水力壓裂是強化煤層氣(瓦斯)抽采、預(yù)防煤與瓦斯災(zāi)害的重要手段。水壓裂縫在煤層中受地應(yīng)力影響擴展形態(tài)單一,裂縫兩側(cè)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(chǎn)狀復(fù)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(hù)難度。如何控制煤層有效應(yīng)力及主應(yīng)力方向,使水壓裂縫沿煤層有序擴展,形成復(fù)雜縫網(wǎng)是目前亟需解決的關(guān)鍵難題。因此,研究煤層水壓裂縫導(dǎo)向擴展控制機理及方法對水力壓裂促進(jìn)煤層氣高效開發(fā)具有重要意義。本文通過開展煤層產(chǎn)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(dǎo)裂縫擴展力學(xué)模型,提出孔隙壓力梯度及水力割縫雙重作用的導(dǎo)向壓裂方法,結(jié)合真三軸條件下割縫導(dǎo)向壓裂物理實驗及數(shù)值分析,揭示煤層水壓裂縫導(dǎo)向擴展控制機理。取得主要成果如下:(1)構(gòu)建了含煤層產(chǎn)狀因素的水壓裂縫起裂及擴展分析模型,揭示了煤層產(chǎn)狀及原始地應(yīng)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(chǎn)狀及地應(yīng)力限制。隨著煤層傾角增大,當(dāng)σ_vσ_Hσ_h時,水壓裂縫傾向于在煤巖交界面起裂擴展;當(dāng)σ_Hσ_hσ_v時,水壓裂縫傾向于在煤層中起裂擴展;當(dāng)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(dǎo)作用的割縫導(dǎo)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(dǎo)向擴展力學(xué)模型,揭示了孔隙壓力梯度及水力割縫對煤體應(yīng)力場擾動規(guī)律:高孔隙水壓力會降低煤體內(nèi)有效應(yīng)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(dǎo)向孔注水壓力p_w成正相關(guān)關(guān)系,與壓裂孔距導(dǎo)向孔之間的距離d成負(fù)相關(guān)關(guān)系,誘導(dǎo)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(yīng)力重新分布,使煤體內(nèi)形成沿割縫方向的最大主應(yīng)力條帶區(qū),該區(qū)域內(nèi)的最大主應(yīng)力方向與原始地應(yīng)力相比產(chǎn)生扭曲變化,圍繞縫槽形成“S”型裂縫誘導(dǎo)控制區(qū)。利用孔隙水壓力梯度及水力割縫雙重作用的導(dǎo)向壓裂方法,使水壓裂縫突破煤層產(chǎn)狀及地應(yīng)力等因素控制,在煤層中導(dǎo)向擴展。(3)揭示了應(yīng)力差異系數(shù)及割縫偏差角對割縫導(dǎo)向壓裂裂縫擴展方向的影響規(guī)律,明確了割縫導(dǎo)向壓裂裂縫定向擴展控制條件。通過開展割縫導(dǎo)向壓裂物理相似模擬實驗及數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)割縫導(dǎo)向壓裂過程中存在“二次壓裂”現(xiàn)象,割縫偏差角、水平應(yīng)力差異系數(shù)越小,越有利于水壓裂縫的定向擴展。當(dāng)割縫偏差角θ小于30°或水平應(yīng)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(dāng)割縫偏差角θ大于30°且水平應(yīng)力差異系數(shù)K_h大于0.5時,裂縫開始向最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn),且K_h越大,偏轉(zhuǎn)角度越大。(4)采用現(xiàn)場試驗對比分析了割縫導(dǎo)向壓裂及常規(guī)壓裂技術(shù)增透效果。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明:割縫導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shù)的匯總濃度衰減率為34.5%。現(xiàn)場試驗說明了割縫導(dǎo)向壓裂方法定向增透的可靠性。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(yīng)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(xué)者們對因素研究并不完善，針對煤層的復(fù)雜產(chǎn)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(yīng)，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(yīng)力的控制下縫兩側(cè)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(shù)路線論文選題將僅僅圍繞以上研究內(nèi)容，通過縝密的調(diào)研并查閱大量的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)國內(nèi)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(xué)者的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出基于孔隙壓力梯度的割縫導(dǎo)向壓裂方法。論文將運動線彈性斷裂力學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)、高等滲流力學(xué)等理論建立復(fù)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(yīng)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(dǎo)向壓裂方法，建立孔隙壓力梯度場下的割縫導(dǎo)向壓裂裂縫誘導(dǎo)力學(xué)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(nèi)部應(yīng)力場的影響規(guī)律，揭示割縫導(dǎo)向壓裂對水壓裂縫擴展方向誘導(dǎo)機理。通過割縫導(dǎo)向壓裂裂縫起裂擴展實驗及數(shù)值分析，獲得割縫導(dǎo)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(dǎo)向壓裂裂縫擴展路徑進(jìn)行了重新演化，明確割縫導(dǎo)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(dǎo)向壓裂方法的有效性。具體研究技術(shù)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(xué)及最大拉應(yīng)力破壞理含煤層產(chǎn)狀及原始地應(yīng)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(shè)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?zé)岷蛪毫Φ淖饔孟拢?jīng)過生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用而轉(zhuǎn)有機礦產(chǎn)。在成煤過程中，由于泥炭沉積的整個過程中存在大量的構(gòu)造運了不同產(chǎn)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(zhì)的沉積，因而會形成煤分層的結(jié)構(gòu)。煤層的復(fù)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(zhì)差異較大的特性導(dǎo)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(xiàn)】

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本文編號：2871528