主要内容

结合软煤物理力学特征，通过建立颗粒胶结体离散元数值模型，深入研究软煤压裂过程中孔周应力的动态分布及其演化特征，旨在为软煤水力压裂孔周致裂机制及压裂效果评价提供支撑。

1.  数值模型建立

图  1 数值模型示意图

1.1   接触模型及参数标定

图  2  平行黏结模型运行原理图

表  1  模型细观参数

表  2  宏观参数对比

1.2   流固耦合方法与原则

1.3   边界条件设置

图  3  测量圆布置示意图

2.  软煤水力压裂应力时空演化结果分析

2.1  孔周应力空间分布特征

图  4  水力压裂过程中6个阶段状态应力云图

2.2   孔周应力随时间演化特征

图  5  水力压裂过程中孔周应力随时间的变化情况

2.3   应力路径时空演化

图  6  x方向和y方向与压裂孔等距离位置的应力路径时空演化图

3.  讨论

3.1  孔周应力对裂隙发育的控制作用

水力压裂过程中6个阶段状态裂隙扩展形态及其组构分布特征如图 7所示。由2.2节可知，压裂前期在x方向的应力增幅较大，因此，前期阶段水力压裂裂隙发育形态整体上沿着最大主应力方向扩展，这与裂隙组构图中裂隙角度的分布基本一致。压裂后期y方向应力增幅迅速增大，大量裂隙开始沿着y方向扩展，裂隙组构的角度分布也显示，在90°方向的裂隙数量明显增多。结合2.1节和2.3节应力的空间分布和应力差异程度来看，软煤应力集中影响区域往往有较为发育的裂隙分布，且其应力差异系数较小，最终在孔周形成裂隙均匀发育的区域。此外，软煤压裂过程中不只产生了水力裂隙，由于孔周应力范围大于裂缝扩展区域，只要孔周应力大于颗粒之间的胶结强度，在软煤试样水力裂隙未到之处也会产生扰动裂隙。可见，孔周应力的分布规律与裂隙的产生和发育关联紧密，水力压裂孔周应力对裂隙扩展的控制作用显著。

图  7  水力压裂过程中6个阶段的裂隙扩展状态

3.2   软煤水力压裂力学行为机制探讨

通过颗粒胶结体离散元数值模拟，再现了软煤水力压裂过程中的孔周致裂力学行为，揭示了水力压裂孔周应力的时空分布及演化规律。在一定的地应力条件下，水力压裂过程中孔周应力表现出应力集中现象，其影响范围内应力水平高，应力差异程度小，容易形成裂隙均匀发育的环形塑性圈。同时，软煤压裂过程中孔口表现出“扩孔”现象，如图 7中的HF4、HF5和HF6阶段。因此，在注入水压逐渐增大的前提下，应力增高区域相对未扩孔前发生径向外移，应力增高区逐渐变大，这种压裂孔的“扩孔”现象所伴随的应力集中外移有助于孔周裂隙均匀发育，即软煤水力压裂孔周扩孔致裂—应力外移的力学行为机制。

在软煤压裂工程实践中，已有现场水力压裂实测应力数据表明：水力压裂过程中引起的应力重新分布会在煤层介质中由孔口径向外传递，应力大小向外逐渐衰减，且孔周塑性圈发生不可逆的变形膨胀，塑性圈半径扩大，这些结果与本次数值模拟中应力大小的演化趋势一致，在一定程度上反映了数值模拟的可靠性。笔者所强调的应力集中现象是一把“双刃剑”，一方面应力集中形成过程会促使煤体产生致裂，另一方面应力集中形成后会产生“应力屏障”阻碍瓦斯气体流动。因此，在软煤压裂工艺设计环节，合理控制压裂过程中因水压扰动引起的孔周应力集中，或可成为实现均匀压裂的重要途径，这也是解决由于应力集中导致“应力屏障”限制瓦斯流动的突破口。

4. 结束语

采用PFC2D离散元数值模拟方法，开展软煤水力压裂数值模拟研究，分析了软煤水力压裂过程中孔周应力的时空演化特征，揭示了孔周应力集中现象，以及x、y方向上距离压裂孔不同位置的应力大小和应力路径的演化规律。

1) 应力增高区水平应力差异系数相差不大，而应力集中影响区域以外的差异系数相差较大，与地层主应力趋于一致。压裂过程中，x方向和y方向上距压裂孔相同距离位置的应力差异系数接近与否，可作为应力集中影响范围的判识依据。

2) 应力增高区往往裂隙较为发育。压裂前期裂隙发育沿着地层最大主应力方向扩展，后期随着应力集中影响区域扩大，孔周裂隙逐渐趋于均匀。水力压裂孔周应力表现出对裂隙扩展的显著控制作用。

3) 软煤水力压裂孔周形成塑性圈的实质是应力集中致裂导致的。随着水力压裂的进行，孔周扩孔现象明显，应力增高区发生径向外移，揭示了软煤水力压裂孔周扩孔致裂—应力外移的力学行为机制。