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。     

煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究

煤层钻孔水压致裂是提高地面煤层气抽采效果的有效方法之一,借助于数值模拟方法对煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律进行了分析.研究表明:当两个方向水平地应力值相等时,煤层钻孔围岩裂缝起裂角和扩展方向呈随机性,而当两个方向水平地应力值不相等时,则裂缝起裂角和扩展垂直于数值较大的水平地应力方向;钻孔围岩主裂缝的扩展长度随水平应力系数和注水压力的增大而增大;地面煤层气井的合理布置方式宜为菱形,且菱形对角线应平行于最大和最小水平地应力方向.     

层面对煤岩层水力致裂影响的实测分析

为了分析层面对煤岩层水力致裂的影响,采用RFPA2D-Flow数值模拟和现场观测,发现水压裂缝空间整体分布表现为以钻孔为中心,沿煤层方向逐步向外辐射发展。距离致裂孔越远,水压裂缝的数目越少;随致裂水压力的增加,水压裂缝的数目和范围逐渐增大;随着致裂范围的增大,沿程压力损失和水的滤失速度加快,水压裂缝的扩展速度逐渐降低并趋于平缓。分析出水压裂缝沿层面扩展的同时会在应力场作用下不断萌生分支裂纹,分支裂纹扩展延伸与层面沟通,形成水压裂缝网;分析出层面是高压水渗流的主要通道,对水压裂缝扩展有重要影响,水压裂缝主要沿煤层层面、煤岩和煤矸交界面进行扩展。     

硬岩金属矿水压致裂矿岩预处理现场试验研究

水压致裂矿岩预处理在自然崩落法矿山中是一项非常重要的辅助崩落技术,选用合适压裂能力的设备以及压裂钻孔布置是工业应用中的重要工作。本文基于在国内某铁矿山开展的水压致裂矿岩预处理工业试验,对岩石起裂压力及水力裂缝扩展范围等进行了分析。结果表明:区域岩石物理力学参数测试、地应力测试等基础工作可为水压致裂矿岩预处理试验成功开展提供支撑;岩石起裂压力随压裂深度增加呈线性增大趋势,主要受深部围岩地应力影响;该区域岩石起裂压力最大值约为31. 64MPa;基于微震定位分析得出水力裂缝近乎水平展开,当泵送流量为150L/min时的最大扩展半径可达34m。     

眼前山铁矿水压致裂矿岩预处理裂隙扩展研究

水压致裂预处理技术是大幅改善硬岩矿山矿岩可崩性的关键技术,选用合适压裂能力的设备以及压裂钻孔布置是工业应用中的重要工作。本文基于眼前山铁矿开展的水压致裂矿岩预处理试验,采用微地震定位及水位观测的方法对岩石水力裂缝扩展距离、破裂面方向等进行了分析。结果表明:当注水泵量为150L/min时水力裂缝扩展距离最大可达34m,平均值为24. 54m,该泵量下1 500s内裂缝已充分扩展;微地震平面分布的长轴方向与区域上水平最大主应力方向近乎一致;水压致裂试验产生的破裂面法线方向为最小主应力方向。     

应力环境对层面区域水压裂缝扩展的影响

无论是传统的煤炭、石油、天然气资源开采,还是新兴的非常规天然气开采,控制水压裂缝尽量在指定的资源储层中横向延伸、限制储层外垂向水压裂缝的数目和扩展长度是提高水压致裂效率和保护地层环境的有效途径。层面所处的应力环境是影响水压裂缝扩展的关键因素。采用RFPA2D-Flow,对不同应力环境下,水压裂缝初至层面的扩展行为、沿层面水压裂缝最大开裂长度和水压裂缝的破坏形态进行了模拟。模拟结果表明:1应力环境对水压裂缝初至层面时的扩展行为没有影响;2沿层面水压裂缝扩展的最大长度随主应力比的增加呈双曲线降低;3双向等压时,水压致裂沿层面方向的影响范围最大;4随着主应力比的增加,层面对水压裂缝扩展的影响逐渐减小,应力的作用逐渐增加,水压裂缝沿垂直于最小主应力方向穿层面扩展。     

多孔线性协同定向水压裂缝扩展规律的数值模拟研究

针对破岩工程中定向致裂的问题,首先分析了多孔线性协同定向水压致裂技术原理,然后采用RFPA2D-Flow数值模拟软件对多孔线性协同定向水力致裂试验结果进行验证,最后研究了多孔线性协同定向水压裂缝的起裂和扩展规律.结果 表明:RFPA2D-Flow数值模拟结果与试验结果趋于一致;多孔线性协同定向水力致裂的过程可以分为注水...     

高温条件下花岗岩水压致裂的实验研究

人工储留层建造是高温岩体地热开采关键技术之一,其核心是巨型水压致裂,关键科学问题是岩石热力耦合作用下的水压致裂理论。采用自主研制的"600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",开展了Φ200mm×400mm的鲁灰花岗岩大试样高温三轴应力下的水压致裂实验,分析了实验的水压加载曲线特征和裂缝最终形态。研究结果表明:随温度的升高,花岗岩裂缝开裂模式从脆性开裂转变为连续开裂;温度升高至300℃后,裂缝起裂的主控条件向温度转化;从室温到200℃之间,温度对花岗岩水压致裂影响的控制机理是岩石抗拉强度的下降,而200℃到400℃起裂压力的控制机理是温度下降引起的热应力。随着温度的升高,裂缝的扩展方向从轴向改变为优先向径向深处发展。     

煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架

煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,水力致裂是实现煤岩体结构改造的有效途径.深入分析了煤岩体的结构与物理力学特性,煤岩体水力致裂的水压裂缝扩展及物理化学作用,在此基础上,提出了相应的水力致裂控制技术,并将其在煤矿中的应用进行了分析介绍.煤层的内部结构由裂缝-割理与层理-微裂隙-孔隙四级空间结构体系组成.煤层质软、瓦斯的吸附解吸效应、天然裂缝发育等因素导致煤岩体水力致裂变得复杂.煤岩体水力致裂通过水压主裂缝扩展、翼型分支裂纹扩展和吸水湿润作用,达到结构改造、强度弱化和增透等工程需要,针对不同工程3种作用的侧重点有所不同.提出了预先水力割缝定向致裂技术.提出了水力爆破致裂弱化与增透方法,在水压控制爆破后进行水力致裂,实验证明是一种增加水压裂缝数目和范围的有效方法.煤岩体水力致裂在煤矿中可以应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤的弱化、应力定向转移、局部集中应力解除、强度弱化减冲、含瓦斯煤层增透、煤与瓦斯突出的防治等,在实践中已取得显著功效.     

坚硬顶板岩层水力压裂主裂缝中高速压裂液的湍流效应

本文以内蒙古巴彦高勒煤矿31103工作面为研究背景,采用断裂力学、材料力学结合岩石力学的理论分析方法,以及数值模拟软件进行实验方案设计,对31103工作面上覆10 m厚硬顶板水力压裂卸压防冲合理施工工艺参数开展研究。首先,建立高压水流驱动下压裂岩层中主裂缝起裂扩展力学模型,得到实际条件下水力压裂裂缝起裂的临界水压与扩展裂缝几何尺寸的关系式。其次,根据Comsol流固耦合模拟实验软件对高压水流在钻孔及裂缝中流动造成的孔壁表面压力与裂缝扩展边界条件的计算收敛结果可知,在封孔、注水、憋压直至裂缝贯通水压骤降的施工过程中,压裂液的流动状态与岩石钻孔和裂缝表面张力之间存在相互作用关系。最后,考虑现场施工反馈的数据信息,确定适合巴彦高勒煤矿31103工作面厚硬顶板的合理水力压裂施工工艺参数。     

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。     

水压致裂的尺度效应模拟分析

为分析水压致裂时的尺寸效应,建立了考虑急斜围岩应力特征的多尺度单孔水压致裂模型,分析了水压致裂过程中声发射信号、裂纹扩展形态、孔隙压力演化规律等特征,归纳了不同尺度的模型致裂时所需水压的变化趋势。结果表明:虽然各个模型的尺度不同,但裂纹的发育特征相似,主要由钻孔中心垂直发育,向模型的顶部和底部方向呈三角形发展;尺寸效应的存在使得试件破坏水压随试件增大呈上升趋势,破坏水压和试件半径R/钻孔半径r呈现出较好的相关性,随着试件所需破坏范围的加大要求水压愈大。     

含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形态及影响要素

随着煤矿开采深度向千米级发展以及大采高特大采高技术的研发应用,大空间远场坚硬顶板问题突出,其结构失稳显著影响工作面矿压以及工作面临空侧巷道变形。地面钻井水力压裂是治理远场坚硬顶板的防治措施之一,但是水压裂缝形貌受地应力控制、形态单一,难以达到顶板“横切纵断”目标,限制了其弱化远场坚硬顶板的效能。因此,基于试验和理论分析开展了含径向水力割缝钻孔导向压裂形成“横切纵断”裂缝的研究,揭示了水力压裂裂缝和导向裂缝的竞争扩展规律,建立了基于Iwrin等效模型的割缝导向起裂扩展模型、钻孔裸眼起裂扩展模型以及钻孔割缝压裂裂缝起裂模式判定准则,探究了塑性区临界特征长度、割缝半径、钻孔半径、埋深对于裂缝起裂模式的影响。研究结果表明：含径向水力割缝钻孔导向压裂存在3种裂缝形貌：“横切”型单一主裂缝、“纵断”型单一主裂缝、“横切纵断”复合型裂缝网络;割缝塑性区特征长度和钻孔塑性区特征长度与流体压力均呈正相关关系,形成“横切纵断”复合型裂缝网络对应的塑性区临界特征长度随割缝半径的增大而增大,但是随钻孔半径的增大而减小;储层埋深对含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形貌存在显著影响,随着埋深增加,裂缝形貌逐渐由“横切...     

抚顺西露天矿台阶致裂爆破多炮孔相互作用

为揭示爆破钻孔起裂相互作用和裂缝扩展效果,建立露天矿体—地下水耦合力学模型,通过编程计算研究抚顺西露天矿台阶多炮孔爆破裂缝扩展特性,探究台阶地表以下矿体在疏干、含有线性分布承压水以及浅层布孔工况下的钻孔与裂缝相互作用关系。结果表明,台阶爆破过程中由多炮孔间相互干扰导致起裂具有时差特性,矿体含水与炮孔深度均对此效应有影响;前者主要是有效应力增大了致裂破岩效果,后者是由于煤岩受载及其非均质性改变了炮孔起裂顺序。     

割缝钻孔水压致裂增透过程的数值模拟

利用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA2D-Flow,对比分析了单孔和割缝钻孔水力压裂失稳破裂过程。结果表明:割缝钻孔预制缝槽转移集中应力达到卸压效果,诱导高压水流沿缝槽形成主裂隙向外扩展,有效削弱煤岩的强度和整体性达到水压致裂增透的效果;水压致裂裂隙路径的粗糙度和不规则展布受围岩非均匀性的影响十分显著。     

煤岩拟三轴水力压裂实验研究

为了更深入地研究煤岩水压致裂机理,首先对MTS815.02电液伺服岩石力学实验系统进行改造;利用煤粉、水泥和石膏不同的配比制作相似材料,对型煤试件和原煤试件进行了拟三轴水压致裂实验,并与现场压裂数据进行了比较分析。结果表明：合理的材料配比为煤∶水泥∶石膏=1.5∶1∶1;裂缝总是沿地应力最大的方向扩展,且裂缝表面特征对...     

基于应力增速与应力梯度的水压致裂应力扰动评价研究

水压致裂的应力扰动评价是动力灾害煤岩层水压致裂的关键科学问题.提出了基于应力增速、应力梯度的水压致裂应力扰动评价方法.采用大尺寸真三轴水压致裂应力扰动物理模型实验,分析了水压致裂应力扰动的大小、特征及其影响因素.水压致裂过程中当泵注排量相同时,同一时间内距离水压裂缝越近,平均孔隙压力增速及孔隙压力梯度越大,孔隙压力增速和孔隙压力梯度按指数规律衰减.相同位置处,泵注排量越大,平均孔隙压力增速和孔隙压力梯度越大.开泵瞬间会产生很高的骨架应力增速,同时在致裂过程中,水压力的大幅度波动也会产生较大的骨架应力增速,且波动幅度越大,产生的骨架应力增速也越大.随着泵注排量的增大,开泵瞬间水压裂缝两侧骨架应力增速峰值也相应增加.泵注排量相同时,越靠近水压裂缝,骨架应力梯度越大,随着距离水压裂缝越远,应力梯度逐渐变小.初步给出了不同工程背景下水压致裂应力扰动效应的控制原则,在工程施工中,应根据具体的工程背景,基于应力扰动的评价,采取相应的针对措施,做到趋利避害.     

厚硬煤层综放开采水压致裂技术及应用研究

由于厚硬煤层存在硬度大、节理裂隙不发育等特点,导致在综采放顶煤开采过程中存在支架后方大块煤体堵塞放煤窗口,严重影响矿井高产高效等问题。以新疆矿区硫磺沟煤矿坚硬厚煤层开采为工程背景,通过数值模拟计算得到顶煤水压致裂起裂压力数据,设计了水压致裂工艺流程,通过现场实测手段对坚硬厚煤层水压致裂进行了工业化试验,得到水压致裂时间与水压之间的关系。研究结果表明,采用水压致裂技术对坚硬煤体裂纹扩展、降低煤体强度、提高工作面煤炭采出率具有重要现实意义。     

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。     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。