煤岩复合体水压致裂裂纹扩展规律试验研究

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1、万方数据太原理工大学博士研究生学位论文II万方数据太原理工大学博士研究生学位论文煤岩复合体水压致裂裂纹扩展规律试验研究摘要煤层气（CBM）是一种低碳、清洁、高效的非常规天然气资源，已成为当今新能源发展的一个重要方向。但我国的许多煤层气藏资源地质赋存条件复杂，特别是“较软弱”煤层中的CBM较难开发。在软弱本煤层压裂工艺实施过程中，经常出现压裂井钻进塌孔、井筒后期维护困难、压裂形成的裂纹短宽、成缝困难等诸多难题，国际上现有的压裂技术不能高效的开发我国该类特殊地质条件下的CBM资源。因此，迫切需要提出适合我国该类特殊煤层气藏资源高效、经济的开采理论及技术。本文针对“软弱煤—硬覆岩（砂质泥岩

2、）”类煤层气藏储层之间不同的水压致裂特性，通过试验研究、理论分析、数值模拟方法，围绕沁水煤田东北部15#煤体及其覆岩（砂质泥岩）在不同层理方位各向异性破裂特性、裂纹扩展形态特征、裂面形貌特征、煤岩及其复合体二维及三维压裂特征进行了系统的研究。主要研究内容及结果如下：（1）煤体及砂质泥岩在不同层理方位各向异性断裂力学及其裂纹扩展形态特征试验研究。通过单轴压缩、巴西劈裂、SCB—I型断裂三个试验，进行了煤及砂质泥岩不同层理方位力学试验研究，并针对不同层理方位断裂的裂纹扩展形态特征进行了分析。研究发现：煤及砂质泥岩在不同层理方位各向异性力学参数及裂纹扩展形态特征具有显著差异。在脆性度（BR

3、IT−T）较高的垂直层理方位造缝有利于裂纹的传播、扩展；在Griffith裂尖能量释放率理想条件下，在垂直层理方位，裂纹从砂质泥岩越界扩展至煤体时释放的能量可I万方数据太原理工大学博士研究生学位论文在煤体内生成10.69~25.53倍当量长度或条数的裂纹，有利于裂纹在煤体内传播扩展及多裂缝结构形成；致裂相同规格SCB试件，裂纹在煤体内垂直正交层理方位扩展增加的有效长度为平行层理方位的1.36倍；受割理、天然裂隙等弱面结构影响，煤体内I型裂纹在垂直正交层理方位的最大偏转角可达30°，而在层理影响下，I型裂纹沿层理方位扩展的最大偏转角通常在10°范围内。（2）板状煤岩复合体水力压裂试验研

4、究。为了能直观观察裂纹在煤岩复合体界面处的扩展形态特征，设计进行了板状煤岩复合体压裂试验。研究发现：在砂质泥岩中压裂向煤层垂直层理方位越界造缝，其裂纹扩展过程中形成的“贯穿”型、“偏移/转向”型、“分叉”型裂纹均有利于裂纹向煤体传播，可在煤体垂直层理方位沟通多层层理弱面，生成多裂纹结构，效果明显优于在本煤层中压裂造缝；在本煤层造缝时，垂直层理方位压裂效果明显优于平行层理方位，其裂纹可沟通多层层理弱面，并局部多伴随次生裂缝，扩展过程中出现的“分叉”型裂纹，有利于裂纹网状结构的生成，但在煤岩界面处出现的“T”型、“偏移/转向”型裂纹导致能量损耗大，不利于裂纹的传播扩展。（3）三维大尺寸煤

5、岩复合体水力压裂试验研究。与板状煤岩复合体压裂形成互补试验研究。研究发现：静态超声反演的裂纹三维空间形态较板状试件更加复杂，水力裂缝在煤体平行层理方位的最大开度为1.292mm，在煤体垂直层理方位的最大开度为0.952mm，在砂质泥岩垂直层理方位的最大开度为0.816mm。（4）煤与砂质泥岩复合体二维水力裂纹越界扩展形态数值模拟研究。用运相场法模型，针对裂纹在煤与砂质泥岩复合体中不同路径起裂扩展形态特征进行数值模拟。研究发现：裂纹在本煤层中扩展形态单一，不易越过界面扩展；裂纹从砂质泥岩中起裂扩展至煤岩界面较近距离条件下，II万方数据太原理工大学博士研究生学位论文受裂尖集中应力影响，煤

6、岩界面及煤体开始损伤，裂纹容易沿该损伤区域扩展，形成多裂纹结构；另外，裂纹在转向过程中消耗的能量明显较高，形成的损伤区域范围明显较宽；煤体内部两条以上裂纹扩展过程中，在相互影响作用下，裂纹可出现多级次分叉、融合，有利于形成多裂纹结构。关键词：水压致裂，裂纹起裂扩展，煤岩界面，裂纹形态，相场模型III万方数据太原理工大学博士研究生学位论文IV万方数据太原理工大学博士研究生学位论文EXPERIMENTALINVESTIGATIONONTHECRACKPROPAGATIONOFHYDRAULICFRACTURINGINCOAL-ROCKCOMBINATIONABSTRACTCoalbedm

7、ethane(CBM)isalow-carbon,cleanandefficientunconventionalnaturalgasresources,whichhasbecomeanimportantdirectionforthedevelopmentofnewenergy.ChinahasawealthofCBMresources,butthegeologicalconditionsoftheCBMreservoirsarecomplicated,in