多分层煤层井下水力压裂裂缝起裂规律研究.pdf

多分层煤层井下水力压裂裂缝起裂规律研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名丁 红 指导教师卢义玉 教授 专 业采矿工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二〇一四年五月 Law of Hydraulic Fracturing Crack Initiation in the Multi-layered Coal Seams A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Ding Hong Supervised by Prof. Lu Yiyu Specialty Mining Engineering College of Resources and Environmental Science Chongqing University, Chongqing, China May, 2014 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 目前，煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯技术已在重庆松藻矿区进行大量试验， 结果表明该技术能够大幅度提高煤层透气性，增加煤层气产量。但由于煤层分层 多，埋深和倾角变化范围大，压裂过程中煤层裂缝起裂及延伸规律不明确，导致 压裂参数选择和抽采钻孔布置存在盲目性，因此亟需开展多分层煤层井下水力压 裂裂缝起裂及延伸规律研究。 本文结合岩石弹性力学和断裂力学理论，在分析注水前后多分层煤层沿钻孔 径向和轴向应力分布的基础上，采用最大拉应力理论的断裂失效准则，对多分层 煤层水力压裂裂缝沿不同位置和方向起裂的起裂压力进行理论研究。结合实验室 多分层煤层水力压裂相似模拟试验，研究埋深和倾角对多分层煤层水力压裂起裂 压力、裂缝起裂位置和延伸方向的影响规律；采用声发射试验研究多分层煤层水 力压裂过程声发射能量反映煤层断裂破坏过程的机理及声发射能量随埋深和倾角 的变化规律。主要研究成果如下 ① 建立了地应力、倾角、抗拉强度、交界面黏结力及钻孔倾斜角等多因素影 响下的多分层煤层水力压裂起裂压力计算模型     22 22 22 3min 3min cossin, mincossin sincosmincos ti ti hHv Hvh Hvi p C                   ， ② 揭示了埋深和倾角对多分层煤层水力压裂起裂压力、起裂位置和延伸方向 的影响规律起裂压力随埋深增大呈线性增大趋势，随倾角增大呈小幅减小趋势； 裂缝起裂位置均位于煤层软分层中，近水平煤层中裂缝均沿起裂方向延伸，形成 网状裂缝，无明显主裂缝存在；倾斜煤层中裂缝沿起裂方向延伸，易形成明显主 裂缝，随倾角增大，主裂缝周围网状裂缝逐渐减少。与理论研究结论一致。 ③ 采用声发射试验揭示了多分层煤层水力压裂过程声发射能量反映煤层断 裂破坏过程的机理及声发射能量随埋深和倾角的变化规律声发射信号变化具有 明显的阶段特征，声发射能量的突增集中出现在注水压力峰值前后，声发射能量 的强弱与煤体骨架所受应力的累计和释放相对应，反映了多分层煤层的断裂破坏 过程；声发射能量随倾角增大呈增大趋势，随埋深增大呈减少趋势。 关键词关键词煤分层；水力压裂；起裂压力；起裂位置；声发射 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT At present, a large number of hydraulic fracturing experiments to extract methane have been conducted in Chongqing Songzao district. The results showed that this technology can greatly improve the permeability of coal seam and increase coalbed methane production. But the law of fracture’s initiation and propagation of hydraulic fracturing are not clear, due to the multi-layered, large change of depth and dip angle in the coal seam. Hence, blindness in fracturing parameter selection and borehole arrangement occurred. Therefore, it is necessary to study the law of hydraulic fracturing crack initiation in the multi-layered coal seams. Based on the theory of rock elastic mechanics and fracture mechanics, the maximum tensile stress theory of failure criteria was used to study the initiation pressure of hydraulic fracturing under different starting-crack location and direction in the multi-layered coal seam. Combined with the similar simulation experiment of hydraulic fracturing in the laboratory, the law of initiation pressure, fracture starting-crack location and developing direction variation with dip angle and depth of hydraulic fracturing in the multi-layered coal seam was revealed. The acoustic emission energy reflects fracture failure in the coal seam and law of acoustic emission energy with dip angle and depth was studied. The main results are as follows ① The initiation pressure calculation model of multi-layered coal seam hydraulic fracturing was built, which affected by multiple factors including stress, angle, tensile strength, cohesion of interface and borehole tilt angle     22 22 22 3min 3min cossin, mincossin sincosmincos ti ti hHv Hvh Hvi p C                   ， ② The law of initiation pressure, starting-crack location and developing direction variation with dip angle and depth of hydraulic fracturing in the multi-layered coal seam was revealed. Initiation pressure decreases slightly with the increase of dip angle. It is also increasing linearly with depth. The coal seam fracturing starting-crack location are all located at soft layer and the crack direction are along with the maximum horizontal principal stress direction of coal seam. The cracks are developing like mesh in nearly horizontal seam and this phenomena weaken with the dip angle increases, which will 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III a main fracture. The result is consistent with the theoretical conclusions. ③ The acoustic emission system was used to reflect fracture failure in the coal seam and law of acoustic emission energy with dip angle and depth was obtained. The change of acoustic emission parameter has obvious stage characteristics and the maximum acoustic emission energy appear before and after the peak of injection pressure. The strength of acoustic emission signals are relative with the stress and release of coal skeleton, which reflects the fracture failure of coal seam during hydraulic fracturing. Acoustic emission energy increases with dip angle increases and decreases with depth increases. Key words coal delamination; hydraulic fracturing; initiation pressure; starting-crack location; acoustic emission 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪绪 论论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 研究意义研究意义 .................................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ...................................................................................................................... 1 1.3 研究内容及技术路线研究内容及技术路线 .............................................................................................................. 3 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................................... 3 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................................... 4 2 多分层煤层水力压裂起裂参数研究多分层煤层水力压裂起裂参数研究 ...................................................................... 5 2.1 多分层煤层赋存特点及影响因素分析多分层煤层赋存特点及影响因素分析................................................................................... 5 2.2 水力压裂钻孔注水前围岩应力分析水力压裂钻孔注水前围岩应力分析....................................................................................... 6 2.2.1 原岩应力的组成及特点 ................................................................................................... 6 2.2.2 倾斜钻孔围岩应力转换 ................................................................................................... 6 2.2.3 注水前钻孔围岩应力分布 ............................................................................................... 7 2.3 水力压裂钻孔注水时围岩应力分析水力压裂钻孔注水时围岩应力分析....................................................................................... 8 2.3.1 仅受水压时钻孔围岩应力分布 ....................................................................................... 8 2.3.2 注水压裂时钻孔围岩径向应力分布 ............................................................................... 9 2.3.3 注水压裂时钻孔围岩轴向应力分布 ............................................................................. 10 2.4 多分层煤层水力压裂起裂压力分析多分层煤层水力压裂起裂压力分析..................................................................................... 11 2.4.1 沿钻孔径向起裂时的起裂压力 ..................................................................................... 11 2.4.2 沿钻孔轴向起裂时的起裂压力 ..................................................................................... 12 2.4.3 多分层煤层水力压裂起裂压力计算模型 ..................................................................... 12 2.5 多分层煤层水力压裂起裂位置和方向多分层煤层水力压裂起裂位置和方向................................................................................. 12 2.6 小结小结 ........................................................................................................................................ 13 3 多分层煤层水力压裂裂缝起裂规律试验研究多分层煤层水力压裂裂缝起裂规律试验研究 ............................................... 14 3.1 相似材料选择及其物理力学性质相似材料选择及其物理力学性质......................................................................................... 14 3.1.1 相似理论及相似材料配比选择 ..................................................................................... 14 3.1.2 相似材料物理力学性质测试 ......................................................................................... 16 3.2 多分层煤层水力压裂相似模拟试验多分层煤层水力压裂相似模拟试验..................................................................................... 18 3.2.1 试验系统及装置 ............................................................................................................. 18 3.2.2 试验方案及压裂试样制作 ............................................................................................. 19 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 3.2.3 试验过程 ......................................................................................................................... 23 3.3 多分层煤层水力压裂起裂压力变化规律多分层煤层水力压裂起裂压力变化规律............................................................................. 23 3.3.1 压裂过程注水压力和流量变化 ..................................................................................... 23 3.3.2 多分层煤层水力压裂起裂压力和最大注水流量 ......................................................... 26 3.3.3 起裂压力理论值和实际值对比分析 ............................................................................. 27 3.4 多分层煤层水力压裂起裂位置及裂缝延伸规律多分层煤层水力压裂起裂位置及裂缝延伸规律 ................................................................. 28 3.4.1 多分层煤层压裂后裂缝起裂位置及延伸方向 ............................................................. 28 3.4.2 理论和实际起裂位置对比分析 ..................................................................................... 29 3.5 小结 ........................................................................................................................................ 29 4 多分层煤层水力压裂声发射特性研究多分层煤层水力压裂声发射特性研究 ............................................................... 31 4.1 声发射监测原理及现场应用声发射监测原理及现场应用 ................................................................................................ 31 4.2 多分层煤层水力压裂声发射试验多分层煤层水力压裂声发射试验......................................................................................... 32 4.2.1 声发射试验系统及装置 ................................................................................................. 32 4.2.2 声发射试验过程 ............................................................................................................. 32 4.3 多分层煤层水力压裂声发射特性变化规律多分层煤层水力压裂声发射特性变化规律......................................................................... 33 4.3.1 不同倾角煤层水力压裂声发射特性 ............................................................................. 33 4.3.2 不同埋深煤层水力压裂声发射特性 ............................................................................. 34 4.3.3 声发射能量随煤层倾角和埋深变化规律 ..................................................................... 36 4.4 小结小结 ........................................................................................................................................ 36 5 结论与建议结论与建议 ......................................................................................................................... 37 5.1 结论结论 ........................................................................................................................................ 37 5.2 建议建议 ........................................................................................................................................ 37 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 38 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 39 附附 录录 ....................................................................................................................................... 42 A. 作者在攻读硕士期间发表论文作者在攻读硕士期间发表论文 .............................................................................................. 42 B. 作者在攻读硕士期间申请发明专利作者在攻读硕士期间申请发明专利 ...................................................................................... 42 C. 作者在攻读硕士期间参加科研项目及获奖情况作者在攻读硕士期间参加科研项目及获奖情况 .................................................................. 42 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究意义 目前全世界煤矿井下的瓦斯灾害严重影响着矿井的生产和安全，虽然近几年 的煤矿瓦斯事故逐年大幅度下降，但瓦斯事故没有得到有效遏制，煤矿瓦斯防治 形势依然严峻[1-4]。煤矿瓦斯在作为一种灾害气体的同时，也是一种新型清洁优质 能源煤层气，我国煤层气资源丰富，但是煤层气利用率较低[5-7]。因此亟需发 展瓦斯抽采技术从而提高低透气性煤层瓦斯抽采率，实现煤矿瓦斯灾害防治和煤 层气高效抽采。 近年来，针对我国大部分煤矿区煤层赋存条件复杂、透气性较低的问题，国 内外学者将油气系统水力压裂技术引入煤矿井下，该技术原理是利用高压水压裂 破坏具有软弱面的煤层，促使煤层产生裂缝，使得原始裂隙贯通和延展，从而实 现煤层卸压和透气性的增加[8-10]。目前，煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯技术已在 重庆松藻矿区进行大量试验，结果表明该技术能够使得煤层卸压，大幅度提高煤 层透气性，增加煤层气产量[11]。 然而目前对煤矿井下水力压裂的研究主要集中于技术、工艺和装备的现场应 用，同时由于重庆松藻矿区煤层分层多，煤层埋深和倾角变化范围大，压裂过程 中煤层裂缝起裂及延伸规律不明确，裂缝沿着本煤层、顶底板交界面或煤分层交 界面起裂无法确定，不能有效的对煤层实施水力压裂，导致压裂参数选择和抽采 钻孔布置存在盲目性，因此，多分层煤层水力压裂起裂规律研究对提高煤层透气 性和煤层气高效抽采具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状 （1）油气系统水力压裂研究 目前，国内外学者对于水力压裂起裂和延伸规律方面的研究主要集中在油气 工程领域。油气系统水力压裂的基本原理是将混入大量支撑剂的高压液体压入油 气储层，使储层破裂形成垂直或平行层面的裂缝，使支撑剂充满裂隙，以便在停 止以后支撑住裂隙[12]。 国内外学者对水力压裂的起裂机理进行了系统的研究，邓广哲[13]等分析了含 内压裂纹的扩展压力与原始地应力场及围岩力学特性的关系，并基于断裂力学得 出了岩体内水压裂隙起裂的最小裂隙水压力；Crosby D G[14]采用最大拉应力准则 建立钻孔孔壁破裂条件，推导出压裂钻孔起裂压力的临界值公式并分析了钻孔不 同的起裂位置；唐书恒[15]采用数值模拟方法求解了不同地应力条件下钻孔孔壁处 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 的破裂压力，分析了地应力对水力压裂起裂压力、起裂位置的影响。 对于水力压裂后裂缝延伸规律，研究学者几乎一致从数值模拟方面进行研究。 连志龙[16]以临界应力作为裂纹扩展准则并采用流固耦合模型模拟了水力压裂扩展 问题， 推导出裂缝面内的压降方程表达式， 并采用 ABAQUS 建立了水力压裂计算 模型，模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压 裂扩展的影响；张广明[17]采用流固耦合单元模拟岩石的应力渗流耦合行为，采用 带有孔隙压力自由度的粘结单元模拟油层和隔层的破裂和扩展；彪仿俊[18]使用 ABAQUS 软件及其相关的用户子程序接口，建立了相应的三维有限元模型，模型 中包括油井的套管、水泥环、射孔、产层和隔层，分别采用三维流固耦合实体单 元和 cohesive 粘结单元描述岩石和裂缝的行为。 上述水力压裂裂缝起裂和延伸的机理研究主要针对石油储层进行，与煤矿井 下煤层相比，两者之间存在着地应力状态、煤岩成分和压裂裂缝形态的本质差别 煤层富含有大量原生裂隙，属各向异性材料，在高压水作用下一般不产生如砂岩 中的裂缝形态，而是原生裂隙的扩展延伸，且裂缝不易支撑。因此油气系统水力 压裂起裂和延伸机理并不能完全适用于煤矿井下压裂。 （2）煤矿井下水力压裂研究 目前对于煤矿井下水力压裂的相关研究主要是现场实践和应用，相关的理论 和试验研究较少。煤矿井下煤层压裂时，钻孔在高压水作用下发生起裂后，水对 原始裂隙的壁面产生内水压力，促使该裂隙起裂后发生扩展和延伸，并逐步形成 贯通网络。煤层含有大量微裂隙，高压水作用下这些微裂隙不断扩展、贯通形成 主裂隙，而不形成新裂纹。 近年来，针对煤矿井下水力压裂的裂缝起裂机理和延伸规律，国内一些学者 进行了初步研究。李志刚[19]运用 Griffith 等有关脆性断裂理论，试验研究了煤岩单 轴压应力状态下的脆性断裂过程；张国华[20]、吕有厂[21]等在分析水平钻孔周围煤 体力学特性和应力场特点的基础上，采用最大拉应力准则建立煤体破裂条件，判 断在原岩应力和内水压力双重作用下压裂孔在孔壁的拉应力超过煤层抗拉强度时 起裂，推导出压裂孔起裂压力临界值公式并对其起裂位置进行研究；杜春志[22]从 理论上分析了裂缝壁面的受力状态，根据最大拉应力准则，给出了原级裂隙扩展 的力学条件，进而分析了空间壁面裂隙扩展的力学条件；Wang Tao[23]基于二维颗 粒流PFC-2D的方法对煤层水力压裂进行了模拟，研究了煤层宏观力学性能对裂 缝的萌生和大小的影响，并根据不同的颗粒流组合计算了起裂压力和裂缝半径的 经验公式。 这些学者的理论分析和数值模拟研究主要是以岩层或煤层中的水平顺层钻孔 为对象，而在煤矿井下实施顺层钻孔压裂容易引起卡钻及诱发突出，因此目前对 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 煤层实施水力压裂基本上采用穿层钻孔，不能完全应用以上研究结论。 蔺海晓[24]对型煤和原煤试件进行了不同地应力状态和泵注流量的拟三轴水力 压裂实验，研究认为常规压裂裂缝总是沿地应力最大的方向扩展，且泵注流量越 大，起裂压力也越大；黄炳香[25]通过在传统水力压裂后进行水压控制爆破的试验， 改变煤岩体的结构从而有效提高压裂裂缝的数量和范围；李贤忠[26]通过实验室试 验研究了高压脉动压裂与常规压裂的不同，脉动应力波使得煤岩体的能量积聚， 可以以较小的脉动压力产生比常规压力更好的压裂效果。这些学者采用物理实验 的方式对常规、脉动水力压裂及水压爆破后的起裂压力和裂缝特性进行了分析， 而对赋存特点复杂的多分层煤层水力压裂的起裂规律缺乏相关的研究。 以上学者采用理论分析、数值模拟和物理实验的方式，对煤矿井下压裂的起 裂机理和裂缝延伸规律进行了研究，但仅仅局限于基于弹性力学和断裂力学理论 在煤体中的裂缝起裂和延伸的定性研究。由于在赋存条件复杂的多分层煤层水力 压裂起裂压力、裂缝起裂位置及延伸规律不明确，在现场应用中不能有效的增加 煤层相互贯通裂隙的数目和增大裂缝延伸的最大长度，使得裂隙率维持在较高的 水平，导致压裂参数选择和抽采钻孔布置存在盲目性。因此亟需开展多分层煤层 井下水力压裂裂缝起裂及延伸规律研究。 1.3 研究内容及技术路线 1.3.1 研究内容 ① 多分层煤层水力压裂裂缝起裂参数研究 结合岩石弹性力学和断裂力学理论，在分析松藻矿区井下注水前后多分层煤 层沿钻孔径向和轴向