泵流量对纵向切槽水力压裂裂缝偏转距的影响规律研究

发布时间：2020-09-10 13:19

　　纵向切槽水力压裂作为一项重要的动压巷道定向切顶卸压技术,其核心是控制裂缝的开裂以及扩展方向,然而裂缝在扩展过程中往往受最大主应力的影响而发生偏转,为了对纵向切槽水力压裂裂缝的偏转规律有更深入的认识,进而连续有效切割顶板,更好的实现动压巷道切顶卸压,本文以相似模拟试验与数值模拟为主要研究手段,基于纵向切槽钻头,对不同水平应力比、不同切槽角度以及不同泵流量条件下的纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律展开系统研究,并重点对不同水平应力比条件下泵流量对纵向切槽水力压裂裂缝偏转距的影响规律进行了深入研究。本文得到的主要成果如下:(1)在300mm×300mm×300mm预制水泥砂浆试块进行预留钻孔纵向切槽的基础上,进行了大尺寸真三轴水力压裂试验,在应力比σ_v:σ_h:σ_H=10:6:9条件下,裂缝沿着切槽位置起裂,在扩展过程中逐渐向最大主应力方向偏转,裂缝呈S型非对称形态,裂缝形态较为单一,无复杂微裂隙;泵流量由0.5ml/s增加到1.0ml/s再增加到1.5ml/s过程中,裂缝偏转距由131mm增加到203mm再增加到237mm,先后增加了54.9%和16.7%,共增加了80.9%;随着泵流量增加,裂缝偏转距不断增大,增长幅度较大;(2)在应力比σ_v:σ_h:σ_H=10:6:12条件下,裂缝沿切槽位置起裂,快速转向最大主应力方向扩展,裂缝呈S型非对称形态,裂缝形态较为单一;泵流量由1.0ml/s增加到1.5ml/s,裂缝偏转距由62mm增加到81mm,增加了30.6%,泵流量由1.5ml/s增加到5.0ml/s,裂缝偏转距由81mm增加到136mm,增加了67.9%,相较于水平应力比为1.5的条件下,各组泵流量水力压裂裂缝偏转距明显减小,然而随着泵流量增加,裂缝偏转距逐渐增大,且仍有较大的增长幅度;(3)通过建立与真三轴水力压裂物理试验相似的纵向切槽水力压裂扩展有限元二维模型,对水平应力比1.5和2.0条件下各两组物理试验过程进行了模拟,并将数值模拟结果与相应的物理试验结果进行了对比分析,对比结果表明,数值模拟结果与物理试验结果基本吻合,数值模型具有较高的可靠性;(4)建立了60m×60m大尺寸纵向切槽水力压裂扩展有限元二维模型,参照煤矿顶板砂岩一般力学性质,进行了模型参数设置,并将垂直主应力σ_v与最小水平主应力σ_h分别设置为10MPa和6MPa,通过改变最大水平主应力大小,实现不同水平应力比模拟,通过调整初始裂缝角度以及泵流量定义值,实现不同切槽角度以及不同泵流量模拟,从而为不同条件下纵向切槽水力压裂过程模拟提供了有效手段;(5)在切槽角度为60°,泵流量为90 L/min条件下,对5种不同水平应力比条件下水力压裂过程进行了模拟分析,模拟结果表明,随着水平应力比增高,裂缝偏转距呈减小趋势,水平应力比由1.5增加到2.0再增加到2.5,裂缝偏转距由4.05m减小到1.81m,再减小到0.78m,共减小了80.7%,偏转距随水平应力比变化幅度较大;水平应力比由2.5增加到3.5,裂缝偏转距由0.78m减小到0.46m,减小了41%,偏转距随水平应力比变化幅度仍较大;(6)在水平应力比为1.5,泵流量为90 L/min条件下,对3种不同切槽角度条件下水力压裂过程进行了模拟分析,模拟结果表明,切槽角度对裂缝扩展路径影响很大,随着切槽角度增加,裂缝偏转曲线曲率半径不断减小,然而切槽角度由30°增加到45°再增加到60°过程中,偏转距变化幅度较小,施工设计过程中,应根据实际条件与需要,选取合适切槽角度;(7)在水平应力比为1.5,切槽角度为60°条件下,对6种不同泵流量条件下水力压裂过程进行了模拟分析,结果表明,随着泵流量增大,裂缝偏转情况得到有效减弱,偏转曲线曲率不断减小,偏转距不断增大,泵流量由30L/min增加到120L/min过程中,共增加1.37m,有较大的偏转距增长幅度,目前常用注水泵流量为90L/min,其裂缝偏转距为4.05m;(8)随着泵流量增加,裂缝扩展半径、f点处开裂压力以及裂缝宽度均不断增大,其中f点开裂压力不断增高表明,大流量的冲击作用会对扩展过程中的裂缝开裂压力产生影响。(9)在水平应力比为2.0,切槽角度为60°条件下,对6种不同泵流量条件下水力压裂过程进行了模拟分析,结果表明,随着泵流量增大,裂缝偏转路径趋缓,裂缝偏转距逐渐增大,增长速度呈先增高再降低趋势,泵流量由90L/min增加到150L/min,共增加0.67m,目前常用注水泵流量为90L/min,其裂缝偏转距为1.81m;(10)在水平应力比为2.5,切槽角度为60°条件下,对6种不同泵流量条件下水力压裂过程进行了模拟分析,结果表明,不同泵流量条件下裂缝的扩展路径无较大差异,裂缝偏转距保持在0.75m左右,无较大变化。
【学位单位】：煤炭科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD353
【部分图文】：

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图 1.1 定向射孔示意图Fig.1.1 Diagram of directional perforation4]等对水力压裂过程进行了力学分析，总结出了轴向、，如图 1.2。a）环形槽（b）控制孔（c）轴向图 1.2 定向水力压裂裂缝导控方法示意图 Schematic diagram of directional fracturing fracture guidance和分析这三种方法的导控效果，采用 RFPA2 D-Flow

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（a）环形槽（b）控制孔（c）轴向槽图 1.2 定向水力压裂裂缝导控方法示意图Fig.1.2 Schematic diagram of directional fracturing fracture guidance method为了比较和分析这三种方法的导控效果，采用 RFPA2 D-Flow 软件模拟了三种模式下的水力压裂过程。根据声发射及剪应力分布情况，对包括常规压裂在内的 4 种方式的破裂压力与微裂压力进行了研究，数值模拟结果如图 1.3。研究结果表明：三者均可达到定向需要，可控制裂纹的发展方向，并可降低开裂压力和微裂纹压力。三种导向和控制方法各有优势，轴向楔形槽导向和控制在径向裂纹扩展控制中更好。环形楔形槽导向效果在轴向点发散裂纹扩展方面较好。控制孔的控制可以实现径向裂纹扩展控制，但工程量大。

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（c）定向孔（d）轴向槽图 1.3 四种压裂方式过程的剪应力分布Fig.1.3 Shear stress distribution in four fracturing processes 定向射孔水力压裂裂缝扩展规律研究近年来，定向射孔水力压裂技术已广泛应用于油气井的开发利用。定向对水力压裂裂缝的扩展形态特征有很大影响。射孔方位角（射孔方向与地应力方向之间的夹角）和水平地应力差的大小都将会对裂纹起裂以及很大的影响[40-49]。Hubbert、Willis[50]等提出了纵向裂缝的开裂准则以及裂缝开裂压力与、岩石属性有关，与钻孔尺寸、岩石弹性参数以及垂直主应力无关，该场的水力压裂施工经验以及实验室的试验结果较为吻合。Abass 等[51]进行了尺寸为 150mm×150mm×250mm 的定向射孔水力压，研究了水力压裂水平井井筒起裂机制，认为定向射孔使得在水力压裂

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