煤层水力压裂网络裂缝增产的基础理论研究

Hydraulic fracturing is becoming a dominating means in stimulating coal bed mathane. Due to unique properties of coals, such as soft, large deformation, and prevailing cleat systems, hydraulic fractures are extremely complicated, leading to low productivity and fast decline. This research aimes to utilize network of hydraulic fractures as an effective way to improve the productivity of post-facturing. It is expected to form networks of hydraulic fractures in coal bed in a controlled way, not try to form simple planar fractures as in conventional treatments. The network of hydraulic fractures in coal bed is first proposed, and related papers are not found in publications. Theories relevant are challenging.. In the research, continuous fracturing process of cleated coal, laboratory experiments of coal stimulation(with four different size), and plastic-damage theories of coal are combined. Active acoustic detection and CT characterization are employed to describe hydraulic fracture propagation, to quantitatively specify complete process of fracture initiation, defomation, linkage, propagation and overall fracture shape. Mechanism of network of hydraulic fractures in coal will be proposed, with models to be built up. Theories of network of hydraulic fracture in coals will facilitate methods to control hydraulic fractures in coal bed. The research provides new ways to stimulate coal bed in our country.

水力压裂已成为煤层气开发一种重要措施。由于煤岩软、变形大且割理十分发育等特点，形成的水力裂缝十分复杂，压后产量普遍不高，而且产量递减快。本研究拟以煤层水力压裂网络裂缝为突破口，有效克服上述问题，大幅度提高煤层气产量。煤层压裂网络裂缝研究摈弃传统煤层压裂形成简单裂缝的目的，期望形成可控的水力裂缝网络。本研究在国内外尚未开展，其基础理论有诸多独特之处，亟待研究。. 本课题拟以割理发育煤岩连续破裂过程和三轴物理模拟试验（四种不同模型尺寸）以及煤岩塑性损伤理论为主要手段，通过主动声波和CT扫描方法定量动态描述水力裂缝，研究模拟的典型地层条件下煤岩水力裂缝的起裂、变形、连通、扩展过程以及裂缝形态。提出煤岩水力网络裂缝的形成机理，得到煤岩水力网络压裂动态扩展模型和规律。形成煤层气网络水力压裂的理论，提出水力网络裂缝在煤层中延伸的控制方法。该研究将为我国煤层气开发中的水力压裂提供新思路和科学依据。

我国煤层气资源丰富，但由于煤岩软且隔理发育，形成的水力裂缝十分复杂，压后产量低且递减快，无法满足安全高效开采煤层气的目的。本研究以煤层水力压裂网络裂缝为突破口，以形成可控的水力裂缝为研究目的，得到了影响水力网状裂缝在煤岩中延伸的影响因素。.CT扫描结果表明，煤岩的内部结构以疏密相间的层状结构组合而成，各层基本呈条带状，各层倾角方向大致相同且排布规律。煤岩内部各层密度差别明显，其中致密条带区域的煤岩完整度高，疏松条带区域的煤岩呈疏松颗粒状。.煤岩的有效弹性模量与围压呈非线性关系，且当围压增大到一定程度后，有效弹性模量趋于恒定。压裂液的浸入会使煤岩的弹性参数和抗压强度降低。在含压裂液饱和度小于50%时，试件抗压强度随含压裂液饱和度增加而增大。.煤岩在不同的破坏类型下的裂缝面表现出不同的特征。剪切破坏时，当沿垂直方向剪切破坏时，裂缝面在不同层理中呈阶梯状凹凸；当沿层理面剪切破坏时，裂缝面较平整。拉伸破坏时，当沿垂直方向拉伸破坏时，离散分布于层理间的割理在垂直方向相互连通。.通过大型煤岩试件水力压裂模拟试验，得到了煤层水力压裂网络裂缝形成的控制因素及分布形态。煤层中大量割理的存在是网络裂缝形成的首要条件，地层地应力条件对煤层网络裂缝复杂程度及缝网区延伸方向及分布范围起控制作用。.通过煤层网络裂缝声波监测，研究了煤岩破坏过程中的声发射信号特征，获得了水力裂缝扩展过程中声发射三维空间分布规律。水力压裂过程中，声发射活动在水力压裂不同阶段表现出不同的特征，可反映水力裂缝的起裂及不同的扩展特征。得到了煤岩在不同受力条件下(围压加载阶段、预注水阶段及压裂阶段)声发射信号的分布特征。.研究项目得到了隔理发育的煤岩中复杂裂缝系统的形成机理和控制因素，对于理解以煤岩为主的多重孔隙介质的断裂行为具有一定的基础价值，也为我国煤层气开发中的水力压裂提供了新的科学依据。