水力压裂技术在断层中的应用

题帅

摘要：水力压裂技术（Hydraulic fracturing），也称为压裂或液压压裂，是一种常用于油气开采的技术，旨在增加油气井的产能和提高产量。该技术通过注入高压水和特定的压裂液混合物到油气储层中，使岩石发生断裂，并在裂缝中注入砂颗粒或其他颗粒物，以增加油气流通通道，促进油气的流入井筒。为了解决红阳三矿西三上采区703综采工作面过断层坚硬岩层期间安全顺利回采的问题，通过对工作面工程地质与生产技术条件分析，运用数值模拟技术对异构岩石中的水力裂纹重定向过程进行研究，形成了一套水力压裂安全过断层的技术工艺。经现场应用，工作面水力压裂区域岩石湿润且破碎程度明显提高，割煤机顺利通过断层影响区域。

关键词综采；断层；水力压裂

1概况

水力压裂技术的关键在于通过高压注入的压力将岩石裂开，形成裂缝，从而增加储层的渗透性和产能。压裂液中的砂颗粒或其他颗粒物可以保持裂缝的稳定性，防止裂缝闭合，并提供更多的流通通道。同时，通过调整压裂液的成分和注入参数，可以优化压裂效果，提高产量。

水力压裂技术在油气开采中具有重要的作用，特别是在低渗透率储层和页岩气开发中。然而，该技术也面临一些挑战和争议，包括水资源的消耗、地质环境的影响以及地震活动的可能性等。因此，在应用水力压裂技术时，需要进行科学评估和监测，采取适当的措施来确保环境安全和可持续发展。

2水力压裂裂纹扩展数值模拟

采用二维离散元软件UDEC流体模块分析水力压裂过程，研究在异构岩石中的水力裂纹重定向过程。

2.1岩石异构性影响

图1给出了编号1-1到1-5中水力裂纹重定向轨迹，岩石不均质系数从2增加到10。

在每次模拟中应力差大小被设定为7.5MPa时，如图1所示，模拟的情况可以看出，两种情况下水力裂纹重定向轨迹大致一致，在达到17.2MPa之前，都经历较长重定向距离。当被施加应力差3.0MPa时，水力裂纹重定向轨迹在不均质系数为2和4的模拟中，都经历较长重定向距离，而从6、8和10的模拟中，发现水力裂纹重定向轨迹非常陡峭。通过对比可以发现，在更加均质岩石中，水力裂纹更容易受到高应力差状态影响，不管是处于高应力差（7.5MPa）还是较低应力差条件下（3.0MPa），对于更加异构岩石，可以发现明显水力裂纹沿着射孔方向扩展。

图1编号1-1模拟结果

2.2岩石强度的影响

对相对异构及相对均质花岗岩试样进行侧向受限压缩模拟和巴西劈裂模拟。模拟结果表明在相对异构花岗岩试样中，轴向劈裂是主要破坏方式。在巴西劈裂模拟中，如果被模拟岩石均质程度较低，花岗岩试样拉伸破坏面则变得不平整。水力裂纹重定向取决于所有影响因素联合作用。如果岩石所受到应力差大小较低（3MPa），较低岩石均质系数和较高岩石强度有利于水力裂纹沿着射孔方向扩展。在高应力差条件下，岩石异构性和岩石强度影响则变得十分有限。只要在低应力差环境下进行水力压裂作业，在坚硬岩石中，岩石异构性可以导致不规则水力裂纹轨迹。如果岩石强度较高可以提高射孔对水力裂纹传播引导。

3水力压裂方案设计

根据前述数值模拟研究成果，结合矿井实际，采用上下两排炮眼爆破、中间一排炮孔进行水力压裂的方案。通过爆破冲击气体使裂隙进一步发展并与水力压裂裂隙相互贯通，将岩体切割成彼此相对独立块体，以达到破碎断层带坚硬岩石目的，最后再用割煤机切割破碎硬岩，减小割煤机磨损，提高工作效率。爆破孔的间距为3m，深度为1.1m，按照五花眼布置。

技术要求：1）钻孔施工过程中要严格控制钻孔的偏斜度，同时降低钻机的钻速及进给力，确保钻孔按一个方位钻进，以保证水力压裂效果；2）水力压裂段尽量选择岩层完整段；3）水力压裂过程由孔底至孔口逐渐慢速进行，同时按设计及钻孔周围顶板出水情况，合理确定注水时间；4）压裂过程中要注意现场安全，按设计距离拉好警戒线，安排专人值守，对压裂管的接头部位要进行严格检查，确保密封完好不漏液，现场施工人员也严禁从钻孔前通过，以防水管伤人；5）乳化液泵需调试安全，压裂时先把卸压阀开到最大再开始运转乳化液泵，停止压裂时先把卸压阀开到最大再停止乳化液泵。

4效果及要点总结

工作面水力压裂区域岩石湿润且破碎程度明显提高，水力压裂对该区域坚硬岩石进行了有效压裂，在爆破作用下达到进一步破碎，割煤机能以较小磨损安全地对坚硬岩石进行有效切割。效果总结为：1）充分压裂之后的坚硬岩石，对压裂孔不进行放炮处理，割煤机能够完成切割，对压裂孔进行压裂+放炮的处理，能保证割煤机有效切割；2）水力压裂方法处理后，减少2/3爆破孔数量；3）水力压裂适用于岩石较完整部分，若该处岩石本身就比较破碎，影响水力压裂效果；4）多次试验结果表明，胶囊长度70cm单封型封孔器适用于红阳三矿的现场条件，封孔器在压裂前应将堵头螺纹拧到适当位置，否则会造成封孔器未充分膨胀或高压水难以进入压裂孔；5）压裂孔的深度应达到1.8m，封孔长度达到1.1m，压裂孔与其他孔之间间距应保持在3m左右，距离太近会导致压裂液大规模“逃逸”，影响压裂效果；6）应充分保证压裂时间，压裂时间应维持在15min左右；7）对于底板或者顶板比较坚硬部分，可适当增加爆破孔数量，提高破岩效果。

5结语

703综采工作面Ⅱ3F223（0~10m）断层带原采用松动爆破方式处理，但效果不明显，采用水力压裂后，减少近2/3的钻孔和炸药量，提高了经济效益，煤机能够顺利切割处理后的硬岩，降低了煤机故障率，提高了开机率。