發(fā)布時間：2020-11-05 10:46

　　 水力壓裂是強化煤層氣(瓦斯)抽采、預防煤與瓦斯災害的重要手段。水壓裂縫在煤層中受地應力影響擴展形態(tài)單一,裂縫兩側會遺留增透“空白帶”,為煤炭開采帶來安全隱患。煤層儲層薄、產狀復雜的特點使水壓裂縫可能破壞頂?shù)装?增加后續(xù)巷道支護難度。如何控制煤層有效應力及主應力方向,使水壓裂縫沿煤層有序擴展,形成復雜縫網是目前亟需解決的關鍵難題。因此,研究煤層水壓裂縫導向擴展控制機理及方法對水力壓裂促進煤層氣高效開發(fā)具有重要意義。本文通過開展煤層產狀對水壓裂縫起裂及擴展影響規(guī)律研究,建立孔隙壓力梯度及水力割縫誘導裂縫擴展力學模型,提出孔隙壓力梯度及水力割縫雙重作用的導向壓裂方法,結合真三軸條件下割縫導向壓裂物理實驗及數(shù)值分析,揭示煤層水壓裂縫導向擴展控制機理。取得主要成果如下:(1)構建了含煤層產狀因素的水壓裂縫起裂及擴展分析模型,揭示了煤層產狀及原始地應力等因素對水壓裂縫起裂及擴展的影響機理。分析模型表明煤層水壓裂縫起裂擴展主要受煤層產狀及地應力限制。隨著煤層傾角增大,當σ_vσ_Hσ_h時,水壓裂縫傾向于在煤巖交界面起裂擴展;當σ_Hσ_hσ_v時,水壓裂縫傾向于在煤層中起裂擴展;當σ_Hσ_vσ_h時,水壓裂縫起裂擴展隨煤層傾角變化出現(xiàn)較大隨機性。隨著煤層傾向增大,裂縫起裂擴展整體表現(xiàn)為“煤體中→煤巖交界面→煤體中”。(2)提出了基于孔隙壓力梯度誘導作用的割縫導向壓裂方法,建立了割縫縫槽-孔隙壓力雙重作用下的裂縫導向擴展力學模型,揭示了孔隙壓力梯度及水力割縫對煤體應力場擾動規(guī)律:高孔隙水壓力會降低煤體內有效應力,有利于裂縫起裂及擴展。裂縫起裂及擴展壓力的降低幅度與導向孔注水壓力p_w成正相關關系,與壓裂孔距導向孔之間的距離d成負相關關系,誘導裂縫沿高孔隙壓力梯度方向擴展;同時,水力割縫擾動煤體應力重新分布,使煤體內形成沿割縫方向的最大主應力條帶區(qū),該區(qū)域內的最大主應力方向與原始地應力相比產生扭曲變化,圍繞縫槽形成“S”型裂縫誘導控制區(qū)。利用孔隙水壓力梯度及水力割縫雙重作用的導向壓裂方法,使水壓裂縫突破煤層產狀及地應力等因素控制,在煤層中導向擴展。(3)揭示了應力差異系數(shù)及割縫偏差角對割縫導向壓裂裂縫擴展方向的影響規(guī)律,明確了割縫導向壓裂裂縫定向擴展控制條件。通過開展割縫導向壓裂物理相似模擬實驗及數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)割縫導向壓裂過程中存在“二次壓裂”現(xiàn)象,割縫偏差角、水平應力差異系數(shù)越小,越有利于水壓裂縫的定向擴展。當割縫偏差角θ小于30°或水平應力差異系數(shù)K_h小于0.5時,水壓裂縫基本能沿割縫布置方向定向擴展;當割縫偏差角θ大于30°且水平應力差異系數(shù)K_h大于0.5時,裂縫開始向最大主應力方向偏轉,且K_h越大,偏轉角度越大。(4)采用現(xiàn)場試驗對比分析了割縫導向壓裂及常規(guī)壓裂技術增透效果�，F(xiàn)場試驗結果表明:割縫導向壓裂與常規(guī)水力壓裂均能對煤層起到較好的增透作用,但是割縫導向壓裂方法在定向增透效果要優(yōu)于常規(guī)水力壓裂方法。割縫導向壓裂方法比常規(guī)水力壓裂方法在初抽單孔濃度上提高了24~30個百分點,在初抽匯總濃度上提高了18個百分點,在初抽平均單孔純量上提高了0.75倍。割縫導向壓裂方法的瓦斯抽采匯總濃度衰減趨勢較為緩慢,衰減率為8.9%,而常規(guī)壓裂技術的匯總濃度衰減率為34.5%�，F(xiàn)場試驗說明了割縫導向壓裂方法定向增透的可靠性。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712
【部分圖文】：

]。于水力壓裂在理論、物理試驗及數(shù)值分析方壓裂受到原始地應力的控制作用非常明顯，壓裂鉆孔遇到天然裂縫或者煤巖交界面時會。由于煤層中富含較多的原生節(jié)理和裂隙，水，往往表現(xiàn)出明顯的隨機性。另外，學者們對因素研究并不完善，針對煤層的復雜產狀并研究。方法研究現(xiàn)狀力壓裂的裂縫擴展形態(tài)和受到的主要為地應，不可避免的會出現(xiàn)如圖 1.2 所示的增透“空”，即由于水壓裂縫在原始地應力的控制下縫兩側的煤巖體很難受到裂縫影響，因此該部善。

1.3.2 研究方法及技術路線論文選題將僅僅圍繞以上研究內容，通過縝密的調研并查閱大量的相關文獻，總結國內外水力壓裂裂縫擴展方向控制方法的研究現(xiàn)狀，在以往學者的研究基礎上進行改進，提出基于孔隙壓力梯度的割縫導向壓裂方法。論文將運動線彈性斷裂力學、巖石力學、土力學、高等滲流力學等理論建立復雜賦存條件下煤層水壓裂縫起裂擴展控制模型，揭示不同控制因素（如原始地應力、煤層傾角、煤層傾向等）對水壓裂縫起裂擴展方向的影響規(guī)律。提出基于孔隙壓力梯度的割縫導向壓裂方法，建立孔隙壓力梯度場下的割縫導向壓裂裂縫誘導力學模型，利用 RFPA 及FLAC3D 數(shù)值分析軟件研究了孔隙壓力梯度場和水力割縫對煤巖體內部應力場的影響規(guī)律，揭示割縫導向壓裂對水壓裂縫擴展方向誘導機理。通過割縫導向壓裂裂縫起裂擴展實驗及數(shù)值分析，獲得割縫導向壓裂裂縫擴展形態(tài)及起裂壓力變化規(guī)律，并對割縫導向壓裂裂縫擴展路徑進行了重新演化，明確割縫導向壓裂定向擴展控制條件。最后，通過現(xiàn)場對比實驗驗證割縫導向壓裂方法的有效性。具體研究技術路線如圖 1.3 所示。

控制因素分析并不透徹。本章通過線彈性斷裂力學及最大拉應力破壞理含煤層產狀及原始地應力等因素的水壓裂縫起裂擴展控制模型，揭示了裂縫擴展形態(tài)單一、擴展無序的機理，并通過研發(fā)真三軸壓裂設備，采用模擬實驗驗證了分析模型的正確性。 水壓裂縫擴展控制模型的建立1 煤層賦存特點分析煤炭是在地熱和壓力的作用下，經過生物化學作用和物理化學作用而轉有機礦產。在成煤過程中，由于泥炭沉積的整個過程中存在大量的構造運了不同產狀的煤層。在煤炭堆積的過程中，地層會有巖-煤-巖的沉積順序同煤質的沉積，因而會形成煤分層的結構。煤層的復雜性在我國的西南地別明顯，該區(qū)域的煤層厚度薄、頂?shù)装迮c煤層性質差異較大的特性導致存分層性，某些煤層甚至具有多分層（含軟、硬煤分層）的賦存特性[81]。如，可以明顯的觀察到煤巖層的多分層特性。
【參考文獻】

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本文編號：2871528