大尺寸煤岩组合体水力裂缝越界形成缝网机理及试验研究

为了实现煤层气资源高效开采,针对我国煤层气储层"高储、低渗、成缝困难"的赋存特征,通过对裂纹尖端能量释放率、裂纹尖端应力场屈服区域数值分析以及煤岩组合体越界压裂试验,对煤岩组合体水压致裂过程中缝网形成机理及裂纹扩展特征进行研究。结果表明:同等应力条件下,煤体裂纹尖端塑性屈服区域明显大于砂质泥岩;裂纹在砂质泥岩中起裂瞬间释放的应变能可在煤体中产生约10.69~25.53倍当量裂纹面积或长度,有利于裂缝的延伸及多裂缝结构形成;通过数值分析可知,在达到近似临界煤岩拉破坏值时,砂质泥岩裂缝尖端在XX方位的最大集中应力值(7.05×10~5)约为煤体(1.98×10~5)的3.56倍;裂纹从坚硬砂质泥岩到软煤扩展试验过程中,形成了明显的复杂缝网结构;水力裂缝从覆岩到煤扩展过程中,在煤岩界面影响下出现贯穿、转向或偏转等现象,裂纹的转向或偏转导致裂纹形态复杂,有利于缝网结构的形成。     

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。     

不同水损伤程度下泥岩断裂力学特性试验研究

为研究不同程度水损伤作用对泥岩断裂力学特性的影响,对水中浸泡不同时间条件下的泥岩半圆盘试件进行三点弯曲试验,同时利用PCI–2型声发射系统对泥岩试件的断裂全过程进行实时监测。结果表明:天然泥岩的断裂力学行为受水–岩作用影响显著,随着浸泡时间的增加,其峰值载荷不断下降,浸泡200 min后,该泥岩纯I型至纯II型断裂韧度分别降低至未损伤条件下的53%,56.5%,61%,64%,64.7%和67.6%,且泥岩的断裂破坏形式由脆性逐渐转变为延性。通过声发射定位确定了不同损伤程度下泥岩半圆盘试件中断裂过程区长度,随着损伤程度加深,断裂过程区长度逐渐减小,声发射事件累计总数不断增加;同时,将试验得到的等效断裂韧度与纯I型断裂韧度的比值与引入T应力后改进的最大周向应力理论比值进行比较,表明在未浸泡及短时间浸泡条件下试验结果符合该理论结果;但随着损伤程度的加深该试验结果拟合曲线逐渐偏离理论曲线,浸泡时间达到200 min时,该偏离情况较为明显。     

基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型

线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架,已被广泛地应用于表征固体材料中裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说,岩石一般被简化为脆性材料,相对于裂纹尺寸及试件尺寸,其裂纹尖端前断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)范围很小可以被忽略。而另一方面,煤的破坏形式通常表现为韧性破坏,即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种韧性材料,其断裂过程区尺寸范围相对较大且会对材料的断裂行为产生很大的影响,因此线弹性断裂理论不再适用于描述煤体中裂纹扩展。而黏聚型模型(Cohesive zone model,CZM)被证明是一种有效的理论工具,能够描述韧性材料断裂过程区中的断裂行为。在该黏聚型本构模型理论中,裂纹尖端前的断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面(分别对应二维及三维情况),其中断裂过程区内非线性断裂行为通过黏聚力与相对位移之间的本构关系进行表征。通过对煤进行圆盘形紧凑拉伸试验建立了不同煤阶煤(其中包括弱黏煤、气煤、肥煤、贫瘦煤及无烟煤)的黏聚型裂纹本构关系,试验结果表明,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,最大张开位移逐渐降低,试验峰后软化阶段载荷-CTOD曲线趋于线性变化且破坏形式逐渐趋于脆性破坏。采用Karihaloo多项式黏聚型本构方程对5种煤阶煤软化曲线进行拟合,得到煤体中黏聚型裂纹模型本构关系的一般形式。针对煤层松软的力学特性和韧性破坏特征,建立了基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合方程组,包括多孔介质变形方程、孔隙渗流方程、裂隙渗流方程及Karihaloo多项式本构关系方程。并采用包含裂隙流水压自由度的黏聚型界面单元法进行数值模拟。结合大型真三轴水力压裂实验,验证所得煤岩水力压裂模型的正确性;根据数值模拟和物理实验结果,讨论了煤岩松软的力学特性及其裂纹尖端过程区对水力压裂的影响。     

煤岩组合体跨界面压裂及声发射响应特征试验研究

利用自行研制的"TCHFSM-I"型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,研究不同应力条件下煤岩组合体跨界面水力裂缝起裂、扩展规律,分析压裂过程中注液压力与声发射动态响应特征。结果表明:当轴向载荷与最小水平主应力差值≥6 MPa时,水力裂缝能够跨界面扩展进入煤体,形成贯穿型裂缝;反之,水力裂缝沿界面扩展。各试件水力裂缝跨界面扩展行为不同,其注液压力演化规律和声发射动态响应特征也存在差异。当水力裂缝扩展进入煤体时,注液压力呈现明显二次上升,声发射事件累计数占比显著提升,增幅达51.4%,且多位于煤体中;当水力裂缝沿界面扩展时,声发射累计数增幅量仅为6%,且注液压力无二次上升。此外,建立考虑交汇角度、界面摩擦、应力状态等因素作用的水力裂缝跨界面扩展模型,该模型能够很好地描述与预测水力裂缝跨界面扩展行为。研究结果可为煤层气高效开采提供技术指导。