基于真三轴物理模拟实验的裂缝扩展规律研究

为了研究不同起裂方式下水力裂缝三维扩展特征,采用真三轴水力压裂物理模拟试验机,开展定向压裂与钻孔压裂试验,结果表明：定向压裂裂纹从预制裂纹尖端起裂,向中间主应力方向转向,裂纹呈双翼弯曲形态,其整体仍平行于最大主应力方向。钻孔压裂裂纹在钻孔轴向对称位置起裂,呈椭圆形自相似扩展特征,裂纹倾向垂直于最小主应力。裂纹最终扩展方位不受起裂方式主导,而是由地应力场决定。水力压裂过程呈现憋压起裂和稳压扩展两个典型阶段。憋压起裂阶段,泵压急剧上升达到破裂压力后又迅速跌落,声发射能量骤增且波动剧烈。稳压扩展阶段,泵压曲线呈锯齿状波动发展并趋于平稳, 声发射能量水平相对较低。研究结论可为煤矿坚硬顶板压裂施工提供参考。     

煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验

为揭示煤矿基本顶细砂岩定向水力压裂裂缝起裂、扩展规律,在煤矿井下原位获取并加工成300 mm×300 mm×300 mm大尺寸细砂岩,在试样正中布置直径26 mm的压裂孔,采用专用切槽钻头垂直钻孔轴向预制长12 mm的三维楔形横槽,开展大型真三轴定向水力压裂试验与高能工业CT扫描,研究了原生层理方向与水平应力差大小对水力裂缝起裂压力、扩展形态、水压-时间曲线、压裂体积的影响规律,并引入定向偏转距概念(预制切槽处裂缝沿其方向定向扩展不发生偏转的距离)来表征定向压裂效果。试验结果表明:预制横向切槽可驱使其附近裂缝沿着切槽定向起裂、扩展,裂缝形态分为单一横切型和复杂"H"型;水压-时间曲线根据裂纹扩展阶段的不同,分为平缓式波动型和断崖式跌落型。水平应力差对切槽处的裂缝定向偏转距影响程度大于层理方向。高水平应力差作用下切槽尖端应力集中程度更高,穿越层理面能力更强,裂缝从切槽尖端起裂后与层理交汇后不发生偏转,切槽定向效果较好;而低水平应力差作用下裂缝扩展时遇到层理易发生转向,切槽定向效果差。高水平应力差作用下裂缝定向偏转距为低水平应力差作用下的10倍,前者切槽可定向裂缝扩展至试样边界,后者切槽仅可控制其附近裂缝扩展方向,之后逐渐偏转至与最大水平主应力方向平行。层理平行切槽时,裂缝平均起裂压力、压裂体积是垂直切槽时的1. 7倍;高水平应力差作用下裂缝平均起裂压力、压裂体积是低水平应力差作用下的1. 3倍。层理效应在低水平应力差作用下明显,当切槽与层理方向一致时,切槽附近层理最易被激活并沿切槽定向扩展,裂缝宽度与形态复杂多样,反之,较难被激活,裂缝形态单一;而高水平应力差作用下不同方向的层理均能被激活,裂缝扩展充分,形成形态复杂多样的缝网。     

煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律,开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验,通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明：水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力,当最大水平主应力与最大垂直应力接近时,裂缝沿应力的合力方向扩展;应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展,且穿层后的扩展距离增大,而对初始起裂压力和时间的影响较小;裂缝由岩层扩展进入煤层后,压裂压力会出现骤降与二次抬升,多数声发射事件位于煤层;若穿层失败,压力表现为持续波动。此外,在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管,注水起裂点设在岩层中起裂难度较低,且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整,为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。     

煤岩水力裂缝扩展规律试验研究

采用大尺寸（300 mm×300 mm×300 mm）真三轴试验系统,研究了地应力、天然割理裂缝、隔层及界面性质对沁水盆地高煤阶煤岩的水力裂缝扩展行为及形态的影响。结果表明：受天然割理、裂缝影响,煤岩压裂施工压力高,波动频繁,水力裂缝扩展不稳定,形态复杂。当水平主应力差较小时,水力裂缝在多个方向起裂,延伸产生多裂缝,主要沿天然割理、裂缝方向随机扩展;随着水平主应力差的增加,水力裂缝会主要沿垂直最小水平主应力方向扩展,形态相对单一。单纯的煤层与隔层之间的物性差异（弹性模量等）对水力裂缝穿入隔层扩展的抑制作用并不显著,隔层上的垂向压应力和界面性质是决定水力裂缝能否穿层的主要因素。垂向应力小,界面胶结强度低时,摩擦因数小,水力裂缝在界面上易产生横向滑移,难以穿入隔层扩展;垂向应力大,界面胶结强度高时,摩擦因数大,水力裂缝将穿越界面进入隔层扩展。     

流量对花岗岩水力压裂起裂压力的影响

为了研究压裂液注入速度对水力压裂起裂压力的影响,采用大尺寸真三轴试验机进行了鲁灰花岗岩三轴应力状态下在注入流量分别为2 mL/min和20 mL/min时的水力压裂试验。结果表明:裂隙的起裂及扩展方向与最小主应力作用方向相垂直;注入流量越大,试样的破裂压力越大;采用水力压裂测量地应力时应考虑注入流量的影响。裂缝的延伸方向与3个主应力的作用方向有关;在不考虑试件内部原生裂隙的条件下,泵注流量越大,试件的起裂压力越小。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。     

储层射孔压裂裂缝起裂与扩展的数值分析

掌握储层水力压裂裂缝的起裂与扩展规律对非常规油气资源开采和提高采收率至关重要。采用水泥砂浆模拟天然页岩,获得了与页岩基本力学参数和断裂韧性一致的相似材料。运用FRANC3D和ANSYS,模拟分析了不同水平应力比和射孔布置方式对水力压裂起裂和扩展的影响。研究表明:利用FRANC3D+ANSYS可以较好地模拟射孔压裂裂缝的起裂和三维空间中的扩展行为。射孔压裂裂缝的起裂压力随水平应力比的增大而减小。射孔方向与最大水平主应力方向一致时起裂压力较小,射孔方向与最大水平主应力成夹角时,裂缝扩展面扭转并趋向于平行最大水平主应力方向。相对于射孔对称排布和交错排布,射孔线性排布时的起裂压力较小。     

坚硬顶板高压水力切顶技术的切顶角度力学机制分析

为探究顶板的垮落倾角与水力钻孔角度对切顶卸压作用的力学机制,根据“砌体梁”关键块理论对切顶破断结构进行了力学分析,提出了基于关键块结构的“砌体梁”径向力模型与轴向力模型并进行了理论解析。运用COMSOL数值模拟软件,分析了不同角度下水力切顶钻孔的最大主应力分布特征。结果表明：切落顶板所受径向力会随垮落倾角的增加而上升,导致切顶后难以充分卸压。切落顶板所受轴向力随倾角的增加而逐渐降低,致使顶板更容易发生垮落。当水力切顶的角度小于45°时,垂直地应力对钻孔中部的压缩作用明显,对水力压裂起抑制作用。当切顶钻孔角度大于60°时,钻孔整体承受拉应力,有利于水力裂缝的扩展。     

岩体水力定向压裂技术的研究

水力压裂是高效破岩技术之一,在煤岩层增透、卸压控制等方向应用较多。但是,目前煤岩体定向压裂控制方向的研究相对较少。为突破常规煤岩体压裂限制,本文研究水力破岩压裂技术的可控性及适用性。为分析水力压裂的定向控制性,开展了理论和数值分析,理论分析和数值分析结果相一致,在λ<1时,起裂、扩展压力随λ增加而增加,在λ>1时起裂压力、扩展压力随λ增加而减小,主裂纹沿最大主应力方向扩展;在近似等围压条件,定向控制裂纹可以引导和控制破岩主裂纹的扩展,且定向控制裂纹与最大主应力的方位角越小,定向控制裂纹对主裂纹引导作用越明显。基于理论和数值分析结果,可知水力定向压裂技术具有较好的应用价值。     

低渗透岩石水力压力裂纹扩展的CT扫描

针对深部低渗透储集层水力压裂裂缝扩展问题,利用现场采集的深部低渗透岩芯样本开展了水力压裂模型试验,利用CT扫描技术和自行开发的三维重构算法,提取并分析了三轴应力和水压力作用下,低渗透岩石水力压裂裂纹的扩展与空间展布规律,探讨了不同岩性、地层应力对裂纹扩展与空间形态的影响。研究表明：岩性、水平应力比对裂纹起裂压力以及裂纹形态有显著的影响。起裂压力均比围压应力大;在最小水平应力相近的情况下,初始应力比越大,裂纹扩展越明显,起裂压力越小;岩石破裂时出现了一条与最大水平应力平行的主裂纹,伴随着明显的中断、扭曲和分叉现象。     

地应力及原生裂隙对水力压裂起裂方向和起裂压力的影响

在理论计算水力压裂起裂压力和起裂方向的基础上,利用应力-渗流耦合数值模拟方法,研究了地应力和原生裂隙对水力压裂过程中裂纹起裂和扩展的影响,得出了起裂压力和扩展压力随侧压系数的变化趋势;对比分析了不含预制裂纹和含预制裂纹压裂模型的起裂压力和方向;探讨了含裂纹模型起裂转向的临界应力条件;最后,通过应力分析阐述了地应力和原生裂隙对水力压裂起裂的影响机理。     

沿空留巷水力压裂切顶卸压技术试验研究

为有效维护3109工作面沿空留巷墙体和回采巷道后期的稳定性,设计采用水力切顶方法卸载.设在工作面前方超前应力影响范围外沿煤壁侧布置压裂钻孔,钻孔直径56 mm,仰角为50°,孔间距为10 m,钻孔长度为42 m.现场工业试验结果表明,开槽段裂纹扩展划分为起裂准备、裂纹扩展、止裂三个阶段;水力切顶工艺减小了顶板悬梁的跨距...     

穿层钻孔水力压裂裂缝平面起裂扩展方向的力学分析及应用

低渗透煤层井下水力压裂过程中存在着诸多因素的影响,使得穿层钻孔起裂扩展方向难以确定。在考虑煤岩层物理力学性质及地应力等因素的情况下,通过理论推导并结合数值模拟手段,对钻孔周围的应力状态进行了分析,结果表明:钻孔的起裂扩展方向与y方向应力、x方向应力的比值k有关,当k1时,裂缝在x方向上起裂;当k=1时,裂缝的起裂会失去方向性;当k1时,裂缝在y方向上起裂。研究结果可为煤矿井下压裂孔的布置提供理论指导。     

煤岩体定向圆形孔楔形切槽水力压裂起裂分析研究

为了研究煤矿井下水力压裂初始裂纹起裂条件和起裂方向,在线弹性断裂力学的基础上,建立了圆形孔楔形切槽水力压裂断裂力学模型,模型切槽长度与钻孔直径接近,综合计算分析了水力压裂裂纹尖端应力强度因子。根据切槽尖端应力强度因子,运用复合型裂纹脆性断裂的最大环向拉应力理论,分析了裂纹在地应力场以及高压水下的起裂条件和起裂方向,给出了相应的计算方法。结合古书院矿15号煤的岩石力学参数和地应力场数据,计算出裂纹起裂压力17.6MPa,起裂角度12.8°。并且在古书院矿153303工作面进行了现场工业性实验,现场实际起裂压力与理论计算结果比较接近,从而验证了理论分析的可行性。     

王峰煤矿3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究

针对王峰煤矿3^#煤层瓦斯含量高、煤层碎软的特点,开展了王峰煤矿顶板定向长钻孔水力压裂裂缝发育规律研究,利用FLAC^3D数值模拟分析了顶板水力压裂裂缝扩展演化特征,讨论了压裂孔直径和压裂压力对裂缝发育的影响规律。研究得出:当压裂压力为5~8 MPa时,裂缝首先在水平方向产生,垂直方向上均未产生裂隙;当压裂压力大于10 MPa时,随着压裂压力的增大,裂缝在竖直方向逐渐延伸,且裂缝宽度沿水平方向逐渐扩展;裂缝延伸方向主要沿最大主应力方向,在最大主应力方向上裂缝扩展的增长速度与压裂压力基本呈正相关。相同压裂压力条件下,压裂孔孔径越大,塑性区扩展长度越大,裂缝扩展越大;当压裂压力大于10 MPa后,垂直方向上的裂缝扩展速率大于水平方向,裂缝沿最大主应力方向扩展速度最快。综合得出,王峰煤矿3^#煤的顶板水力压裂的钻孔直径为φ120 mm,压裂压力为10 MPa,可有效地指导工程实践。     

基于不同应力的水力裂缝形态试验研究

为了研究压裂后的水力裂缝形态,以相似材料成型的试件为压裂对象,利用水力压裂装置,开展了不同应力条件下的水力压裂试验。研究结果表明:二维应力条件下,水力压裂形成单一裂缝的概率大于复杂裂缝的概率;裂缝形态的复杂性与试验应力有关,当三向应力(最大水平主应力、垂直应力、最小水平主应力)的值相差较大时,容易形成单一裂缝形态;当三向应力中有2个值相近,且均与第3个应力相差较大,则容易形成复杂裂缝形态;复杂裂缝形态中的分支缝与最大水平主应力存在不同的夹角,但均沿平行于最大水平主应力的方向扩展;在同一应力条件下,不同试件压裂产生的裂缝形态也不尽相同,与试件的均质性、压裂液的流动路径、破裂面的特征有关。     

煤岩体水力压裂动态演化物理模拟试验研究

为了掌握煤体水力压裂过程中压裂孔附近应力场、水压力场的时空演化规律,利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统进行试验研究。试验结果表明:水力压裂全过程可以分为4个阶段,分别为应力积累阶段、微破裂发育阶段、裂缝失稳扩展阶段、破裂后阶段;在水力压裂过程中压裂孔径向应力会发生显著变化,而平行于压裂孔方向的应力变化不明显,且在裂缝扩展范围内距离压裂段越远的位置发生应力升高的时间越晚;水力压裂过程中水压力场的演化与裂缝的发育、扩展有着密切的联系,水压力等值线更倾向于沿着裂缝扩展的方向发展,且水压力等值线沿最大主应力方向的扩展速度明显大于沿中间主应力和最小主应力方向的扩展速度,表明水力压裂裂缝主要沿最大主应力方向扩展。     

岩体水力定向压裂技术研究

水力压裂是高效破岩技术之一,在煤岩层增透、卸压控制等方向应用较多。但是,目前就煤岩体定向压裂控制方向的研究相对较少。为突破常规煤岩体压裂限制,本文研究水力破岩压裂技术的可控性及适用性。为分析水力压裂的定向控制性,开展了理论和数值分析。结果表明,在λ1时,起裂、扩展压力随λ增加而增加,在λ1时起裂压力、扩展压力随λ增加而减小,主裂纹沿最大主应力方向扩展;在近似等围压条件下,定向控制裂纹可以引导和控制破岩主裂纹的扩展,且定向控制裂纹与最大主应力的方位角越小,定向控制裂纹对主裂纹引导作用越明显。基于理论和数值分析结果,可知水力定向压裂技术具有较好的应用价值。     

真三轴作用下煤岩水力压裂模拟试验研究

为了研究煤储层中水力压裂产生的裂缝扩展延伸机理,借助大尺寸的真三轴试验设备,以相似材料成型的试件为研究对象,进行了水力压裂模拟试验。试验结果表明:水力压裂裂缝总的扩展方向为最大、最小主应力合力的矢量方向,即沿着力最大的方向扩展。天然裂缝的存在会影响水力压裂裂缝的扩展路径,部分裂缝穿过天然裂缝弱面继续沿着最大主应力方向扩展、部分裂缝扩展至天然裂缝面尖端后继续沿着最大主应力方向扩展、部分裂缝在天然裂缝面之前发生分层、转向。