应力变化对煤体损伤影响下的水力压裂规律研究

作     者：杨育涛 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡胜勇

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：应力变化 下伏煤层 水力压裂 损伤因子 压裂参数 

摘      要：煤层气抽采可以有效提高能源利用率并减少温室气体的排放,水力压裂是煤层气抽采的重要手段。煤层采掘后,下伏煤层经历了应力集中、开采卸压、应力集中后恢复等复杂应力变化,随之产生不同程度的扰动及损伤,煤体水力压裂规律发生改变,进而影响地面钻井煤层气抽采效果,因此有必要研究应力变化对煤体损伤影响下的水力压裂规律。本文通过物理试验、理论分析和现场工业性试验相结合的方法,研究了应力变化对煤体损伤影响下的水力压裂规律,提出了表征煤体损伤程度的损伤因子,建立了应力变化条件下煤体水力裂缝扩展模型,进一步对不同应力扰动区水力压裂工艺及参数进行优化。主要研究成果如下:使用自主研发的真三轴煤岩体水力压裂试验系统,开展了单轴加载、单轴卸载、单轴加卸载和双轴加卸载下水力压裂规律试验,结果表明:应力变化会对煤体造成一定程度的压实或损伤,水力裂缝破裂压力越低,表明煤体内部损伤程度越大。随着煤体损伤程度的提高,主裂缝与最大主应力方向夹角减小,裂缝扩展形成的椭圆长轴与短轴之比a/b增大。单轴加载与单轴卸载条件下水力压裂试验时,水力压裂过程表现出周期性变化特点,具体表现出“高水压下的破裂—水逐渐填充裂缝、水压力逐渐升高—高水压下再次破裂的规律。煤体破裂压力与加载、卸载应力大小密切相关,应力加载至14MPa时,破裂压力为20.2MPa,应力加载至18MPa时,破裂压力为24.8MPa,即加载应力越大,水力裂缝破裂压力越大,煤体压实程度越高;应力卸载条件下水力压裂试验结果显示,应力卸载量越大,水力裂缝破裂压力越小,煤体损伤程度越高。单轴应力加卸载条件下煤体水力压裂时,加载应力为16MPa、18MPa煤体会出现较大的应变,卸载过程应变和损伤的展开非常微小,表明试块加卸载后保持在应力压实状态,破裂压力升高;加载应力为12MPa、14MPa时,卸载时应变较大、损伤展开更充分,较应力未变化时破裂压力降低,有利于水力裂缝的扩展。结合双轴加卸载条件下煤体水力压裂结果可知,应力加卸载对煤体损伤分为两种情况,即加载应力较小煤体处于应力损伤状态,破裂压力降低;加载应力较大煤体处于应力压实状态,破裂压力升高。提出了表征煤体应力加卸载条件下损伤程度的损伤因子,得出了损伤因子在不同范围内表示的意义:当损伤因子T(27)0.1时,试块处于应力压实状态,破裂压力升高;当T(29)0.1时,随着损伤因子逐渐增大,表明煤体损伤程度提高,破裂压力降低。煤体损伤因子大小与破裂压力成反比,与主裂缝和最大主应力夹角成反比。进一步研究了水力压裂裂缝破裂压力、优势扩展角和扩展空间路径与损伤因子的关系,提出了应力变化条件下煤体水力裂缝扩展模型。通过分析地面水平井井身结构和钻井轨迹,结合针对采空区下伏煤层水力压裂规律的研究,对不同应力扰动区水力压裂工艺及参数进行优化,通过对比分析优化前后煤层气抽采效果,验证优化方案的可行性。水力压裂工艺及参数优化后,每日瓦斯抽采量提升至3690m,比未优化钻井平均提升了26.23%。优化后提高了钻井瓦斯抽采量的同时还有效控制了压裂规模,保障了钻井的长期有效稳定抽采。