煤岩复合体水力压裂裂缝跨界扩展影响因素研究
作者单位：河南理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：李波;任培良
授予年度：2022年
学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学]
摘 要：水力压裂缝网改造技术是煤层气储层资源安全高效开采和矿井瓦斯灾害防治的重要措施。但是对于低渗碎软煤层在煤层中直接进行水力压裂效果并不理想。基于此,本文在前人对煤岩体水力压裂研究的基础之上,研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝在煤岩交界面及附近扩展规律。为研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝在煤岩交界面及附近扩展的影响因素,通过实验室试验、数值模拟仿真和理论解析结合的方式,研究了煤岩复合体水力压裂裂缝跨界扩展的影响控制因素,开展了大尺寸真三轴煤岩复合体水力压裂试验;提出了一种模拟煤岩体水力压裂缝网的内聚力单元孔压节点合并方法,分析了不同压裂方式、应力场、煤层层理等特征对煤岩复合体水力压裂水压裂缝在交界面附近扩展的影响作用。研究结果表明:(1)裂缝在岩层中起裂到达煤岩交界面后压裂液会先在交界面中进行憋压并沿交界面扩展,如下情况下裂缝会穿越交界面并在煤层中扩展:压裂液在煤岩交界面中进行憋压当压裂压力达到煤体破裂准则时煤层会产生裂缝,此类裂缝一般不发生偏转:若煤层存在天然缺陷弱面,当压裂液在沿煤岩交界面扩展过程中在弱面处压力足以使弱面张开时,裂缝会在弱面处穿过交界面并沿弱面在煤层中产生裂缝:由于煤岩交界面并不平整交界面中存在大量突变点,突变点的存在使压裂液扩展到此处时容易出现应力集中,从而使此处达到煤层破裂准则最终使煤层中产生裂缝:同时由于交界面的突变点形状难以预测,水压裂缝在此处穿越煤岩交界面时极其容易产生偏移,此偏转方向与主应力大小关系不明显主要由突变处的形状决定,但是最终会受最大主应力影响回到主应力方向上。(2)真三轴模拟试验中采用三种压裂方式,在相同的主应力差条件下,从煤层中钻孔到岩层进行水力压裂的方式裂缝穿越交界面效果不理想;从煤层顶板钻取垂直钻孔压裂的方式水压裂缝更容易穿过煤岩交界面且在煤层中扩展;在煤层顶板钻取平行钻孔的进行水力压裂裂缝穿过交界面难度大于顶板垂直钻孔但穿越交界面后水压裂缝影响范围较大。(3)提出了一种用于模拟煤岩复合体缝网的内聚力单元法,建立了煤岩复合体水力压裂数值计算模型。数值模拟结果显示随着应力场梯度的增大,煤岩复合体的孔隙压力随之增大,裂缝向垂直于煤岩交界面的方向张开,主要原因是在裂缝扩展的过程中,水力压裂裂缝受到应力场的影响,从一条节理跨越到相邻节理,沿着煤岩复合体的应力薄弱面扩展,从而产生次级裂缝。随着煤层层理倾角的增大,在主裂缝的两侧分别形成了似椭圆的压应力集中区或X型的压应力集中带。在煤层层理倾角30°条件下,水力裂缝在煤岩交界面处扩展,另一条主裂缝穿过层理面并在层理处张开裂缝,在层理面出现明显的裂缝张开滑移。在煤层层理倾角60°条件下,主裂缝先沿着最大主应力方向,遇到层理后沿层理方向扩展,说明此层理条件下对裂缝扩展方向的控制作用强于地应力。(4)煤岩复合体水力压裂裂缝穿过交界面并在煤层中扩展存在阈值,主应力差、交界面强度对此阈值存在重要的影响,主应力差、煤岩交界面强度越大越有利于水力压裂裂缝跨界面扩展。水压裂缝在上覆岩层中起裂并沿着最大主应力方向扩展,随着主应力差的逐渐增大,水力压裂裂缝受应力场的控制作用越来越显著。当主应力差相同,煤岩交界面强度较小时,裂缝会沿着煤层上表面向两侧扩展,无法达到煤层开裂条件:煤岩交界面强度较大时水压裂缝,会在煤岩交界面中扩展一定距离并完成憋压,当压力达到煤层开裂条件时水压裂缝穿越煤岩交界面并诱导煤层起裂扩展。特别的,当交界面强度很大超过煤层时由于煤岩交界面强度大破裂所需破裂压力大于煤层,所以基本上不在煤岩交界面中扩展,裂缝直接穿越交界面并在煤层中扩展。相同应力条件下交界面强度越大在煤层中扩展的长度越长,同时界面强度越大,水压裂缝在煤层中的缝宽越宽。在主应力差相同时,煤岩交界面强度越大越容易形成水压聚集达到煤层破裂扩展的阈值,界面强度越大越有利于水力压裂裂缝穿越煤岩交界面后在煤层中扩展,同时界面强度不变主应力差越大越有利于水力压裂裂缝跨界面扩展。图44幅,表3个,参考文献68篇。
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