煤层树状支孔诱导水力裂缝起裂及扩展机理

摘要

高效抽采煤层气（瓦斯）能够保障煤矿安全高效开采、优化能源结构，符合中国能源战略布局。传统水力化增透措施无法保证煤层气的全面高效抽采，如水力冲孔、水力割缝技术增透范围小、抽采时间长；常规水力压裂技术起裂压力高、裂缝形态单一、遗留的增透“空白区”可能诱发突出事故等。课题组提出了煤矿井下树状压裂增透方法，具有起裂压力低、裂缝分布均匀、压裂范围可控等优点。但是，该方法在天然节理、层理及树状支孔叠加作用下的水力裂缝起裂扩展规律及控制机理尚不明确，不能沿用传统水力增透理论来解释，无法为树状压裂的施工参数选择及推广应用提供理论基础。　　因此，本文采用理论分析、相似实验、现场实验等多种方法，分析了含瓦斯煤层树状压裂裂缝起裂规律，揭示了树状支孔诱导水力裂缝扩展并均匀分布控制机理，研究了树状压裂煤层瓦斯流动特性及增透效果。取得的主要成果有：　　(1)建立了煤层树状压裂起裂压力、起裂位置及破坏模式预测模型。充分考虑煤层瓦斯压力高、节理发育等特点，分析了含瓦斯煤层起裂破坏模式的多样性，基于弹性力学、断裂力学和应力叠加原理获得了树状支孔孔壁应力，通过最大拉应力准则和最小能量原理确定了树状压裂在不同破坏模式下的理论起裂压力，揭示了含瓦斯煤层树状压裂起裂机理，并通过实验验证了模型的正确性。　　(2)得到了地应力、煤层倾角、瓦斯压力、树状支孔长度等7个参数对树状压裂起裂的影响规律。其中垂直地应力（正相关，起裂压力增幅较大）、树状支孔方位角（呈波浪形，沿最大主应力方向时起裂压力最小）、瓦斯压力（呈倒“V”型，整体变化幅度较小）和煤层倾角（正相关，起裂压力增速较缓）对起裂压力影响明显，仅有树状支孔方位角是可控的起裂压力影响参数。同时，统计发现树状压裂破坏类型主要为张拉破坏及沿煤层本体破坏，且约70%的起裂模式为沿层理面张开起裂。　　(3)揭示了树状支孔诱导水力裂缝扩展及控制裂缝均匀分布机理。基于复势函数和应力叠加法推导了树状支孔间力学模型及主应力迹线，提出了导向关键点、有效导向判定准则和树状支孔合理布置参数，分析了地应力、树状支孔布置参数等对水力裂缝有效导向及裂缝均匀分布的影响规律，发现地应力差和树状支孔长度差是影响有效导向难易的主要因素，并获得了树状支孔长度、初始角、地应力差和导向适宜角的计算公式，通过相似实验验证了理论模型的正确性。　　(4)实现了真三轴条件下含瓦斯原煤树状压裂抽采的一体化物理模拟，获得了树状压裂抽采瓦斯流动演化规律。搭建了真三轴流固气耦合实验系统并开展树状压裂抽采模拟实验，通过瓦斯压力、瓦斯流量、启动压力梯度描述了抽采过程瓦斯流动特性，分析了树状压裂后复杂缝网形成机理，阐述了煤层树状压裂技术均衡增透抽采原理，发现树状压裂可降低起裂压力20%，提高试件渗透率3.9倍。开展了树状压裂技术、常规压裂技术、密集钻孔技术的现场对比实验，表明树状压裂技术能保持更长时间的高浓度抽采。　　本文的研究成果为树状压裂技术的现场应用提供了理论基础，完善了水力压裂增透技术体系。

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水力压裂起裂模型研究现状

1.2.2 水力裂缝扩展规律研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法及技术路线

2 煤层树状压裂起裂模型及影响因素研究

2.1 树状支孔应力场分析

2.2 原煤物理特性

2.3 树状压裂起裂模型的建立

2.3.1 沿煤层本体起裂

2.3.2 沿层理节理剪切起裂

2.3.3 沿层理节理张开起裂

2.3.4 树状压裂起裂预测模型

2.4 煤层树状压裂起裂规律分析

2.4.1 煤层倾角对起裂规律的影响

2.4.2 地应力对起裂规律的影响

2.4.3 瓦斯压力对起裂规律的影响

2.4.4 压裂孔角度对起裂规律的影响

2.4.5 树状支孔长度对起裂规律的影响

2.4.6 树状支孔层位角对起裂规律的影响

2.4.7 树状支孔方位角对起裂规律的影响

2.4.8 树状压裂起裂模式分析

2.5 本章小结

3 树状支孔诱导水力裂缝扩展及均匀分布机理研究

3.1 树状压力导向及均衡增透原理

3.2.1 树状支孔模型简化

3.2.2 树状支孔孔间应力场分析

3.2.3 树状支孔诱导裂缝扩展路径

3.3.1 裂缝均匀分布机理

3.3.2 导向关键点的定义

3.3.3 有效导向性的判定

3.3.4 导向适宜角的影响因素

3.4.1 距压裂孔距离对主应力方向的影响

3.4.2 树状支孔长度对导向适宜角的影响

3.4.3 初始角对导向适宜角的影响

3.4.4 地应力差对导向适宜角的影响

3.4.5 注水压力对导向适宜角的影响

3.4.6 导向适宜角的计算

3.5 模型的验证

3.5.1 实验装置和试样制备

3.5.2 实验结果的验证

3.6 本章小结

4 真三轴条件下树状压裂煤体瓦斯流动特性

4.1 原煤试样的制备

4.2 真三轴树状压裂抽采实验

4.2.1 实验平台介绍

4.2.2 实验方案

4.2.3 实验步骤

4.3 树状压裂抽采实验结果与讨论

4.3.1 瓦斯压力变化规律

4.3.2 瓦斯流量变化规律

4.3.3 试件渗透率的表征

4.3.4 抽采效果对比分析

4.3.5 起裂压力模型的验证

4.4.1 树状压裂裂缝形态分析

4.4.2 树状压裂大范围抽采原理

4.5.1 实验地点概况

4.5.2 压裂施工参数及方案

4.5.3 压裂过程

4.5.4 应用效果对比分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 主要创新点

5.3 研究展望

参考文献

附录

A．作者在攻读博士学位期间发表论文目录

B．作者在攻读博士学位期间所参加的科研项目

C．作者在攻读博士学位期间所取得的科研成果

D．学位论文数据集

致谢