周期注水作為一種有效開(kāi)采頁(yè)巖氣的應(yīng)力改造技術(shù),其對(duì)頁(yè)巖裂縫起裂擴(kuò)展影響機(jī)制尚不明確。基于頁(yè)巖儲(chǔ)層真實(shí)三維應(yīng)力環(huán)境,研制了真三軸水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng),以黑龍江雙鴨山礦區(qū)煤系頁(yè)巖為研究對(duì)象,制作了煤系頁(yè)巖相似材料模型,進(jìn)行了先周期注水應(yīng)力改造、后水力壓裂的頁(yè)巖裂縫擴(kuò)展模擬試驗(yàn)。利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)了應(yīng)力改造階段和壓裂階段裂縫起裂擴(kuò)展過(guò)程,根據(jù)聲發(fā)射能量變化和頻譜特征,分析了應(yīng)力改造和水力壓裂階段的裂縫特征、起裂擴(kuò)展規(guī)律,提出了基于聲發(fā)射能量分析的水力壓裂裂縫由起裂階段進(jìn)入擴(kuò)展階段的判別指標(biāo)和判定方法。試驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)力改造階段裂縫尺寸以微裂縫為主,隨周期注水壓力增加,張拉型裂縫占比減少,剪切型裂縫占比增加;壓裂階段裂縫尺寸以宏觀裂縫為主,隨周期注水壓力增加,張拉型裂縫占比增加,剪切型裂縫占比減少,當(dāng)周期注水壓力為1.6MPa時(shí)為最優(yōu),易形成縫網(wǎng)。提出以平均聲發(fā)射能量能率k作為裂縫起裂判據(jù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)k降幅超過(guò)26.87%時(shí),裂縫由起裂階段進(jìn)入擴(kuò)展階段。周期注水應(yīng)力改造可以產(chǎn)生微裂縫,溝通水力裂縫降低壓裂時(shí)裂縫起裂難度,從而提高頁(yè)巖氣開(kāi)采率。所得結(jié)論可為水力壓裂應(yīng)力改造效果評(píng)價(jià)與裂縫控制提供參考。 

【文章來(lái)源】：實(shí)驗(yàn)力學(xué). 2020,35(04)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

煤系頁(yè)巖巖樣

表2 原巖與相似材料抗拉強(qiáng)度對(duì)比Tab.2 Comparison of tensile strength between original rock and similar model 組數(shù) 1 2 3 平均值 原巖 4.579 3.911 4.622 4.371 相似材料1 1.122 0.917 0.959 0.999 相似材料2 1.018 0.987 1.138 1.048 相似材料3 0.753 0.857 0.794 0.801 相似材料4 0.682 0.626 0.629 0.646 相似材料5 0.616 0.503 0.525 0.551 相似材料6 0.510 0.483 0.434 0.476圖4 完成后的試件

圖3 相似模型巴西劈裂試驗(yàn)基于相似性原理確定幾何相似比為CL=10,應(yīng)力比Cσ=10,抗拉強(qiáng)度比Ct=10。結(jié)合煤系頁(yè)巖原巖的抗拉強(qiáng)度測(cè)定,經(jīng)反復(fù)摸索相似材料配比進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn),由表2可以發(fā)現(xiàn),相似材料6配比模型抗拉強(qiáng)度σt=0.476MPa,與原巖抗拉強(qiáng)度相似比最為接近。該相似模型選擇粒徑小于1mm的石英砂作骨料,以水泥作膠結(jié)劑,并在其中添加一定量石膏模擬巖樣的脆性,水泥∶石英砂∶水=1∶6∶0.6。試驗(yàn)采用水平井模擬真實(shí)地礦,因此注水孔需要平行放置,從三軸加載腔處進(jìn)行注水,在試件制作完成后制作注水孔,鉆孔深度為120mm,鉆孔直徑為6mm,之后將注水孔上端部直徑擴(kuò)大至14mm,深度為12mm,用于放置內(nèi)螺紋螺母。鉆取完畢后,利用棉簽清理鉆孔。鉆孔清理完畢后將帶有卡套的注水管線放置固定于鉆孔內(nèi),預(yù)留20mm的裸眼壓裂段,注水管線與井壁之間的環(huán)空利用高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂膠封固。之后將內(nèi)螺紋螺母固定于注水管線上,內(nèi)螺紋螺母與井壁之間的空隙同樣利用高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂膠封固,待高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂膠凝固后試件制作完畢,如圖4所示。

【參考文獻(xiàn)】：
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