煤层顶板分段水力压裂应力及裂缝演化试验研究

作者

胡千庭刘继川李全贵张跃兵宋明洋孙万杰宋继斌
单位

重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆大学资源与安全学院成都大学应急管理学院
摘要

煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术，该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件中布置应变砖来监测两段压裂的应力时空演化全过程，获得了水力压裂裂缝附近诱导应力场特征，应用声发射技术监测水力裂缝的动态扩展过程，研究了在诱导应力影响下不同排量、不同顶板岩性、不同煤岩界面强度和不同地应力条件下的裂缝延伸形态.最后针对不同储层条件探讨了工艺参数优化方案.研究结果表明：起裂压力受岩石物理力学性质和应力环境的影响.起裂压力随着垂向地应力、泵注水压、岩体抗拉强度的增大出现上升的趋势.当裂缝扩展方向垂直于压裂钻孔时，第一段压裂产生的诱导应力会增加钻孔方向压应力从而导致第二段压裂起裂困难；当裂缝平行于钻孔方向扩展，第一段压裂裂缝会削弱第二段压裂孔附近岩体强度并降低起裂压力.3个影响因素对水力裂缝穿层扩展的影响机制不同.较大的垂向应力差能引导裂缝垂向扩展；较高的煤岩界面强度使得裂缝能够扩展穿过煤岩界面；提高泵注排量主要是增大了岩体的整体破坏范围，从而增加了裂缝扩展到煤层中的程度；压裂产生的诱导应力改变了原始地应力场，使裂缝扩展偏离垂直方向，并降低裂缝扩展程度从而减弱裂缝穿层扩展能力.对顶板分段水力压裂进行了工程探讨，较高的垂向地应力差和较强的煤岩界面强度是裂缝穿层扩展的最有利储层条件，较高的泵注排量和较低的诱导应力是控制裂缝穿层扩展最有利的施工工艺.
关键词

煤层顶板分段水力压裂诱导应力裂缝扩展
基金项目(Foundation)

国家自然科学基金项目(52074049)；
文章目录

1 试验方法及装置
1.1 试件制作及基础参数测试
1.1.1 基础参数测试
1.1.2 压裂试件及应变砖制作
1.2 试验设备及试验程序
1.2.1 试验设备
1.2.2 试验程序
2 试验结果分析
2.1 起裂压力影响因素分析
2.2 水力裂缝扩展情况
2.2.1 泥岩-煤组合试件
2.2.2 砂岩-煤组合试件
2.2.3 砂岩-泥岩组合试件
2.3 压裂过程应力演化规律
3 顶板分段水力压裂优选方案探讨
3.1 顶板分段水力压裂主控条件
3.2 顶板分段水力压裂工艺选择
1)低垂向地应力差-低煤岩界面强度
2)高垂向地应力差-低煤岩界面强度
3)低垂向地应力差-高煤岩界面强度
4)高垂向地应力差-高煤岩界面强度
4 结论
相关专题

这篇文章属于“矿井瓦斯防治利用战略研究与进展”专题（10篇）