【摘要】：為了研究煤巖水力壓裂的起裂壓力和水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律,采用型煤試樣,利用自主研發(fā)的水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),參照現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工制定了"施加三向應(yīng)力 頂部注水"的煤巖水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)方案并開(kāi)展了水力壓裂實(shí)驗(yàn),分析了不同條件下泵注壓力和水力壓裂裂縫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:壓裂液泵注排量越大,起裂壓力越大。三向應(yīng)力滿足最大水平主應(yīng)力σH垂向應(yīng)力σv最小水平主應(yīng)力σh,水力壓裂裂縫沿著垂直于σh的方向擴(kuò)展。σv和σh一定,隨著σH的增大,煤巖起裂壓力先增大后減小,水力壓裂裂縫擴(kuò)展路徑越平直。當(dāng)σH遠(yuǎn)大于σv和σh時(shí),水力壓裂裂縫擴(kuò)展路徑越復(fù)雜,分叉縫角度越大。研究結(jié)果可為煤巖水力壓裂理論的完善提供一定的參考和借鑒。
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圖片說(shuō)明： 述研究成果可以看出，關(guān)于煤巖水力壓裂的研究多集中于理論分析、數(shù)值模擬或現(xiàn)場(chǎng)施工，但限于理論研究的局限性、數(shù)值模擬設(shè)定的條件與實(shí)際煤巖存在差異，導(dǎo)致對(duì)水力壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律以及壓裂液與煤巖體間耦合作用機(jī)理研究還不夠完善。因此，筆者運(yùn)用自主研發(fā)的真三軸水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以型煤作為壓裂試樣，開(kāi)展了水力壓裂實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析泵壓曲線、觀察剖開(kāi)試樣，研究了真三軸作用下煤巖起裂壓力及水力壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)制，研究結(jié)果補(bǔ)充和完善了煤巖體水力壓裂理論。1水力壓裂實(shí)驗(yàn)1.1水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)力加載裝置如圖1a所示，由壓裂主框架、千斤頂、應(yīng)力傳力板等裝置構(gòu)成，應(yīng)力可單獨(dú)分級(jí)加載。當(dāng)按照實(shí)驗(yàn)方案加載三向應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力可通過(guò)應(yīng)力傳力板均勻地傳送至試樣表面；待應(yīng)力加載完成5min后，打開(kāi)泵源裝置(圖1b)，泵注壓裂液開(kāi)始水力壓裂模擬試驗(yàn)。泵注壓力通過(guò)與泵源裝置連接的水壓傳感器傳輸至多通道采集卡，通過(guò)Truetriaxialtestaid軟件實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。圖1水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1Experimentsystemforhydraulicfracturing1.2實(shí)驗(yàn)方案通過(guò)水力壓裂實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了泵注排量、三向應(yīng)力對(duì)起裂壓力、水力壓裂裂縫擴(kuò)展影響規(guī)律。
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圖片說(shuō)明： ·86·煤田地質(zhì)與勘探第45卷實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中X為左右方向，加載最大主應(yīng)力σH；Y為前后方向，加載最小主應(yīng)力σh；Z為上下方向，加載垂向應(yīng)力σv(圖2)。表1水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1Testingparametersforhydraulicfracturingsimulation實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)力/MPa流量/(mL·s-1)σHσvσhΔσ方案11.501.250.750.753.2方案21.501.250.750.754.0方案31.751.250.751.003.2方案42.001.250.751.253.2方案52.251.250.751.503.2注：主應(yīng)力差Δσ=σH σh圖2壓裂試樣及應(yīng)力加載示意圖Fig.2Sketchofsamplesandstressloading1.3試樣制備在制備壓裂試樣之前，，選用水泥、石膏、煤粉制作成不同規(guī)格的型煤，通過(guò)測(cè)定不同配比型煤的力學(xué)性能，選定合適的配比使型煤的力學(xué)性能與原煤最為接近。選定的5組試樣材料配比分別為：A組，水泥:石膏:煤粉:水=1:1:1:2；B組，水泥:石膏:煤粉:水=1:1:1.5:2；C組，水泥:石膏:煤粉:水=1.5:1:1:2；D組，水泥:石膏:煤粉:水=1:2:1:2；E組，水泥:石膏:煤粉:水=2:1:1:2。每組各制備3個(gè)樣品。利用日本AGI250電子精密材料實(shí)驗(yàn)機(jī)裝置，采取自由落體法、貼“T”形應(yīng)變片，測(cè)定不同配比型煤的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、堅(jiān)固性系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比型煤與原煤的力學(xué)參數(shù)，結(jié)合相似模型模擬礦井所在煤層受力狀況及實(shí)驗(yàn)加載要求，選定E組配比樣進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)。1.4實(shí)驗(yàn)流程①按照配比水泥:石膏:煤粉:水=2:1:1:2，利用專用模具成型試件，成型尺寸為200mm×200mm×200mm的立方體試樣(圖3)。2d后脫模，養(yǎng)護(hù)28d后，準(zhǔn)備水力壓裂實(shí)驗(yàn)。②運(yùn)用砂輪打磨試件端面，使端面的平整度符合實(shí)驗(yàn)要求，然后運(yùn)用酒精、棉花球等清理壓裂孔。③待壓裂
【作者單位】： 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院;河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司;中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心;重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A440320) 2014年度安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)科技項(xiàng)目(Henan-066-2013AQ) 2015年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)科技項(xiàng)目(Henan-0007-2015AQ)~~
【分類號(hào)】：TE377

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