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。     

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。     

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。     

砂岩轴向预制裂缝的起裂和扩展规律试验研究

针对坚硬顶板难垮带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向压裂技术。采用300mm×300 mm×300 mm红砂岩试样,进行了真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同预制裂缝方位角对裂缝的起裂与扩展规律的影响。结果表明:不同预制裂缝方位角时,压裂裂缝均沿预制裂缝的尖端起裂,并形成单一裂缝。随着预制裂缝方位角的增大,起裂压力逐渐增大;达到相同偏转角时,裂缝延伸长度逐渐减小并在45°时取得最小值,45°之后,裂缝延伸长度先增大后减小。     

不同布孔方式下梳状定向长钻孔水力压裂数值模拟及工程应用

为了避免新疆焦煤集团2130煤矿定向长钻孔水力压裂的盲目性,准确掌握不同布孔方式下水力压裂裂隙延伸扩展规律,基于数值模拟方法对2130煤矿4号煤层埋深500 m水平开展梳状定向长钻孔水力压裂数值模拟,模拟结果表明钻孔布孔方式的不同对水力压裂起裂压力、起裂位置、破裂方式及裂隙延伸扩展规律有明显的影响,结合2130煤矿4号煤层实际赋存条件,优选最佳钻孔布孔方式及压裂参数应用于工程实践,取得了良好的压裂效果,相比于前期该水平沿煤层巷道走向布孔水力压裂措施,抽采浓度提高了2.7倍,抽采纯量提高了11.8倍。     

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。     

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。     

低透气性煤层的点式水力压裂增透试验研究

针对煤层透气性低,抽采效果不佳的问题,开展水力压裂增透试验。利用数值模拟软件模拟单孔和三孔孔压裂情况下的起裂压力和裂纹扩展规律。基于数值模拟研究结果,确定水力压裂现场试验工艺参数,利用点式水力压裂装置进行了压裂试验。压裂后试验结果表明:煤层的透气性系数、单孔抽采量、抽采浓度分别是压裂前的18.9倍、2倍和2倍。     

井下水力压裂煤层顶板应力监测及其演化规律

针对井下水力压裂过程中未考虑水头压力对煤层顶板地应力的影响,导致煤层顶底板容易被破坏的问题,以松藻矿区同华煤矿水力压裂为例,采用空心包体应力计监测压裂过程中顶板应变变化规律,根据岩石应力-应变关系及检测结果计算出压裂前后煤层顶板地应力增量的大小和方向,分析水力压裂水头压力对煤层顶板地应力的影响规律.结果表明:(1)煤岩体起裂时,顶板主应力增量达到最大值且与煤层起裂压力在数值上基本相等,以煤层起裂方向为基准,主应力的方位角与倾角均发生了相应的旋转;(2)煤层起裂后顶板主应力增量急剧减小,主应力方位角和倾角逐渐恢复至初始状态;(3)停止压裂后,顶板主应力较初始状态均有所增大,主应力方位角和倾角与初始状态基本一致,说明水力压裂能够改变煤层顶板应力状态.     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

应力旋转条件下水力压裂裂纹扩展规律研究

为探究地应力旋转对水力压裂钻孔裂纹扩展的影响,理论分析了不同应力轨迹下起裂角度的变化规律,采用相似模拟实验对不同应力角度下的起裂应力进行了分析,并运用数值模拟方法探究了应力旋转条件下的裂纹扩展规律。结果表明：随着应力轨迹的旋转,起裂角逐渐向煤层的走向方位偏转。水力钻孔与水平主应力的角度越大时,起裂压力会明显增加,同时裂纹扩展呈现“平台”特征,不利于水力裂纹的快速扩展。当应力无旋转时,水力裂纹沿最小主应力方向扩展。应力发生旋转,当应力差较小时,裂纹在尖端会发生破裂;当应力差较大时,初始水力裂纹的扩展被抑制,新衍生的水力裂纹会沿最小主应力方向扩展。     

定向射孔多孔同步压裂裂缝交互扩展规律研究

针对传统切顶卸压沿空留巷技术很难控制顶板变形垮落等问题，为了更好地掌握切顶卸压时顶板的裂缝扩展规律，提出定向射孔多孔同步压裂切顶卸压方案并进行试验研究。在传统压裂试验过程中，射孔间距、注液速率对裂缝扩展效果影响较大，通过结合真三轴压裂渗流模拟试验系统与声发射监测系统，对300mm的立方体砂岩试件进行模拟试验。结果表明：声发射监测的声发射(AE)事件分布图能很好地反映出试件压裂过程中每个阶段的裂缝扩展形态和裂缝扩展规律；裂缝长度、起裂压力和裂缝缝网面积随横向射孔间距的增大而增大，裂缝宽度随射孔间距的增大而减小；随着注液速率的增大，主裂缝产生的次生裂缝减小，裂缝偏移现象也减少，复杂的裂缝也变得单一；压裂初期，裂缝从各射孔端部起裂，随着压裂的进行，射孔端部的裂缝变得复杂，主裂缝会沿着射孔方向扩展，形成横向射孔之间的贯通缝，最终裂缝从试件表面中部起裂扩展延伸至两端。研究结果可为定向射孔切顶卸压设计与施工提供一定的参考依据。     

定向水力致裂坚硬顶板的数值模拟及现场实践

针对煤矿坚硬难垮落顶板控制中存在的问题,进行定向水力致裂数值模拟和工业性试验。通过数值模拟和对监测孔及泵站压力波动情况进行观察,分析了煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。研究结果表明:通过对围岩进行切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;随着压裂处与监测孔距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大;分段逐次压裂可在顶板岩层中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板岩层,有效地减小了工作面的周期来压步距。     

实验尺度下的煤岩水力压裂数值模拟研究

为研究煤岩水力压裂的过程,及其受初始破裂单元和流体注入速度的影响,通过实验图像建立了煤层水力压裂的天然裂缝网络模型。再结合现有的牵引分离准则及流体流动模型建立了煤岩水力压裂数值模拟模型,通过ABAQUS进行数值模拟计算。讨论了煤岩水力裂缝的形成以及数值模拟中的初始破裂单元设置和流体注入速度对裂缝扩展的影响。结果表明:(1)实验尺度的水力压裂实验研究和数值模拟研究的边界效应应该被考虑;(2)煤岩水力压裂过程中,裂缝发育可能贯穿于整个压裂过程中;(3)初始破裂单元个数的增加,煤岩水力压裂的流体压力曲线上的起裂压力逐渐降低,甚至可能低于扩展压力;(4)流体注入速度越大,煤岩水力压裂的起裂压力和破裂压力越大,而流体注入速度对煤岩水力裂缝扩展的影响存在一定的波动性,应综合考虑。     

不同侧压系数和坚固性系数对煤层水力压裂的影响分析

利用RFPA2D-Flow版本数值模拟软件对不同侧压系数和不同坚固性系数下煤层水力压裂的起裂压力和裂缝扩展延伸规律进行了模拟研究。最后结合现场工业试验验证水力压裂效果,结果表明:压裂后煤层瓦斯抽采流量和浓度明显增加,透气性显著提高。     

高瓦斯低透气性煤层水力压裂增透数值模拟及应用

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采钻孔施工量大、效率低等问题,研究了水力压裂技术的破煤理论及高压水对煤层的卸压增透理论,提出水力压裂强化抽采瓦斯的措施,以岩土工程数值模拟软件FLAC3D对煤层进行水力压裂数值模拟,得到煤层水力压裂过程中裂纹扩展规律,确定了水力压裂现场试验的工艺参数、压裂装备及抽采系统,完成封孔及压裂试验。     

东大煤矿水力压裂技术工艺与现场实验

为降低东大煤矿3号煤层瓦斯突出危险性,采用水力压裂技术强化瓦斯抽采效果。通过理论分析与数值模拟探究水力压裂裂缝扩展机理,并分析了压裂时间与注入量对裂纹扩展规律的影响。结果表明：水力裂缝的起裂压力约为4 MPa,实施水力压裂技术后,瓦斯抽采体积分数提高了3.05倍,抽采流量提高了2.95倍,瓦斯抽采纯量提高了11.7倍。     

分段水压增透技术的分析与模拟

基于煤体裂隙特征及水力压裂破裂准则,对水力压裂裂缝起裂和扩展机理进行分析,并基于某矿煤层地质条件,对分段水力压裂增透技术在1306工作面应用进行模拟。通过理论分析和数值模拟,为分段水力压裂增透技术在煤矿进行工业试验提供技术参数。     

特厚缓倾斜煤层坚硬厚顶板超长钻孔定向三维水力压裂技术及应用

针对新疆坚硬厚顶板条件下特厚煤层开采后造成的大面积悬顶可能诱发的强矿压现象，以宽沟煤矿I010206工作面为例，通过理论分析、数值模拟、现场监测、工程试验等方法，分析了特厚缓倾斜煤层顶板垮落形态及坚硬厚顶板强矿压控制思路，明确了合理压裂参数，提出了超长钻孔定向三维水力压裂技术并进行了现场试验。研究结果表明：孔隙水压力随着与钻孔径向距离的增加在5 m内迅速衰减，压裂段间距较小时两裂缝扩展出现影响，易造成裂缝偏转，注水量从20 m³增加至35 m³时，裂纹扩展长度增加50%，综合考虑压裂层位强度、裂纹相互影响范围及压裂效果，确定宽沟煤矿水力压裂最佳参数为：起裂压力17 MPa，钻孔间距50～72 m，压裂段间距30 m，单段注水量为35 m³。基于宽沟煤矿地质条件提出了双厚组合岩层双封单卡多点拖动定向分段水力压裂技术及工艺，压裂后坚硬顶板微震次数大幅降低，顶板来压峰值有效减小。本文研究可为类似条件矿井坚硬厚顶板开采中出现的强矿压现象提供解决思路。