水力压裂缝间扰动及裂缝扩展规律实验研究

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水力压裂是改造煤储层结构、提高煤层透气性、消突和防治冲击地压的重要手段。在地应力、施工参数等因素的影响下,水力压裂裂缝扩展方向难以控制,压裂区域可能出现卸压“盲区”,给煤矿井下开采带来安全隐患。如何获得水力压裂裂缝在煤层中的扩展规律,并利用其规律使得裂缝扩展方向可控,从而形成均匀复杂的裂缝网络是亟待解决的关键难题。因此,研究煤层水力压裂裂缝扩展和缝间扰动机制对提高水力压裂卸压增渗效果、促进瓦斯高效抽采具有重要意义。本文通过物理实验和数值模拟的方法,对水力压裂的裂缝扩展与裂缝间扰动规律展开研究。通过构建煤层水力压裂物理模型,分别考察双裂缝在同步扩展和顺序扩展情况下不同因素对其偏转方向的影响,结合有限元和离散元数值模拟对裂缝扩展的影响因素进行数值分析,揭示煤层水力裂缝缝间扰动及扩展控制机制。取得的主要成果如下:(1)分别构建了水力裂缝同步扩展和顺序扩展的物理实验模型,得到了缝间距、水平应力差和泵注排量等因素对水力裂缝起裂和扩展的影响机制。物理实验研究结果表明,多裂缝同步扩展情况下,在不同裂缝处压裂液排量分配不均,裂缝扩展程度不统一;顺序压裂情况下,诱导应力场难以改变高地应力差下的原始应力场,裂缝偏转角度降低,容易形成平行于最大主应力方向的裂缝,小的缝间距使得邻近裂缝处于高诱导应力区域,增加了应力干扰和裂缝偏转程度,泵注排量增大会使得裂缝内部静水压增大,裂缝偏转角度增大。(2)考虑了水力裂缝诱导应力和地应力的共同作用,建立了应力场-渗流场耦合作用下的缝间扰动理论模型,揭示了缝间应力干扰机制。有限元数值模拟结果表明,裂缝扩展会在缝周围形成应力集中区,处于应力集中区范围内的新生裂缝起裂压力会有所升高;相邻裂缝形成的卸压区能够相互影响、相互连通,有助于形成大范围的裂缝网络,提高压裂效果;不同因素对缝间扰动的影响程度不同,具体排序为“水平应力差>缝间距>泵注排量”,水平应力差越大,缝间扰动效应越弱。(3)采用离散元数值模拟软件对不同缝间距条件下煤体破裂后的裂缝走向进行统计了分析。结果表明:裂缝扩展形态受多个因素影响,缝间距过小时,起裂点附近缝间扰动现象严重,不同起裂点之间“窜缝”现象明显,合适的起裂点间距,既能形成较大的卸压区,又能保证裂缝在各个方向上的充分发育,起到相互引导形成裂缝网络的作用。基于物理实验和数值模拟数据分析得出的结论,以煤层长钻孔水力压裂为例,对不同情况下的水力压裂工艺进行了工程应用探讨,为煤层井下长钻孔水力压裂施工提供指导。
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