煤层水压裂缝导向扩展控制机理及方法

发布时间：2020-11-05 10:46

　　 水力压裂是强化煤层气(瓦斯)抽采、预防煤与瓦斯灾害的重要手段。水压裂缝在煤层中受地应力影响扩展形态单一,裂缝两侧会遗留增透“空白带”,为煤炭开采带来安全隐患。煤层储层薄、产状复杂的特点使水压裂缝可能破坏顶底板,增加后续巷道支护难度。如何控制煤层有效应力及主应力方向,使水压裂缝沿煤层有序扩展,形成复杂缝网是目前亟需解决的关键难题。因此,研究煤层水压裂缝导向扩展控制机理及方法对水力压裂促进煤层气高效开发具有重要意义。本文通过开展煤层产状对水压裂缝起裂及扩展影响规律研究,建立孔隙压力梯度及水力割缝诱导裂缝扩展力学模型,提出孔隙压力梯度及水力割缝双重作用的导向压裂方法,结合真三轴条件下割缝导向压裂物理实验及数值分析,揭示煤层水压裂缝导向扩展控制机理。取得主要成果如下:(1)构建了含煤层产状因素的水压裂缝起裂及扩展分析模型,揭示了煤层产状及原始地应力等因素对水压裂缝起裂及扩展的影响机理。分析模型表明煤层水压裂缝起裂扩展主要受煤层产状及地应力限制。随着煤层倾角增大,当σ_vσ_Hσ_h时,水压裂缝倾向于在煤岩交界面起裂扩展;当σ_Hσ_hσ_v时,水压裂缝倾向于在煤层中起裂扩展;当σ_Hσ_vσ_h时,水压裂缝起裂扩展随煤层倾角变化出现较大随机性。随着煤层倾向增大,裂缝起裂扩展整体表现为“煤体中→煤岩交界面→煤体中”。(2)提出了基于孔隙压力梯度诱导作用的割缝导向压裂方法,建立了割缝缝槽-孔隙压力双重作用下的裂缝导向扩展力学模型,揭示了孔隙压力梯度及水力割缝对煤体应力场扰动规律:高孔隙水压力会降低煤体内有效应力,有利于裂缝起裂及扩展。裂缝起裂及扩展压力的降低幅度与导向孔注水压力p_w成正相关关系,与压裂孔距导向孔之间的距离d成负相关关系,诱导裂缝沿高孔隙压力梯度方向扩展;同时,水力割缝扰动煤体应力重新分布,使煤体内形成沿割缝方向的最大主应力条带区,该区域内的最大主应力方向与原始地应力相比产生扭曲变化,围绕缝槽形成“S”型裂缝诱导控制区。利用孔隙水压力梯度及水力割缝双重作用的导向压裂方法,使水压裂缝突破煤层产状及地应力等因素控制,在煤层中导向扩展。(3)揭示了应力差异系数及割缝偏差角对割缝导向压裂裂缝扩展方向的影响规律,明确了割缝导向压裂裂缝定向扩展控制条件。通过开展割缝导向压裂物理相似模拟实验及数值分析,发现割缝导向压裂过程中存在“二次压裂”现象,割缝偏差角、水平应力差异系数越小,越有利于水压裂缝的定向扩展。当割缝偏差角θ小于30°或水平应力差异系数K_h小于0.5时,水压裂缝基本能沿割缝布置方向定向扩展;当割缝偏差角θ大于30°且水平应力差异系数K_h大于0.5时,裂缝开始向最大主应力方向偏转,且K_h越大,偏转角度越大。(4)采用现场试验对比分析了割缝导向压裂及常规压裂技术增透效果。现场试验结果表明:割缝导向压裂与常规水力压裂均能对煤层起到较好的增透作用,但是割缝导向压裂方法在定向增透效果要优于常规水力压裂方法。割缝导向压裂方法比常规水力压裂方法在初抽单孔浓度上提高了24~30个百分点,在初抽汇总浓度上提高了18个百分点,在初抽平均单孔纯量上提高了0.75倍。割缝导向压裂方法的瓦斯抽采汇总浓度衰减趋势较为缓慢,衰减率为8.9%,而常规压裂技术的汇总浓度衰减率为34.5%。现场试验说明了割缝导向压裂方法定向增透的可靠性。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

]。于水力压裂在理论、物理试验及数值分析方压裂受到原始地应力的控制作用非常明显，压裂钻孔遇到天然裂缝或者煤岩交界面时会。由于煤层中富含较多的原生节理和裂隙，水，往往表现出明显的随机性。另外，学者们对因素研究并不完善，针对煤层的复杂产状并研究。方法研究现状力压裂的裂缝扩展形态和受到的主要为地应，不可避免的会出现如图 1.2 所示的增透“空”，即由于水压裂缝在原始地应力的控制下缝两侧的煤岩体很难受到裂缝影响，因此该部善。

1.3.2 研究方法及技术路线论文选题将仅仅围绕以上研究内容，通过缜密的调研并查阅大量的相关文献，总结国内外水力压裂裂缝扩展方向控制方法的研究现状，在以往学者的研究基础上进行改进，提出基于孔隙压力梯度的割缝导向压裂方法。论文将运动线弹性断裂力学、岩石力学、土力学、高等渗流力学等理论建立复杂赋存条件下煤层水压裂缝起裂扩展控制模型，揭示不同控制因素（如原始地应力、煤层倾角、煤层倾向等）对水压裂缝起裂扩展方向的影响规律。提出基于孔隙压力梯度的割缝导向压裂方法，建立孔隙压力梯度场下的割缝导向压裂裂缝诱导力学模型，利用 RFPA 及FLAC3D 数值分析软件研究了孔隙压力梯度场和水力割缝对煤岩体内部应力场的影响规律，揭示割缝导向压裂对水压裂缝扩展方向诱导机理。通过割缝导向压裂裂缝起裂扩展实验及数值分析，获得割缝导向压裂裂缝扩展形态及起裂压力变化规律，并对割缝导向压裂裂缝扩展路径进行了重新演化，明确割缝导向压裂定向扩展控制条件。最后，通过现场对比实验验证割缝导向压裂方法的有效性。具体研究技术路线如图 1.3 所示。

控制因素分析并不透彻。本章通过线弹性断裂力学及最大拉应力破坏理含煤层产状及原始地应力等因素的水压裂缝起裂扩展控制模型，揭示了裂缝扩展形态单一、扩展无序的机理，并通过研发真三轴压裂设备，采用模拟实验验证了分析模型的正确性。 水压裂缝扩展控制模型的建立1 煤层赋存特点分析煤炭是在地热和压力的作用下，经过生物化学作用和物理化学作用而转有机矿产。在成煤过程中，由于泥炭沉积的整个过程中存在大量的构造运了不同产状的煤层。在煤炭堆积的过程中，地层会有岩-煤-岩的沉积顺序同煤质的沉积，因而会形成煤分层的结构。煤层的复杂性在我国的西南地别明显，该区域的煤层厚度薄、顶底板与煤层性质差异较大的特性导致存分层性，某些煤层甚至具有多分层（含软、硬煤分层）的赋存特性[81]。如，可以明显的观察到煤岩层的多分层特性。
【参考文献】

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本文编号：2871528