定向水力压裂裂纹扩展规律的模拟研究

发布时间：2020-08-25 11:09

【摘要】：我国是受冲击矿压灾害影响最严重的国家,现场统计与研究表明,坚硬厚层顶板依然是我国煤矿灾害的主要诱发因素,厚层坚硬顶板的可控致裂是目前研究的热点科学问题,对于我国冲击矿压矿井的安全生产具有重要意义。定向水力压裂的原理是通过特殊的“刀具”在岩体中预先切割出定向裂缝,然后注入高压水,使裂纹沿定向预裂缝继续扩展。定向水力压裂可以对顶板进行定向分层及分块致裂,控制性的破坏坚硬顶板完整性,释放顶板弹性能,达到减弱或消除冲击危险性的目的。本文基于定向割缝水力压裂裂纹扩展机理,运用离散元数值模拟软件PFC(Particle Flow Code)对定向水力压裂的裂纹扩展规律进行模拟与分析。考虑不同地应力状态、注水压力、预裂缝角度、岩体结构等关键因素,分析裂纹扩展的方式、方向、路径以及长度等规律研究的主要结论如下:(1)根据“裂纹是否分叉”与“裂纹扩展长度”两个指标评价定向预裂缝几何形态的优劣,结果表明:几何形态为菱形的预裂缝其压裂效果比矩形缝以及椭圆形缝要好;高径比为1:4的菱形缝比1:3、1:5、1:6的压裂效果好。最终确定高径比为1:4的菱形缝作为模拟的最优定向预裂缝。(2)定向水力压裂的起裂压力大于岩体的抗拉强度与最小主应力之和,小于岩体的抗拉强度与垂直于预裂缝导向方向的地应力之和。水压力不变的情况下,裂纹由中心向两侧呈对称性扩展,扩展速率由快变慢。裂纹起裂时,其裂纹性质均为张拉裂隙;压裂过程中在平行于裂纹扩展方向上的接触力基本没有积聚现象,在垂直于裂纹扩展方向上的接触力积聚现象显著且力的方向指向外侧,即细观颗粒之间的相互作用力表现出了向垂直于裂纹扩展方向两侧扩展的趋势,与张拉裂纹的细观表现相吻合;压裂过程中模型由内到外大致可以分为压裂区、扰动区和未扰动区三种区域,在压裂区与扰动区内颗粒的速度与位移均垂直于裂纹的扩展方向指向外侧,距离中心越远,其值越小。(3)定向缝无论是在平行于最大主应力还是垂直于最大主应力时,裂纹的直径随水压力的增大而增长,岩体颗粒间粘结破坏数量也随水压力的增大而增多;裂纹的扩展直径随围压比的增大而减小,岩体颗粒间粘结的破坏数量随围压比的增大而减小;定向预裂缝在垂直于最大主应力时的裂纹扩展直径略小于平行于最大主应力时的扩展直径。定向预裂缝斜交于最大主应力时,裂纹沿定向预裂缝的导向方向扩展,随交角的增大,裂纹长度减小。即在不同的应力场下定向预裂缝对水力压裂裂纹的扩展均具有有效的导向作用。(4)软弱岩层对裂纹的扩展方向没有明显的影响,对裂纹扩展速度影响显著,裂纹在软弱岩体中的扩展速率要高于其在坚硬岩体中的扩展速率,裂纹在软弱岩体强度很低的情况下容易出现分叉现象。软弱薄夹层的粘结强度和倾角都对裂纹扩展产生影响,粘结强度越大,对裂纹扩展的影响越小,裂纹扩展越对称、越平直;倾角越大,对裂纹扩展的影响越小,裂纹越容易穿过薄夹层,裂纹扩展越对称、越平直。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD327.2
【图文】：

几何形态,切割工具,预裂缝

al图 1-2 预裂缝切割工具Figure 1-2 Pre-crack cuttingtool性和裂缝扩展的复杂性，增加了定向水力人为地控制裂缝在地层中的扩展方式，这阶段，但可以通过控制预制裂缝长度、宽扩展规律。本文主要运用数值模拟软件素及其规律，主要包括：纹扩展的影响规律裂的必要条件，岩石起裂扩展的条件是初界应力，而拉应力的大小受初始裂缝的几程度同初始裂缝的几何形态具有一定的割缝对裂纹扩展的影响规律，为确定最与应力演化规律

示意图,模型,示意图,接触模型

图 2-2 PFC2D 模型示意图Figure 2-2 Schematic diagram of the PFC2D model颗粒流的接触模型粒流程序中的任何一个颗粒都被简化为理想的刚体，颗粒的自身，不过在相邻的颗粒之间是可以存在接触的。材料中介质间的本拟的关键所在，这种关系在 PFC 中表现为颗粒之间的接触行为邻的颗粒之间的接触关系可以通过接触模型来进行调控。在 PF出了 10 类内置的接触模型，其中使用最为广泛的有三种，即线earModel）、接触黏结模型（LinearContactBondModel）和平行r Parallel Bond）。1）线性接触模型性接触模型是由 Cundall 和 Strack[69]在离散元的理论基础上首先型主要用于表征散体材料之间的相互作用与力学行为的。模型（以概化为由线性元件与阻尼元件两种物理力学元件组合而成的元件是一个包含有法向刚度（）及切向刚度（）的弹簧，并

示意图,域模型,示意图

图 2-6 PFC2D 中“管域模型”示意图Figure 2-6 schematic diagram of "pipe & domain model" in PFC2D当岩土体的孔隙率很小时，在相邻颗粒接触位置都分布有流体的流动管型中所有的流体管道共同构成了流体网络。不同岩土体中“管道”的初始孔不相同，主要是受材料的渗透系数所影响。如果颗粒之间没有粘结，那么“”的孔径是与颗粒的正向位移成正比的关系，如果颗粒之间有粘结并且粘结产生破坏，那么“管道”的孔径不发生变化；当颗粒间的粘结破坏以后，孔大小便遵循前文中所提到的与正向位移之间的关系。在 PFC 中，正是由于“管域模型”的存在，能够保证随着计算的进行使流体压力转化为等效的体作用在周围颗粒之上，从而保证了渗流现象的实现。如果岩土体的孔隙率较高，在PFC模型中颗粒之间便会存在一定量的间隙以直接的将这些间隙视为真正存在的流体通道，同样可以运用上述的“管域”。不过在这种情况下便很难确定每个“管道”的渗透系数，可以事先假设渗透系数，然后再对这种具有大量的“管道”构成的模型进行专门针对渗透小的模拟试验，不断的在程序里调整模型中“管道”的渗透系数，直到模型

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