纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律研究

纵向切槽水力压裂作为一项强烈动压巷道切顶卸压技术,核心是控制裂缝开裂以及扩展方向,然而裂缝在定向起裂后通常受最大主应力的影响而发生偏转,裂缝的扩展方向与地应力条件、切槽角度、泵流量以及岩石力学性质等多种因素有关。对纵向切槽水力压裂多因素影响下的裂缝偏转规律展开研究,为纵向切槽水力压裂钻孔施工设计提供1种借鉴方法。采用ABAQUS软件中的XFEM模块,建立纵向切槽水力压裂二维模型,通过与前期纵向切槽水力压裂物理试验结果对比,实现了数值模型可行性验证,进而建立大尺寸纵向切槽水力压裂模型对煤矿顶板砂岩条件下的纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律展开了详细研究。结果表明:水平应力比为重要的裂缝偏转距影响因素,在垂直主应力为10 MPa,最小水平主应力为6 MPa,水平应力比由1.5增加到3.5过程中,裂缝偏转距先后减小55.3%、56.9%和41%;切槽角度对裂缝扩展路径影响较大,对裂缝偏转距影响相对较小;水平应力比为1.5与2.0两种条件下,泵流量由30 L/min增加到180 L/min过程中,裂缝偏转距不断增大,且具有较大增长幅度,在水平应力比为2.5条件下,裂缝偏转距的增长幅度明显减弱;水平应...     

泵流量对纵向切槽水力压裂裂缝偏转的影响规律研究

采用ABAQUS软件,建立了纵向切槽水力压裂裂缝扩展的有限元二维模型,分析了不同泵流量条件下纵向切槽水力压裂裂缝扩展规律。研究表明:裂缝开裂初期,受地应力差的影响,裂缝很快转向最大主应力方向;随着泵流量的大幅增加,裂缝的偏转情况得到减缓,曲率半径增大,偏转距明显增加,流量在120L/min以内时,增长速度较快;目前常用注水泵流量为90L/min,其裂缝偏转距为4.05m。结论对于实际的钻孔距设计和注水泵选取具有参考意义。     

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。     

水力压裂纵向切槽钻头的研制与试验

为解决采用常规水力压裂进行强烈动压巷道切顶卸压效果难以控制的问题,研发了一种钻孔内纵向切槽钻头,进行了一系列实验室试验和井下试验。研究结果表明,纵向切槽钻头可有效实现孔内纵向切槽,引导水力压裂主导裂缝沿切槽方向起裂和扩展,满足强烈动压巷道水力压裂切顶卸压要求,切槽效率比传统的横向切槽钻头效率提高30%~50%;何家塔煤矿井下试验表明,纵向切槽水力压裂主导裂缝沿巷道轴向起裂和扩展,扩散范围达20～30 m,起裂压力明显小于常规水力压裂的起裂压力;受工作面回采影响后纵向切槽水力压裂段煤柱应力增量相对普通水力压裂段和未压裂段明显较小,切顶卸压效果明显好于普通压裂段和未压裂段;纵向切槽水力压裂切顶卸压段工作面端头三角区悬顶长度平均3.7 m,明显小于常规压裂段和未压裂段平均悬顶长度6.2 m和8.0 m,且顶板断裂较为整齐。     

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。     

坚硬顶板孔内磨砂射流轴向切缝及压裂试验研究

为了提高坚硬顶板的预裂卸压效果,开发了孔内磨砂射流轴线切顶压裂防冲新技术,即施工完顶板钻孔后,在预设位置操作钻杆匀速前进/后退,同时,采用磨砂射流系统对钻孔孔壁进行定向切割,使孔壁形成一定深度的轴线裂缝,再采用封隔器封孔后压裂,在高压水的作用下,人造裂缝沿着预设方向定向扩展,从而达到精准切顶卸压的目的。现场切缝试验表明,在射流压力为50 MPa,切缝速度为0.1 m/min的条件下,孔内切缝半径可达300～500 mm。通过切缝后压裂试验表明,预制裂缝具有较好的导向作用,裂缝扩展主要沿着预制裂缝深度方向,试验泵压为40 MPa,压裂时间为20 min,裂缝扩展距离可达22 m以上。该技术可提高水力压裂裂缝方向的可控性,使裂缝沿着最佳切顶方向扩展,从而提高卸压效果。     

高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究

为实现高瓦斯低渗透煤层煤与瓦斯安全高效共采的目标,提出煤层切槽致裂增透新技术。理论分析了水力切槽与脉冲水力压裂联合作用于煤体时应力场-损伤场的重构和裂隙网构建效应,建立了煤层内预制切槽导向水压致裂的卸压增透模型,分析了煤层切槽与水压致裂的应力损伤联控机制,获得了切槽煤层水压致裂下的裂纹扩展及渗透率演化规律,实现了切槽卸压场与水压致裂场的有效结合,控制了水力压裂裂隙扩展方向,破除了孔槽周围应力集中圈的瓶颈效应,提高了煤层内整体增透效果。     

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。     

流量引起的注入压力变化对水力压裂效果的影响研究

为探究不同流量条件下水力压裂试件的破裂压力和裂隙扩展面积变化规律,利用真三轴水力压裂系统开展不同流量的水力压裂物理模拟实验。实验结果表明：通过压裂液流量控制注入压力变化量,流量与注入压力变化量、破裂压力呈正相关关系;泵压力曲线都经历了储液─上升─下降─稳定4个阶段,流量越大则储液时间越短、压裂曲线上升和下降的周期越短、稳定压力越高;裂隙扩展面积随流量的增加而增加,在流量为60 mL/min时裂隙扩展面积最大,压裂效果最佳,但当流量超过60 mL/min时容易产生形态单一、扩展面积小的裂隙网络,水力压裂效果会明显降低。研究结果可为水力压裂技术工艺参数的设计提供参考。     

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。     

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。     

基于扩展有限元分析的页岩水力压裂裂缝扩展规律探究

水力压裂是开采地下页岩气资源的有效技术手段,探究页岩水力压裂裂缝的扩展规律,可为页岩气的高效开采提供科学的指导依据。通过运用大型有限元软件ABAQUS中的扩展有限元模块,针对不同地应力差工况条件下均质页岩中初始裂缝的位置、方位角、数量和含层理页岩中层理的构造方向、内部倾角、岩性对水力裂缝扩展的影响进行探究。结果表明：对于垂向扩展的水力裂缝,水平主应力增大使裂缝更不易扩展,裂缝扩展长度减小、起裂压力增大;在注液体积流量相同时,向初始裂缝两端同时起裂所形成的水力裂缝长度大于仅向一侧起裂;当初始裂缝处于页岩中部且呈45°方向时,裂缝会向最大水平主应力方向偏转,且偏转程度随最大水平主应力的增大而增大;分时多簇压裂时,裂缝间的扩展会相互干扰,且会较大地影响裂缝扩展的形态和起裂压力,但对裂缝注液点裂缝宽度的影响较小;对于含水平和竖直构造层理的页岩,改变层理内部倾角,水力裂缝会出现不同程度偏转,且其偏转程度随着层理内部倾角的增大而减小;对于含45°方向构造层理的页岩,水力裂缝在层理分别为砂岩、煤岩和泥岩中的偏转程度依次增大,且裂缝偏移比随着最大水平主应力的增大而增大。     

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。     

压裂过程中储层压力场变化对水力裂缝扩展的影响

非常规油气资源开发过程中,通过水力压裂形成复杂裂缝网络是实现高效开发的关键技术之一,压裂过程中储层压力场的变化对裂缝扩展具有重要影响。本文基于扩展有限元理论,建立耦合损伤-滤失-应力的水力压裂裂缝动态扩展模型,研究储层压力分布对同步压裂和顺序压裂过程中裂缝动态扩展、起裂压力和延伸压力影响,对比了不同储层压力增量条件下水力裂缝偏转程度和压力变化情况。研究结果表明:(1)压裂液滤失诱发的局部孔隙压力增加会引起储层压力场发生变化,使得水力裂缝在延伸过程中的偏转程度增加,同时水力裂缝的延伸压力和起裂压力也会增加,算例显示裂缝的起裂压力和延伸压力将分别增加27.49%和27.58%;(2)对比同步压裂和顺序压裂下裂缝扩展动态,发现采用顺序压裂时裂缝偏转程度更大,且裂缝延伸压力更高。研究成果可为致密砂岩储层的有效开发提供理论依据和技术支持。     

基于水力压裂技术的煤层应力试验研究

为得到压裂阶段煤层应力与注水压力的规律,通过相似材料模拟试验,在试验室现场还原压裂过程,得到压裂过程中注水压力、煤层应力及煤层裂隙扩展的变化规律。试验结果表明:注水压力的增长和煤体破裂的速度均受地应力影响,地应力越大,注水压力的增长和煤体破裂的速度越慢;距注水孔75 mm为钻孔水力压裂试验的卸压范围,注水后,煤体应力往深部方向转移;裂隙以水力压裂孔为中心开始延伸,卸压范围的裂隙发育分为3个等级,40 mm以内裂隙最大,40～60 mm次之,65～80 mm裂隙最小;调整注水孔的压裂方案后,瓦斯浓度比常规压裂提高20%;钻孔抽采流量比常规压裂提高了40%。     

水力压裂控制坚硬顶板室内试验及现场测试

为了获得坚硬顶板在水力压裂作用下的裂缝扩展规律,采用室内试验研究了不同的预制横向切槽参数和泵注速率作用下的压裂效果。室内试验结果表明:预制横向切槽可有效的降低水力裂缝的起裂压力,较长的切槽长度与合适的切槽角度可使水力裂纹有更平滑的转向路径,从而改善近井筒区域裂缝复杂性。此外,对水力压裂的影响范围及效果进行了现场试验。现场试验结果表明:水力裂纹的扩展范围在30～50 m间,处理后的顶板无明显冲击性来压。随工作面推进顶板能及时跨落,说明水力压裂能有效控制坚硬顶板。     

诱导应力场对井下多孔压裂缝网形成的导控作用研究

既要避免出现压裂空白带又要防止局部应力过度集中是煤矿井下水力压裂的难点,需要控制裂缝的扩展方向和压裂能量大小。基于诱导应力导控机理,利用RFPA2D-Flow模拟,分析了多孔同步压裂条件下诱导应力场对煤层水力裂缝的导控作用规律,提出水射流扩孔卸压与多孔水力压裂导向的联合卸压增透煤层技术并现场应用。结果表明:同步压裂各钻孔的水压主裂缝在扩展与延伸过程中会相互影响,先期产生的水力裂缝所产生的诱导应力场对后压裂缝的扩展和延伸具有诱导作用,使其附近区域内的最小主应力方向发生47.5°的偏转,偏转后的最小主应力方向基本垂直于2个钻孔水压主裂缝偏转点的连线;水射流扩孔对其附近水力裂缝的扩展具有偏向射流钻孔的诱导作用;采用水射流扩孔卸压与多孔水力压裂导控能避免应力过度集中的同时在一定程度上消除压裂空白带,瓦斯抽采效率显著提高。     

真三轴应力下岩体预刻槽定向致裂试验研究

针对煤矿坚硬顶板难以垮落的问题,提出预刻槽定向压裂方案并进行试验研究,采用 自行研制的大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置进行物理模拟试验,研究不同预刻槽角度(a)及不同压裂介质对裂缝的起裂与扩展规律的影响,结果表明:(1)预刻槽角度从30°到90°增大的过程中,裂隙从刻槽尖端起裂逐步向最大水平应力方向偏转,且起裂压力逐渐降低...     

煤层多点控制水力压裂机理及应用研究

采用理论分析和数值模拟的方法,研究了多点控制水力压裂增透消突的机理,研究发现:控制孔对压裂孔的起裂与扩展具有导向和卸压作用,可以有效控制裂隙发展方向,降低对水力压裂注水泵的设备要求,最后在鹤煤六矿2143下顺槽掘进工作面和2143集中巷进行了现场压裂应用,抽采效果得到明显提高。     

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。