煤岩水力压裂裂缝扩展规律研究

摘要

煤岩与其他岩石相比，力学特性存在较大差异，主要原因是煤岩内发育大量的割理、天然裂缝等结构弱面，具有强度低、弹性模量低、泊松比高、易碎等性质。与常规油气储层相比，煤岩水力压裂裂缝形态更为复杂，使得现有的煤岩水力压裂起裂扩展理论计算结果与实际情况存在较大偏差，不能较好地实现对煤岩水力压裂裂缝形态的描述和分析。 本文开展了煤岩力学参数获取实验和水力压裂裂缝扩展实验。首先，通过三轴实验对不同取心方向下煤岩的抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数进行测定，根据Mohr-Coulomb准则计算水平和垂直取心岩样的内摩擦角、内聚力；其次，针对强度应力因子理论，利用人字形切槽巴西圆盘实验获取煤岩断裂韧性，实验结果表明：垂直于面割理的断裂韧性值大于平行方向的断裂韧性值。最后，进行全煤样室内水力压裂实验。通过实验获得并利用压裂曲线、煤样解剖和工业CT扫描等对煤岩裂缝扩展描述。结果表明：煤岩水力裂缝遇面割理裂隙体系时，容易发生转向。 通过对煤岩水力裂缝扩展特点分析，符合KGD模型。基于KGD模型并考虑压裂液综合滤失性得到单裂缝几何形态相关计算二维模型，经计算与室内实验结果相接近。考虑煤岩内部大量面割理裂隙体系对水力裂缝扩展的影响，本文将煤岩面割理视为一种特殊的天然裂缝，构建水力裂缝穿过天然裂缝和沿天然裂缝扩展的二维模型。当水力裂缝沿天然裂缝扩展时，引入应力强度因子，利用最大周向应力理论得出新裂缝起裂角度计算模型，并与室内实验相结合，得到接近的结果。 基于煤岩水力裂缝扩展模型，利用Visual Basic6.0进行软件编制。运用所编制的软件对煤岩水力裂缝形态、水力裂缝遇天然裂缝、新裂缝起裂角等进行计算并对影响因素进行预测分析。结果表明：弹性模量、泊松比、净压力、压裂液滤失性对裂缝形态的影响程度不同；水力裂缝在高逼近角、高水平应力差范围内易穿过天然裂缝；在低逼近角、低水平应力差下，水力裂缝趋向沿天然裂缝扩展，水力裂缝扩展至天然裂缝端部时，新裂缝起裂转向，起裂角与逼近角、缝内净压力、水平应力差相关。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤层水力压裂起裂问题研究现状

1.2.2煤层水力压裂扩展模型研究现状

1.3 研究主要内容和技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第二章 煤岩水力压裂裂缝扩展室内模拟实验

2.1 煤岩弹性力学实验

2.1.1 标准岩石试样的制作

2.1.2 煤岩三轴压缩实验

2.1.3 煤岩内聚力、内摩擦角的确定

2.2 煤岩断裂韧性实验

2.2.1 巴西圆盘实验原理

2.2.2 煤岩试样的有效制作

2.2.3 煤岩断裂韧性实验流程

2.2.4 煤岩断裂韧性实验结果

2.3 煤岩水力压裂裂缝扩展室内实验

2.3.1 4号煤岩水力压裂实验

2.3.2 6号煤岩水力压裂实验

2.4 本章小结

第三章 煤岩水力裂缝扩展模型的建立

3.1 煤岩水力裂缝扩展的特点

3.2 煤岩单裂缝扩展模型的建立

3.2.1 煤岩水力压裂模型的选择

3.2.2 压裂液综合滤失系数的计算

3.2.3 裂缝参数的计算

3.3裂缝扩展准则的选择

3.3.1 裂缝应力强度因子K

3.3.2 应力强度因子的计算

3.3.3 最大周向应力理论

3.3.4 裂缝扩展过程中起裂角度计算模型

3.4 水力裂缝与天然裂缝相遇问题研究

3.4.1 水力裂缝直接穿过天然裂缝扩展模型

3.4.2 水力裂缝沿天然裂缝扩展模型

3.4.3 模型验证

3.5 本章小结

第四章 煤岩水力压裂裂缝扩展软件的编制及预测分析

4.1 软件的编制

4.2 软件的介绍

4.3 煤岩水力裂缝形态参数计算预测分析

4.3.1 净压力对裂缝几何形态的影响

4.3.2 弹性模量、泊松比对裂缝几何形态的影响

4.3.3 综合滤失系数对裂缝几何形态的影响

4.4 水力裂缝遇天然裂缝预测分析

4.4.1 内摩擦系数的影响

4.4.2 逼近角、水平主应力差的影响

4.5 起裂角度影响因素预测分析

4.6 实例计算

4.7 本章小结

结论

参考文献

致谢