文摘

水力压裂法可以提高煤层的裂缝,提高煤层的透气性,降低煤与瓦斯突出的风险。大部分的现有实验标本均匀,屋顶和地板的影响水力裂缝扩张是不考虑。因此,水力压裂试验的模拟煤层和屋顶和地板进行了不同压力条件下使用自主研发的真三轴煤矿动力灾害大规模仿真试验台。结果表明,(1)三轴条件下的不平等的压力,液压骨折在煤层垂直,和煤层中水力裂缝的扩展方向偏转,增加的水平最大主应力的比值水平最小主应力。水力裂缝的扩展方向之间的角度和水平最大主应力减小。(2)条件下的三轴围压,煤层水力裂缝的扩展是随机的,和液压骨折将扩大主要断裂表面,形成一个单边膨胀断裂时裂纹形成。(3)当压力在一个方向上卸载条件下的三轴不平等的压力、煤层液压骨折将使重定向,和裂缝扩展的方向围压降低,形成几乎互相垂直的裂缝。

1。介绍

中国是贫穷的在石油和天然气,但丰富的煤炭资源。煤炭占一次能源探明储量的94.0%,总是扮演着一个重要的地位在中国能源生产(1]。煤层的渗透率在中国通常的范围 (2]。很难实现气体控制由于低渗透和提取气体浓度(3- - - - - -7],严重威胁着煤矿的安全生产。为了有效地提取气体在煤层中,有必要提高煤层的渗透性特点是富气和低渗透8- - - - - -11]。作为一种有效的方法提高煤层的透气性,许多煤矿水力压裂已经应用。

骨折钻井通常是在煤层进行压裂对整个煤层在地下水力压裂。自从哈伯特和威利斯(12)提出了第一个机械水力压裂理论。风扇等。13)发现液压骨折引发和传播是由原位应力控制。董et al。14定性描述水力压裂法之间的关系,有效应力和渗流。Cipolla et al。15,16)建立了各自的数学模型,用于确定复杂骨折的一代了解断裂传播机制。杨et al。17)进行了单轴和双轴压缩条件下不同的测试;分析了不同加载条件下的裂纹扩展过程的数据。李等人。18和黄等。19煤炭楔子)观察到很大的影响和自然传播路径上的骨折液压骨折。帕帕多普洛斯et al。20.)进一步使用液压样本而不是自然岩石样本进行水力压裂模拟实验,分析了multicrack扩张过程及其相互作用。商等。21)提出了一个基于实验结果的不对称压裂方法考虑在多孔水库overlying-reservoir-underlying的规模效应。周et al。22)进行水力压裂现场测试,表明裂纹表面总是垂直于小主应力方向是否液体可以穿透岩石。侯et al。23- - - - - -25)引发的视觉分析和储层岩石中传播的基础上以前在完整的煤层水力压裂工作。总之,很多研究已经报道了水力压裂裂纹扩展规律和渗透率。然而,上述研究主要进行水力压裂试验条件下的单一的岩性或均匀层。较少的控制分析岩石力学性能的顶底板煤层水力压裂。煤层的力学性能的差异,屋顶,地板的岩石是一个重要因素来控制煤层水力压裂。煤层顶板的力学性能差异和地板会影响地应力场的分布在煤层和直接决定了煤层水力压裂的效果。因此,本文进行了实验室测试的真三轴水力压裂煤层,组合模型的“roof-coal煤层底板”是用来模拟实际地层条件的煤矿。控制煤层的岩石力学性质的影响及其对水力压裂裂缝延伸的屋顶和地板上进一步分析。研究结果对研究有很大的意义扩展机制和物种分布的裂缝。

2。基本力学性能测试的原煤和卸压

水力压裂的煤样钻和收集M6-3土城煤矿的煤层在中国西南。M6-3煤层是黑色semidark-type煤炭,金属光泽,是困难的,包含了黄色铁结节。岩石样本来自M6-3的屋顶和地板。的屋顶M6-3由泥岩和砂质泥岩。的地板M6-3由粘土岩、泥岩、砂质泥岩。所有样品都是加工成标准的标本φ (图1)。

力学参数,弹性模量 ,和泊松比μ所有的标本所获得的单轴压缩试验。和巴西圆盘分割的抗拉强度进行了测试实验。煤的力学参数、屋顶和地板如表所示1。

3所示。选择等效材料的煤层卸压

样本的大小 ( )是由pour-shaping。类似的材料准备顶底板煤层及其有相似的力学特性与煤层及其屋顶和地板,如故障特征,抗压强度和抗拉强度。煤粉的煤层准备,沙子和水泥,而屋顶和地板准备用沙子,石膏和水泥。根据现有成果的比例模型材料(26,27),类似的材料比测试方案,以下5个煤炉,六组的屋顶和地板都是初步确定,和三个标本是在每组(28]。7天准备的标本被治愈,常规力学性能测试的材料试验机(29日- - - - - -31日]。测试结果如表所示2和3。

根据实验结果,不同比例的煤粉,沙子,石膏和水泥导致不同的抗压强度和抗拉强度的标本,而粘合剂的用量对材料强度有很大影响。基于地应力之间的相似比的煤层和加载应力实验模型中,B组方案确定煤层,C组方案屋顶,E组方案地板的生产类似的材料。

4所示。真三轴水力压裂试验和讨论

4.1。准备实验设备和标本

大型真三轴和三维水力压裂试验在不同压力水平可以进行独立开发大型模拟试验装置和三维加载系统动态下的煤矿灾害multifield耦合。实验装置如图2。

试验台的实验系统包括框架、液压伺服加载系统、数据采集系统、压裂设备。试验台框架可以存储与大规模的样本的大小 ( )并提供稳定的压力平衡测试。液压伺服加载系统由九个独立加载压头,其中每个四个液压方面的水平方向( - - - - - -应用方向)的最大压力1000 kN;一个压头在水平方向( - - - - - -应用方向)的最大压力2000 kN;的四个压力头垂直方向( - - - - - -应用方向)的最大压力1000 kN;每个压头和独立控制的计算机软件和伺服液压泵。数据采集系统配备一个特殊的电气控制柜和连接到电脑通过内阁与多通道数据行,然后,由计算机软件自动收集的数据。压裂设备包括压力泵、高压管道和压裂管。25 MPa的压力泵可以提供最大注射压力,和水箱的容积5 L可以容纳所需的注入水的泵。在水力压裂试验,参数,如泵的喷油压力和加载压力,被收集并存储在计算机软件通过数据电缆连接。

相对难处理大型笨重自然煤岩;因此,本文选择顶底板煤层及其作为测试对象,然后进行真三轴水力压裂模拟试验通过模拟煤层及其相似的屋顶和地板材料地下煤层水力压裂的基础上。样本大小是 ( ),倒的方法”floor-coal顶盖岩”分层。如图2(一),下部标本的地板上,中间部分是煤层,顶部是屋顶。地板和屋顶的厚度是125毫米和250毫米的煤层。的光孔部分煤层压裂管控制,如图2。此外,无缝钢管与外部直径16毫米,内径8毫米,长度130毫米是preburied约10 - 20毫米的煤层在浇注的标本;钢管与底部Φ6毫米钢筋是用作模拟和钻井段的底部钢筋是10毫米距离煤层底部,如图2(b)。裸网眼部分形成钢筋时退出后形成的标本,然后用作初始部分模拟钻井和压裂煤层。

试样的强度可以达到约70%在塑造和养护7天(32]。注射泵的排水量是70 L / h,和注射压力泵可达25 MPa。煤层压裂管是preburied,与压裂水泵通过高压管。在压裂试验,用红墨水水箱添加和红色颜料作为示踪剂。水压裂缝的扩张,红色颜料将附着在表面的裂纹指示其最终形式。图3显示了样品和实验设备。

4.2。实验的裂纹扩展规则变围压在煤层

煤层水力压裂过程中,地面压力的主要影响因素是裂缝的延伸。为了研究之间的差异的影响两个水平主应力方向延伸的骨折,压裂测试是进行变异水平之间的特定值最小和最大主应力得到影响规则的水平主应力的方向液压骨折。

在实验中,模拟煤层及其材料的屋顶和地板样品的常数,水平最大主应力σ₁和中间主应力(垂直应力)σ₂保持不变,但水平最小主应力σ₃是改变。加载方案如表所示4。

4.3。方案1:实验过程、分析和讨论

图4显示了注水压力随时间的变化曲线。逐渐增加的注水速率、压力洞底部增加缓慢,从20年代开始关闭压力。水压力为0.61 MPa在43个年代,然后,迅速注入压力增加。水压力达到峰值3.67 MPa在58 s。和井壁破裂,导致初始裂缝。水的压力迅速降低,因为流动性的增加存储空间,然后迅速增加注入水的泵。因此,裂纹不断扩展,直至试样的表面裂缝和水泄漏的压力。然后,泵停止,压裂测试结束。

图5(一个)显示了水力裂缝的扩展方向,水平主应力的比值 。可以看出之间的夹角水力裂缝的扩展方向与最大主应力的方向是关于42°,沿着这个方向裂纹扩展和延伸沿垂直于水平最小主应力方向。图5 (b)显示了水力裂缝的形态分割后的标本。可以看出,液压骨折通常是不对称椭圆和分布式的。原因是一旦一侧出现裂纹和扩展,裂纹可能停止在密集或高压力区另一方面,导致双方的不对称分布扩展裂纹。

4.4。方案2:实验过程、分析和讨论

图6显示了注水压力随时间的变化曲线。注水率逐渐增加,注射压力开始增加后的压裂泵水。水压力达到1.53 MPa 2分钟。之后,注射压力近似线性增加,和水压力达到2.6 MPa为5.4分钟。此外,关闭压力下的水压力不断增加钻孔底部,然后到达高点3.46 MPa为6.3分钟。井壁破裂,泵压力降低了。后,裂纹开始扩展期间连续注入高压水,直到水溢出压力表面的标本;然后,泵停止,压裂测试结束。

图7(一)显示了水力裂缝的扩展方向,水平主应力的比值 。可以看出之间的夹角水力裂缝的扩展方向和水平最大主应力的方向σ₁大约39°,裂纹沿这个方向延伸和扩展方向垂直于水平最小主应力。图7 (b)显示了形态学的水力裂缝的标本。可以看出裂纹一般椭圆分布不对称,双方围绕钻探。煤层液压骨折基本上延伸,和一些部分的裂纹穿过屋顶。深红色的颜色可以看出在压裂管重要液压痕迹由于材料之间的微裂纹和压裂管造成不完整的封孔。因此,孔密封是水力压裂的成功至关重要的因素。

4.5。方案3:实验过程、分析和讨论

图8显示了注水压力随时间的变化曲线。测试后,增加注入水的泵,水压力基本上仍然是零45 s。关闭压力的形成而孔底部充满压力水,水的压力迅速增加,达到2.1 MPa在2分钟,然后到达峰值为3.80 MPa,导致裂纹的裸体孔眼段。液体存储空间进一步增加,水的压力迅速下降。之后,连续注入水的压力泵,高压水的结果在连续裂纹的扩展,形成表面裂纹,最后达到标本的表面。因此,压力水溢出和泵停止,然后,压裂测试结束。

图9(一个)显示了水力裂缝的扩展方向,水平主应力的比值 。可以看出,液压骨折基本上是垂直于水平最小主应力和裂缝的扩展方向之间的夹角和水平最大主应力的方向σ₁在6°。数据9 (b)和9 (c)水力裂缝的形式展示的标本。可以看出裂缝通常是对称椭圆和分布式集中在钻井。煤层液压骨折基本上延伸,和一些部分的裂纹部分穿透屋顶。其原因可能是一些高压水渗透井眼附近的屋顶由于宽松的密封。

4.6。实验与等效裂纹扩展规则围压在煤层

为了进一步研究裂纹的扩展规律的影响下煤层应力场,水力压裂测试是一个等价的围压条件下进行的。条件的应力场模拟网站设置 ,和主要强调在三个方向 和 。

图10显示了注水压力随时间的变化曲线。泵的压力达到0.63 MPa在57 s和峰值点为3.16 MPa为1.6分钟。井壁开始受损,产生新的裂缝,裂缝和新的鸿沟使水压力迅速下降。自那时以来,与泵喷射压力的增加,水力裂缝不断扩展,直至试样的表面裂缝和压力水溢出。泵停止,然后,压裂测试结束。

图(11日)显示了水力裂缝的扩展方向相同围压条件下的。可以看出裂纹主要沿垂直于方向延伸σ₁和扩展σ₃方向,裂纹的扩展方向是一致的σ₃方向。等价的围压条件下,水力裂缝扩展随机在水平方向上地应力和水压力耦合的影响,如果材料是均匀的。液压骨折将沿着主要表面裂纹一旦分裂,当扩展方向主要是受缺陷影响,弱面和材料本身的裂缝。数据11 (b)和11 (c)水力裂缝的形态展示形象的标本。可以看出裂纹一般椭圆和分布式不对称基本上集中在钻井和扩展从一边。煤层液压骨折基本上延伸,裂缝的高度变化,部分通过屋顶和地板上。

5。比较和分析测试结果

5.1。在裂纹扩展角应力比的影响

数据12和13显示pressure-time曲线和断裂传播示意图在不同最大和最小水平主应力比。可以看出,扩展方向发生偏转。的比例最小和最大水平主应力增加从0.35到0.65,水力裂缝延伸的角度变化从36°到6°。水力裂缝延伸的方向之间的角度和最大水平主应力的方向逐渐降低。结果表明,当剪切破坏或拉伸煤层发生故障时,故障沿着层理。水平应力比的变化,故障所需的压力保持相对稳定,这主要是由于主要垂直地应力和水平应力的不同层面影响不大。随着比例继续增加,相应故障所需的水压力沿倾斜关节和关节减少线性。总的来说,不同的失效模式所需的水压力减少线性增加的水平应力比。为同一个平面或联合层剪切破坏所需的水压力也比拉伸断裂所必需的。这可能是由于样本是由浇注,这是一个多相材料。 At the same time, limited by the experimental conditions, the confining stress is too small, thus causing the change of crack propagation angle. The fracturing pressure of the crack is closely related to the horizontal minimum principal stress. When the specific value of the horizontal principal stress under the confining pressure increases, the horizontal minimum principal stress and related fracturing pressure increase, but the intermediate principal stress (i.e., burial depth) has little effect on the fracturing pressure [33]。因此,较小的水平之间的特定值最小和最大主压围压下,夹角越大,裂纹的扩展方向与水平最大主应力的方向,和裂缝的发展将会更容易。总之,水力裂缝的扩展方向与两个水平主应力有关。

6。将测试在煤层水力压裂

由于地应力的影响,主要液压骨折显示某些偏转在扩展。然而,没有可靠的仪器可以观察裂纹扩展和指导;因此,彻底了解裂纹扩展规律不是很明显。因此,有必要研究由于水力压裂裂缝的扩展规律通过实验室测试。为了研究的影响改变了地应力在煤层水力裂缝的扩展,下面的测试方案确定,三个主应力方向 , ,和 。有两个轴承板在水平最大主应力的方向,如图14。在测试期间,当加载实验设备定义三个方向应力的值,进行压裂操作,一个支承板的σ₁方向完全卸载围压下,然后加载到定义的价值研究水力裂缝的扩展规律。

图15显示泵的喷油压力的变化曲线在加载过程中随着时间的推移。注射泵的压力开始增加30年代后,和水压力为0.8 MPa为1.1分钟。之后,关闭压力的作用下,水压力迅速达到2.6 MPa,第一峰值应力裂缝和新生成的孔壁时受损。水压力充满了裂缝和减少压力。关闭压力增加,水力裂缝扩展连续供水压力泵。当围压突然降低,泵的压力不断降低。由于围压降低,水力裂缝的标本只需要克服煤层的抗拉和抗剪强度。因此,注射压力下降。液压骨折将扩展在面积较小的能源需求,即。,the area without confining pressure, at this time, when the hydraulic fracture turns and extends to the direction with declined confining pressure. However, the water pressure required for extension of the hydraulic fracture gradually increases with the confining pressure. The water pressure reaches the second peak stress of 2.6 MPa under the effect of the shutoff pressure and then declines due to the new crack filled with pressure water. Then, the water pressure cracks along the direction of small ground stress cracking, with extension, until the surface of the specimen, the pressure water spills out, and the pump stops; then, the hydraulic test is ended.

图16显示了水力裂缝形态的形式逐步切开后的样品测试。明显可以看到从液压骨折的红色痕迹,和裂纹表面是弯曲的程度大于90°。煤层液压骨折通常扩展。由于封孔的微裂隙的存在,一些裂缝穿过屋顶,基本上是椭圆裂缝。根据分析液压骨折,裂缝延伸沿表面1最初三轴压力下。在扩展过程中,主应力垂直于表面的方向2是突然卸载,往往无围压状态,导致压裂煤层的压力的快速下降。煤层破碎的高压水的压力减少,表面裂纹迅速转向2没有围压,然后,表面1中的裂纹扩展停止。随后,垂直于表面的方向2的压力迅速增加到最大主应力,而裂纹表面2停止在水平最大主应力的作用下,然后,再次水力裂缝延伸在表面1试样的表面,形成裂纹贯穿的煤层,裂纹表面几乎是垂直的。因此,地应力是最重要的因素,影响水力裂缝的扩展。地应力的变化将导致裂纹扩展的方向变化,这是裂纹扩展的方向的决定性因素。

7所示。结论

(1)水力裂缝的扩展方向与两个水平主应力有关。增加的最小和最大水平主应力的比值,水力裂缝的扩展方向之间的角度和最大水平主应力的方向逐渐降低。压裂压力在裂纹扩展密切相关水平最小主应力。当围压下的水平主应力比的增加,相应的断裂压力也会增加。但中间主应力是埋深对破裂压力的影响不大。因此,围压越小,最大水平主应力比,更大的裂缝延伸方向之间的角度和最大水平主应力方向,并越容易裂缝开裂(2)恒定围压应力条件下,水力裂缝扩展随机在水平方向地应力和压力耦合的作用下,如果材料是均匀的。液压骨折将沿着主要表面裂纹一旦分裂,当扩展方向主要是受缺陷影响,弱面和裂隙的材料。整体水力裂缝的形状是椭圆和分布不对称地集中在钻井和基本上是一个单边延伸缝合。在煤层液压骨折通常延伸,和一些裂缝高度的变化通过屋顶和地板上(3)煤层的水力裂缝操舵试验表明,水力裂缝的扩展方向主要是由地面压力控制,当围压,通常裂缝延伸沿最大水平主应力的方向但是转向和延伸方向垂直于方向没有围压,形成的曲面度大于90°。液压骨折通常在煤层进行了扩展,提出了一种椭圆形式。此外,扩展,终止,将水力裂缝主要是有限的水平最大主应力。因此,地应力是最重要的因素,影响水力裂缝的扩展。地应力的变化将导致裂纹扩展的方向变化成为一个决定性因素对裂纹扩展的方向

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。