水力压裂煤岩体非饱和渗流气-水界面作用机理研究

CBM（Coalbed methane) has its broad exploitation and utilization potential, as a high efficient clean energy and important raw materials, but occurrence environment with low permeability reservoir limits its application. To solve the problem, hydraulic fracturing has been widely used in low permeability CBM exploration. However, it is still unclear about the mechanism between the oringal fractures of coal-rock and the new discrete fractures caused by hydraulic fracturing, and unsaturated seepage flow needs further study. In previous researches, we found the exploration on the stability of gas-waer interface could help to understand mechanism of the gas extraction and CBM development, which has great scientific significance for CBM devolopment. In view of this, the project intends to realize high-precision characterization and the fracture mechanics interpretation,by using the fracture surface parameter scaning combined with the fracture surfaces structure test. Based on the fractal dimension theory, making a cross scale fractured rock mass numerical model with the 3D fractured Extrusion Coupling Variables reconstruction technique. As a principal line, using the variable grid method to study the evolution law of fracture process, and revealing the migration mechanisms and unsaturated seepage flow unsteady change of an interactive interface of the fracture structure. This study will establish a theoretical basis for the safe and efficient exploitation of gas resources, thereby accelerating its development and utilization.

煤层气作为高效清洁能源和重要的原料，其开发利用前景广阔，而低渗致密储层的赋存环境限制了其应用。水力压裂增透措施已广泛应用于低渗储层的开采，但对致裂新增裂隙与煤岩体原生裂隙间的本源机制认识模糊，相关的非饱和渗流机理研究也有待进一步深入。申请者在前期研究中发现对气-水界面稳定性的探索有助于明确瓦斯抽采和煤层气开发中的非饱和渗流机理，对煤储层开发具有重要的科学意义。鉴于此，本研究以裂隙面参数扫描和结构特征测试为基础，对裂隙结构进行高精度表征和力学解译；同时借助裂隙分形分维表征方法，采用三维裂隙ECV(Extrusion Coupling Variables)重构技术建立跨尺度裂隙煤岩体分析模型；以变网格法研究裂隙的扩展演化规律为主线，揭示水-气-岩耦合作用下裂隙结构内非饱和渗流交互式界面的非定常变化及其运移机制。本研究旨在为煤储层煤、气资源的安全高效开采奠定一定的理论基础，进而加速其开发利用。

煤层气是一种重要的高效、清洁能源，有着巨大的应用潜力，然而低渗透性储层限制了其应用。水力压裂法作为一种新的技术在低渗透性煤层气勘探开采广泛应用，用以防止煤矿瓦斯灾害的发生。裂隙是流体聚集和运移的主要通道，某种程度上控制着岩体的稳定性。但对致裂新增裂隙与煤岩体原生裂隙间的本源机制认识模糊，相关的非饱和渗流机理的研究也有待进一步深入。在采矿和地下工程中,有效控制破裂发展来防止灾害发生和诱导进一步损伤破坏来更易地实现勘探和开采，都至关重要。基于安全高效的考量，破裂的产生-发展-最终破坏的整个过程在岩石工程中对确保高安全生产至关重要。三维条件下其耦合机理和破坏模式对充分认识破坏和稳定性问题尤其重要。.本研究以裂隙面参数扫描和结构特征测试为基础，对裂隙结构进行高精度表征和力学解译，同时借助裂隙分形分维表征方法，采用三维裂隙ECV重构技术建立跨尺度裂隙煤岩体分析模型，揭示水-气-岩耦合作用下裂隙结构内非饱和渗流交互式界面的非定常变化及其运移机制。深入研究注水条件下充分考虑吸附和解吸以及应力渗流耦合特性的裂隙煤岩体的渗透性演化机理。裂隙开度、面积接触率和应力对渗透率的影响和裂缝发育情况对渗透率变化和渗流路径强烈影响，进而控制了注水有效影响半径。这些因素都应该在研究岩体的结构特征中适当考虑。.在单一裂隙渗流研究验证分析模型有效性的基础上，结合两相流层流的相场方法，对水力压裂缝中的煤层气水界面问题进行了模拟分析。煤层气在水力压裂缝中的扩散运移数学模型采用广义传导方程的变形式，水相流动采用N-S方程。结果表明裂隙渗流受其张开、闭合情况的影响，并且对于气水两相流体，其界面的移动依赖裂隙面的连续情况。.考虑到受载条件下的三维破坏问题，建立基于孔隙弹性的三维应力-渗流-损伤破坏耦合模型，在损伤理论的基础上，侧重研究非均质岩石的应力-渗流-损伤破坏耦合特征。不同非均质度，加载速率，残余强度系数以及破坏准则都会影响损伤的发展，并且可以用来解释一些力学机理和对应不同的岩石类型。进行了相应的室内试验测试，用以验证理论方法和分析渗透性演化和破坏机理。研究结果表明：不同均质度和残余强度可以描述不同岩性的岩岩石，加载速率和和破坏准则对应力/应变级别也有一定的影响，应力-渗透率关系可以确定岩体水力学参数。研究水力学条件下的岩石的破裂机理对解决岩石力学工程问题具有重要意义。