碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

摘要

间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一,其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层,核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征.将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间,结合立方定律,得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz自由能表达式,结合达西定律,导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式.在数值计算中,将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元,通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合.采用断裂力学实验识别材料参数,结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏-渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性.在此基础上,模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程,包括水平井和界面的间距D,竖向与最小水平地应力之差Aσ,煤岩界面摩擦因数fc,r.结果 表明:①DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏-渗流耦合响应特征;②煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展,其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散,导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2％;③数值模拟条件下,水力裂缝穿透煤岩界面的临界fc,r与D呈正相关,与Aσ-呈负相关关系.D对临界fc,r的影响更大,将D控制在1 m之内有望使18％ ～30％的水力能量用于水力裂缝扩展,提高间接压裂煤层技术的成功率.水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用,实现碎软煤层地面井煤层气增产,为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑.