34－37．［10］冷雪峰，唐春安，杨天鸿，等．岩石水压致裂过程的数值模拟分析［
J ］．东北大学学报：自然科学版，2002，23（11）：1104－1107．
LENG Xue-feng ，TANG Chun-an ，YANG Tian-hong ，et al．Numerical simulation and analysis on heterogeneous and permeable rocks under hydraulic fracturing ［J ］．Journal of Northeastern University Natural Science ，2002，23（11）：1104－1107．
［11］李国旗，叶青，李建新，等．煤层水力压裂合理参数分析与工程实践［
J ］．中国安全科学学报，2010，20（12）：74－77．LI Guo-qi ，YE Qing ，LI Jian-xin ，et al．Theoretical analysis and practical study on reasonable water pressure of hydro-fracturing technology ［J ］．China Safety Science Journal ，2010，20（12）：74－
77．
作者简介：徐幼平（1985－），男，湖北麻城人，硕士研究生，主要研究方向为煤矿瓦斯治
理。

E-
mail ：xuyouping168@163．com．·
011·中国安全科学
学报
China Safety Science Journal 第21卷2011年。