煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究

发布时间：2019-07-17 12:02

【摘要】：为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了"施加三向应力顶部注水"的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明:压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σH垂向应力σv最小水平主应力σh,水力压裂裂缝沿着垂直于σh的方向扩展。σv和σh一定,随着σH的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σH远大于σv和σh时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。
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图片说明：述研究成果可以看出，关于煤岩水力压裂的研究多集中于理论分析、数值模拟或现场施工，但限于理论研究的局限性、数值模拟设定的条件与实际煤岩存在差异，导致对水力压裂裂缝扩展规律以及压裂液与煤岩体间耦合作用机理研究还不够完善。因此，笔者运用自主研发的真三轴水力压裂实验系统，以型煤作为压裂试样，开展了水力压裂实验，重点分析泵压曲线、观察剖开试样，研究了真三轴作用下煤岩起裂压力及水力压裂裂缝扩展机制，研究结果补充和完善了煤岩体水力压裂理论。1水力压裂实验1.1水力压裂实验装置应力加载装置如图1a所示，由压裂主框架、千斤顶、应力传力板等装置构成，应力可单独分级加载。当按照实验方案加载三向应力时，应力可通过应力传力板均匀地传送至试样表面；待应力加载完成5min后，打开泵源装置(图1b)，泵注压裂液开始水力压裂模拟试验。泵注压力通过与泵源装置连接的水压传感器传输至多通道采集卡，通过Truetriaxialtestaid软件实时显示和储存。图1水力压裂实验系统Fig.1Experimentsystemforhydraulicfracturing1.2实验方案通过水力压裂实验，重点分析了泵注排量、三向应力对起裂压力、水力压裂裂缝扩展影响规律。
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图片说明： ·86·煤田地质与勘探第45卷实验方案及参数设置如表1所示。其中X为左右方向，加载最大主应力σH；Y为前后方向，加载最小主应力σh；Z为上下方向，加载垂向应力σv(图2)。表1水力压裂模拟实验参数Table1Testingparametersforhydraulicfracturingsimulation实验方案应力/MPa流量/(mL·s-1)σHσvσhΔσ方案11.501.250.750.753.2方案21.501.250.750.754.0方案31.751.250.751.003.2方案42.001.250.751.253.2方案52.251.250.751.503.2注：主应力差Δσ=σH σh图2压裂试样及应力加载示意图Fig.2Sketchofsamplesandstressloading1.3试样制备在制备压裂试样之前，，选用水泥、石膏、煤粉制作成不同规格的型煤，通过测定不同配比型煤的力学性能，选定合适的配比使型煤的力学性能与原煤最为接近。选定的5组试样材料配比分别为：A组，水泥:石膏:煤粉:水=1:1:1:2；B组，水泥:石膏:煤粉:水=1:1:1.5:2；C组，水泥:石膏:煤粉:水=1.5:1:1:2；D组，水泥:石膏:煤粉:水=1:2:1:2；E组，水泥:石膏:煤粉:水=2:1:1:2。每组各制备3个样品。利用日本AGI250电子精密材料实验机装置，采取自由落体法、贴“T”形应变片，测定不同配比型煤的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、坚固性系数，测试结果见表2。通过对比型煤与原煤的力学参数，结合相似模型模拟矿井所在煤层受力状况及实验加载要求，选定E组配比样进行水力压裂实验。1.4实验流程①按照配比水泥:石膏:煤粉:水=2:1:1:2，利用专用模具成型试件，成型尺寸为200mm×200mm×200mm的立方体试样(图3)。2d后脱模，养护28d后，准备水力压裂实验。②运用砂轮打磨试件端面，使端面的平整度符合实验要求，然后运用酒精、棉花球等清理压裂孔。③待压裂
【作者单位】：河南理工大学能源科学与工程学院;河南能源化工集团研究院有限公司;中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室;
【基金】：河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A440320) 2014年度安全生产重大事故防治关键技术重点科技项目(Henan-066-2013AQ) 2015年安全生产重大事故防治关键技术重点科技项目(Henan-0007-2015AQ)~~
【分类号】：TE377

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