低渗煤层水力压裂增透的应力迁移及微震活动性

我国普遍属于低渗透煤储层，致使煤层气开采难以实施，效果甚差。而低渗煤层瓦斯的难抽放特性造成了该部位煤与瓦斯突出危险性的急剧增大。提高煤层透气性是有效降低采前煤层瓦斯含量，防治瓦斯灾害，实现煤层气综合抽采利用的关键。提高煤层透气性的最主要途径之一是采用水力压裂技术，通过钻孔向煤层中注入高压水，使钻孔周围煤体产生裂缝并向远处扩展，形成瓦斯流动通道，人为地提高煤岩体的渗透性能。本项目基于煤体渐进破裂是水力压裂共性特征的基本认识，从媒体渐进破裂、裂缝扩展导致煤体增透的本质出发，结合瓦斯地质理论，研究低渗煤层水力压裂增透过程中的应力迁移以及微震活动性。通过压裂增透过程中的流、固耦合理论分析，结合现场实验、微震监测和大规模科学计算技术手段，总结分析水力压裂过程中的微震活动性、应力场演化与煤体破裂之间的联系，揭示低渗煤层水力压裂的基本规律，探索最佳的水力压裂方式，提高压裂效果。

我国普遍属于低渗透煤储层，特别是部分地区构造煤发育，这给煤矿安全生产和煤层气资源开发利用带来了不便。水力压裂是目前提高低渗煤层透气性的一个主流方法，该方法通过钻孔向煤层中注入高压水，使钻孔周围煤体破裂，产生裂缝并向远处扩展，形成瓦斯流动通道。本项目从地质角度研究了低渗煤层的分布特征，并对煤岩性质对于煤岩体破坏的影响、破坏过程中裂缝的发育和应力变化以及煤岩体破坏声发射特征进行了实验室实验和数值模拟研究。从构造、构造煤发育程度和瓦斯赋存三个方面分析了平煤十矿低渗煤层煤体主要分布在剪切或者滑动作用集中的区域。通过数值模拟发现，煤体破坏难易不仅取决于本身强度、渗透性等性质，同样条件下，其均匀性对破坏有很大影响，构造煤在煤层中的位置对于煤体的破坏也有很大影响；煤体破坏过程中，裂纹的贯通并不是沿着岩桥发生的，总是弯曲的扩展，表现为不规则曲线，先在两裂纹之间产生微破裂，然后微破裂之间互相联通形成宏观的贯通。通过实验室实验揭示了不同煤岩体声发射特征不同，初始压密阶段的初期，塑性破坏的试样声发射数水平相对较高；脆性破坏试样的平均增长率在每一个阶段都要比塑性破坏的高（除了残余应力阶段），并且变化幅度也大。饱和水、自然和干燥3种状态煤样破裂过程中的声发射参数的演化过程大致相同，但是，随着煤样含水率的提高，声发射现象减弱，而且幅度较大。在此基础上，对水力压裂过程煤体破坏规律，裂隙的萌生、扩展和贯通，以及应力迁移进行了分析研究。研究了煤体破裂和应力迁移之间的联系，揭示了煤层水力压裂的基本规律。水力压裂过程中，煤体的破坏与地应力有关，一般沿最大主应力方向裂隙发育较多，最易破坏；压裂孔与抽放孔间距越小，裂隙越发育；裂隙水压与地应力综合作用越强的区域越容易发生破坏，由于非均匀性的存在，裂隙发育路径弯曲，线性较差；当两压裂孔距离较近时，压裂区域发生一定重叠，可能会形成一个较大的环形压裂区。低渗煤层煤体较破碎，煤质较软，承载能力差，声发射特征及微震特征不明显，很难通过实验室实验揭示其规律。通过研究，为水力压裂参数的选取和压裂机理的深入研究提供了较好的参考和支撑。