煤层水力压裂应力应变演化规律探究与实践

为了探究煤层水力压裂过程中应力应变演化规律,采用理论分析和现场监测的研究方法,利用空心包体应变计监测煤层水力压裂前后应力应变的变化规律。结果表明:煤层水力压裂开始2 h后高压水影响范围扩散到29 m处的监测孔,且对应力监测点的影响达到最大,后期应变趋于稳定状态,压裂后6 d,应变恢复到稳定状态不再变化,但仍大于压裂前状态;煤层水力压裂时主应力增量均增大,但幅度不同,压裂主要影响的是竖直方向的应力增量,与应力监测点和压裂孔的空间位置有关;煤层水力压裂后由于压裂液滤失逐渐卸压,应力增量逐渐减小且有恢复到原始稳定状态的趋势,但仍大于未进行水力压裂时的状态;煤层水力压裂对煤岩体方位角和倾角影响不大。该煤层水力压裂应力应变演化规律可以为煤层水力压裂增透机理的探究提供借鉴和参考。     

急倾斜煤层水平分段开采顶板应力演化规律数值模拟研究

针对急倾斜煤层开采难题，以甘肃某矿1^#煤层为研究对象,采用FLAC3D数值模拟软件模拟3个分段开挖25、50、75、100 m过程的应力分布情况，分析了3个分段走向、倾向方向的应力分布特征，研究顶板应力演化规律，为有顶板灾害危险的急倾斜煤层进行顶板防治提供依据，为能安全高效开采急倾斜煤层提供新思路。研究表明:急倾斜煤层水平分段开采顶板应力呈非对称性分布；沿走向方向一定范围内，顶板应力随距工作面煤壁距离的增大而增大；倾向方向围岩应力随距采空区距离的增大而增大，到一定范围后基本稳定；随着工作面推进，采场围岩破坏卸压，应力被释放，且应力释放区域逐渐扩大；随着煤层开挖，第1分段底板上部与第3分段顶板下部有应力集中现象，煤层顶板下滑垮落。     

基于不同应力的水力裂缝形态试验研究

为了研究压裂后的水力裂缝形态,以相似材料成型的试件为压裂对象,利用水力压裂装置,开展了不同应力条件下的水力压裂试验。研究结果表明:二维应力条件下,水力压裂形成单一裂缝的概率大于复杂裂缝的概率;裂缝形态的复杂性与试验应力有关,当三向应力(最大水平主应力、垂直应力、最小水平主应力)的值相差较大时,容易形成单一裂缝形态;当三向应力中有2个值相近,且均与第3个应力相差较大,则容易形成复杂裂缝形态;复杂裂缝形态中的分支缝与最大水平主应力存在不同的夹角,但均沿平行于最大水平主应力的方向扩展;在同一应力条件下,不同试件压裂产生的裂缝形态也不尽相同,与试件的均质性、压裂液的流动路径、破裂面的特征有关。     

宿县矿区水力压裂裂缝微地震监测技术应用分析

为了分析研究水力压裂裂缝延伸的缝长、缝宽、缝高和方位,评价压裂效果,对宿县矿区二叠系煤层开展微地震裂缝监测。监测结果显示压裂改造产生多条不对称的裂缝,缝长100～160 m,缝宽10～25 m,缝高30～80 m。受煤层非均质性和压裂规模影响,裂缝延展方向以近似区域主应力方向(北西—南东向)为主,近似垂直区域主应力方向(北东向)次之;后续煤层气井应增加压力规模,降低压裂滤失量,增大区域主应力方向裂缝延展,有效连通天然裂缝。     

王峰煤矿3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究

针对王峰煤矿3^#煤层瓦斯含量高、煤层碎软的特点,开展了王峰煤矿顶板定向长钻孔水力压裂裂缝发育规律研究,利用FLAC^3D数值模拟分析了顶板水力压裂裂缝扩展演化特征,讨论了压裂孔直径和压裂压力对裂缝发育的影响规律。研究得出:当压裂压力为5~8 MPa时,裂缝首先在水平方向产生,垂直方向上均未产生裂隙;当压裂压力大于10 MPa时,随着压裂压力的增大,裂缝在竖直方向逐渐延伸,且裂缝宽度沿水平方向逐渐扩展;裂缝延伸方向主要沿最大主应力方向,在最大主应力方向上裂缝扩展的增长速度与压裂压力基本呈正相关。相同压裂压力条件下,压裂孔孔径越大,塑性区扩展长度越大,裂缝扩展越大;当压裂压力大于10 MPa后,垂直方向上的裂缝扩展速率大于水平方向,裂缝沿最大主应力方向扩展速度最快。综合得出,王峰煤矿3^#煤的顶板水力压裂的钻孔直径为φ120 mm,压裂压力为10 MPa,可有效地指导工程实践。     

煤储层水力压裂裂隙沿井孔起裂扩展的影响因素实验研究

采用真三轴试验系统和声发射测试系统,对煤块进行水力压裂试验,描述煤块压裂过程中裂隙的发生发展,并对煤块压裂裂隙进行分析研究。得出以下结论:从破裂后裂隙形态看出,裂隙均沿近似最小主应力的方向发生,与理论分析和数值模拟的结果基本相符;煤块本身的层理等原生裂隙对水力压裂裂隙扩展有着显著的诱导作用,成功诱导裂隙沿近似层理方向延伸,达到了实验的预期;由试件压裂过程中声发射监测到的信息,得出试件压裂过程中的撞击-时间曲线,可为煤层气井的压裂提供实验参考。     

应力旋转条件下水力压裂裂纹扩展规律研究

为探究地应力旋转对水力压裂钻孔裂纹扩展的影响,理论分析了不同应力轨迹下起裂角度的变化规律,采用相似模拟实验对不同应力角度下的起裂应力进行了分析,并运用数值模拟方法探究了应力旋转条件下的裂纹扩展规律。结果表明：随着应力轨迹的旋转,起裂角逐渐向煤层的走向方位偏转。水力钻孔与水平主应力的角度越大时,起裂压力会明显增加,同时裂纹扩展呈现“平台”特征,不利于水力裂纹的快速扩展。当应力无旋转时,水力裂纹沿最小主应力方向扩展。应力发生旋转,当应力差较小时,裂纹在尖端会发生破裂;当应力差较大时,初始水力裂纹的扩展被抑制,新衍生的水力裂纹会沿最小主应力方向扩展。     

定向水力致裂对煤层顶板三向应力的影响研究

煤层顶板水力致裂是处理坚硬顶板和防治冲击地压的重要技术手段之一，为了研究水力致裂技术对煤层顶板三向应力的影响，通过现场开展煤层顶板定向水力致裂试验，采用光纤光栅三向应力传感器得到了致裂前后顶板岩层的三向应力。结果表明：水力致裂之后，监测断面处顶板岩层三个主应力均有所降低，最大降幅约为20%，而主应力方向变化很小|在工作面坐标系下，致裂部位处各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。顶板水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力，对致裂部位具有良好的卸压效果。研究成果可为现场水力致裂钻孔布置提供参考，并可用于冲击地压防治研究。     

急倾斜水平分段放顶煤开采应力分布规律及冲击地压防治北大核心

为了揭示急倾斜煤层水平分段放顶煤开采应力场分布特征及冲击地压显现规律,以王家山煤矿东一采区为工程背景;理论分析了急倾斜水平分段开采冲击地压显现特征,数值模拟分析了急倾斜煤层水平分段开采应力场演化规律;揭示了急倾斜煤层水平分段开采矿震动载扰动诱发底煤冲击地压显现的规律。结果表明:随着开采分段数增加,工作面采动应力持续增大,顶板巷应力集中程度高于底板巷,最大主应力由原水平方向分布转为沿垂直煤层倾向分布,导致顶板巷周围煤体水平应力集中程度高;工作面煤体水平应力场倾向方向呈现先增大再减小的趋势,且顶板侧水平应力明显高于底板侧水平应力,应力峰值与开采深度呈线性正相关关系,顶板巷冲击危险性明显较高。根据冲击地压发生规律,针对性制定了急倾斜水平分段开采冲击地压防治方案并进行了防治实践,监测表明防冲效果显著。     

鄂尔多斯盆地柳林地区煤储层地应力场特征及其对裂隙的控制作用

为系统研究柳林地区煤储层地应力场展布及其对裂隙的控制作用,分析不同埋深煤层与地应力的关系,采用水力致裂法获取了地应力资料。通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系模型,分析了露头节理、煤层割理与现今地应力方向的耦合关系。研究表明:柳林地区最大水平主应力σmax为7.33~30.83 MPa,平均19.41 MPa,最小水平主应力σmin为6.50~24.00 MPa,平均13.12 MPa,主应力随埋深增大而线性增高。在埋深400~700 m,垂直应力σv≈σmax≈σmin,地层呈现准静水压力场特点;在700~850 m,σmaxσvσmin,为大地动力场型,水平方向主应力占主导地位;在850~1 100 m,σvσmaxσmin,为大地静力场型,仍未进入明显压缩带。水力压裂地应力检测表明现今主应力方向与煤层裂隙方向相近,以NNE向为主,地应力方向在割理形成后未发生明显改变。     

水力压裂增透范围及其在瓦斯抽采中的应用

为了提高瓦斯抽采率及增加煤层透气性,研究了水力压裂增透范围以及其在瓦斯抽采中的应用,分析了瓦斯渗透率与含水率关系、煤层应力—渗流规律,采用数值模拟软件,研究了孔隙水压力分布、孔隙最大主应力、不同测压系数下最大主应力变化、宏观裂隙长度变化规律以及渗流量、空隙水压、最大主应力的变化曲线。应用实践表明:当采用水力压裂技术时,抽采效果提高了3~5倍。研究可为类似工程条件的瓦斯抽采提供了借鉴。     

不同滤失面下砂岩定向压裂声发射响应特征研究北大核心

为了研究不同滤失面下滤失对岩石定向水力压裂的影响规律,选用300 mm×300 mm×300 mm中间钻孔并且定向预制裂缝的砂岩试件,采用在试件表面涂抹防水剂的方法控制滤失,制作出滤失面依次减小的4组砂岩试件:未涂防水剂试件A、裂缝面涂防水剂试件B、孔壁涂防水剂试件C、全涂防水剂砂岩试件D,进行真三轴定向水力压裂并开展声发射实时监测,分析研究不同滤失面下砂岩试件声发射能量率、累积能量以及压裂后裂缝扩展延伸规律。结果表明:随着滤失面增大即滤失越大,砂岩试件声发射的能量率峰值呈现逐渐下降的趋势,而试件完成压裂破坏过程所需的累积能量逐渐升高;在压裂裂缝扩展延伸过程中,随着滤失面增大即滤失越大,压裂裂缝向最大主应力σ_(H)方向偏转越快,当压裂裂缝偏转到同一偏转角α时,压裂裂缝扩展延伸长度L会逐渐减小。     

水力压裂煤裂隙网络表征与造缝性能评估试验研究

煤裂隙网络的准确表征可以有效评估深部煤层经水力压裂后的压裂效果，为了定量评估煤层经水力压裂后的复杂程度，利用自制的真三轴试验系统进行了煤的水力压裂试验，结合CT扫描，重建了具有拓扑结构的孔裂隙网络，用分形理论和拓扑学定量表征了断裂网络的复杂程度。探究了在真三轴应力条件下，中间主应力对裂缝网络复杂程度的影响。结果表明：压裂后煤样的二维分形维数变化率K为1.03%～7.10%，三维分形维数的变化率为3.50%～9.18%，经过水力压裂后煤样的二维和三维分形维数均显著增大。基于分形理论和拓扑学的方法能有效表征水力压裂的裂缝结构和造缝能力。压裂后煤样的二维拓扑参数为1.18～1.52，与压裂前后煤样的二维分形维数变化率呈正相关关系，二维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大逐渐减小。重构的内部结构和裂缝分布表明，压裂后的三维分形维数比二维分形维数更具优势，压裂后煤样的三维拓扑参数为1.82～1.93，随着三维分形维数变化率的增加而增大，三维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大而增大。中间主应力对煤层的造缝能力存在积极影响。水力压裂前后的分形维数和拓扑参数都随着中间主应力的增大而增大，...     

急倾斜薄煤层仰斜开采覆岩应力分布特征研究

为了确保急倾斜薄煤层的安全回采,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存条件和水文工程地质条件,采用离散元UDEC数值计算,研究了急倾斜煤层仰斜开采条件下上覆岩层的应力分布特征和破坏规律。结果表明：急倾斜煤层仰斜开采实体煤侧和工作面前方均存在应力增高区,其应力集中程度随工作面推进呈抛物线和线性增大趋势;急倾斜煤层开采采空区上方为应力降低区,将主应力轨迹线连接形成应力卸压拱,卸压拱拱高和拱角均随工作面推进呈增大趋势,其形状随工作面推进由对称拱—非对称拱—平顶拱转变,卸压拱形态反映出覆岩不同岩层间的应力传递关系,与覆岩的离层位置密切相关。     

煤岩体水力压裂动态演化物理模拟试验研究

为了掌握煤体水力压裂过程中压裂孔附近应力场、水压力场的时空演化规律,利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统进行试验研究。试验结果表明:水力压裂全过程可以分为4个阶段,分别为应力积累阶段、微破裂发育阶段、裂缝失稳扩展阶段、破裂后阶段;在水力压裂过程中压裂孔径向应力会发生显著变化,而平行于压裂孔方向的应力变化不明显,且在裂缝扩展范围内距离压裂段越远的位置发生应力升高的时间越晚;水力压裂过程中水压力场的演化与裂缝的发育、扩展有着密切的联系,水压力等值线更倾向于沿着裂缝扩展的方向发展,且水压力等值线沿最大主应力方向的扩展速度明显大于沿中间主应力和最小主应力方向的扩展速度,表明水力压裂裂缝主要沿最大主应力方向扩展。     

樊庄区块3~#煤储层现今地应力场特征

现今地应力场特征研究对煤层气开发有重大影响。采用水力压裂测量地应力的方法,对沁水盆地南部樊庄区块3#煤层地应力分布进行了测试。结果表明:樊庄区块最大水平主应力为6.42～41.86 MPa,最小水平主应力为3.30～26.40 MPa,垂直应力为9.14～30.64 MPa。煤储层现今地应力随深度的增加呈线性增大规律。现今地应力作用方向主要以NEE-SWW方向为特征。基于最小水平主应力值和煤层埋藏深度以及应力状态,樊庄区块煤储层可划分为低应力分布区和中应力分布区。     

煤岩水力压裂后裂缝形态及增透效果实验研究

以圆柱型原煤试件为研究对象开展水力压裂以及渗流实验研究,研究结果表明:原煤水力压裂过程中裂缝扩展方向由层理方向以及应力差共同决定,并且压裂后煤样的渗透率与有效应力之间依然存在着负指数函数关系。此外,在没有形成贯穿裂缝的前提下,原煤水力压裂前后渗透率的增幅与水压裂缝和煤体层理面间的夹角直接相关。     

厚煤层煤层气井水力压裂特点及效果评价

为充分利用厚煤层的煤层气资源，需提高厚煤层的压裂改造效果，在厚煤层中建立复杂缝网。以沁水盆地兰花区块不同厚度煤层气井为例，研究不同厚度条件下，压裂施工参数对压裂改造效果、产气效果的影响。结果表明：研究区厚煤层压裂缝网长度及改造效果受压裂液总量的影响较显著，压裂裂缝平均长度192 m,压裂裂缝向埋深较浅的区域延伸较长；研究区山西组3^#煤层水平主应力方向为北东东向，压裂裂缝偏离水平主应力方向，井筒两侧的裂缝长度差异增大；煤层厚度越大，资源丰度越高，其对每米煤厚的平均日产气量及每米煤厚的累计产气量贡献越大。通过对煤储层多参数地质甜点优选及开发工程参数优化，可降低厚煤层煤层气开发风险，提高产气效率。     

多煤层联合水压裂缝扩展规律应用研究

为进一步研究多煤层联合水压裂缝扩展规律,采用物理相似模拟实验和工程试验相结合的方法,进行地应力作用下2个煤层联合压裂的试验研究.结果表明:1)模拟煤层与煤岩体水力压裂具有相似的特性,水压裂缝为垂直缝,裂缝沿垂直于最小水平主应力方向扩展,沿平行于最大主应力方向延伸;2)在2个煤层的联合压裂过程中,水压裂缝可以在2个煤层中扩展延伸;3)多煤层的石门揭煤实施联合水力压裂后,相比未进行水力压裂的石门揭煤,其平均瓦斯抽采体积分数提高了83％,平均瓦斯抽采纯量提高1.4倍,瓦斯平均单孔抽采纯量提高约1倍,压裂后的石门揭煤时间比未压裂的揭煤时间缩短了43 d,实现了石门的快速揭煤.     

定向水力压裂工作面煤体应力监测及其演化规律

为研究水力压裂的机理和评价压裂效果,采用空心包体应变计,对水力压裂前后钻孔附近煤层应力的变化,及水力压裂实施后,随着工作面推进,前方煤层应力的变化进行了监测。通过分析监测数据,得到以下应力演化规律与结论：① 水力压裂前后,在压裂钻孔附近煤层中的主应力增量值、倾角和方位角均会出现突变。突变程度与至压裂孔的距离、水压、裂缝扩展方式及煤层力学性质等多种因素有关;压裂后主应力增量得到恢复,但比压裂前均有所降低,水力压裂可改变煤层的应力状态。②顶板压裂后,再受到工作面采动影响,煤层垂直应力增加,水平应力有降低的趋势,但采动引起的主应力增量变化幅度远小于压裂引起的变化,而且采动对主应力增量的倾角和方位角的影响不大;水力压裂可使顶板来压强度降低,工作面超前支承压力的影响减弱。③ 晋城王台铺煤矿坚硬顶板综采工作面进行水力压裂后,顶板的整体性和强度得到弱化,工作面采动影响减弱,顶板能够紧随工作面推进及时垮落,说明水力压裂效果良好。