树状分支钻孔影响水压裂缝起裂扩展规律的实验研究

摘要

针对当前煤矿井下水力压裂技术存在起裂压力过高易导致顶底板破坏、压裂不均衡存在增透“空白带”等问题，所在团队提出煤矿井下树状压裂均衡增透新方法，该方法压裂时形成以穿层钻孔为树干，以使用自进式射流装置通过穿层钻孔在煤层中形成的树状分支钻孔为枝干，以压裂产生的水力裂缝为枝条的树状压裂结构。现场初期应用表明，该方法能大幅增大抽采范围、增强抽采效果，但树状压裂裂缝起裂、扩展规律尚不明确。
　　本文依据岩石力学物理相似模拟理论，采用实验室真三轴水力压裂相似模拟实验系统和RFPA2D-Flow软件研究了分支钻孔数量、分支钻孔长度及分支钻孔与主应力夹角对树状压裂起裂压力、裂缝起裂位置和扩展方向的影响规律。主要研究成果如下：
　　①揭示了树状分支钻孔对树状压裂起裂压力的影响规律。研究表明：树状分支钻孔越多，起裂压力越低；树状分支钻孔越长，起裂压力越低，四分支钻孔模型最高将起裂压力降低了69％，分支钻孔长度为20m的模型起裂压力较分支钻孔长度为5m的模型降低了40%。
　　②总结了树状分支钻孔对水压裂缝起裂位置、扩展方向的影响规律。无树状分支钻孔模型的起裂位置为压裂孔底部，多分支钻孔模型的起裂位置为分支钻孔端处，且分支钻孔越多起裂位置越多，分支钻孔越长起裂位置越分散；受孔隙水压力的作用，裂缝会向相邻分支钻孔扩展并在钻孔布置面内形成裂缝网，分支钻孔越多，裂缝网分布越均衡，压裂效果越好。
　　③研究了树状分支钻孔与主应力夹角对裂缝缝网复杂程度的影响规律。在研究中，当存在多个分支钻孔时，会产生不同分支钻孔与主应力的夹角不相等的情况，若夹角之间差值越小，则裂缝缝网复杂程度越高，裂缝发育越均衡。

目录

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤矿井下水力压裂技术的研究现状

1.2.2 裂缝起裂及扩展规律的研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 树状分支钻孔对裂缝起裂及扩展影响的实验研究

2.1 实验方案的制定

2.1.1 模型物理力学参数的测定

2.1.2 相似参数的确定

2.1.3 实验系统及装置

2.1.4 实验方案及试验步骤

2.2.1 分支钻孔数量对起裂压力的影响规律

2.2.2 分支钻孔数量对裂缝起裂及扩展的影响规律

2.3.1 分支钻孔长度对起裂压力的影响规律

2.3.2 分支钻孔长度对裂缝起裂及扩展的影响规律

2.4 本章小结

3 树状分支钻孔对裂缝起裂及扩展的模拟研究

3.1 RFPA2D-Flow软件简介

3.2 数值模拟方案

3.2.1 模型参数的确定

3.2.2 模拟方案的制定

3.2.3 模型的建立及边界条件的设定

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 数值模拟结果

3.3.2 树状分支钻孔对起裂压力的影响规律

3.3.3 树状分支钻孔对裂缝起裂及扩展影响规律

3.3.4 树状分支钻孔与主应力夹角对压裂效果的影响

3.4 本章小结

4 结论与建议

4.1 结论

4.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士期间发表论文

B. 作者在攻读硕士期间申请发明专利

C. 作者在攻读硕士期间参加科研项目