穿层钻孔水力压裂裂缝平面起裂扩展方向的力学分析及应用
第6章++水力压裂力学
单元体模型将裂缝视为一系列相连的单元对待， 不需要对裂缝形态进行假设，但一般假设为平面 应变，流体垂向流动计算与裂缝几何形状之间没 有做完全耦合。
压裂设计是通过由Carter的方法得到与时间有 关的缝长与由Kern模型确定的缝宽之间反复迭代， 直到得到相容解
Nordgren（1972）
连续性方程（即质量守恒）：
qx qL
A0 t
（6.18）
q —— 流体通过某一横截面的体积流速 A—— 裂缝的横截面积（对于PKN模型为πwhf/4） qL——单位长度上滤失体积流速 qL 2hfuL
为了包括瞬时滤失Sp的影响，应该以 ww+(8/π)Sp代替ww 。
6.2.2.4 PKN 和 KGD 模型的假设
平面裂缝（裂缝沿最小主应力垂直方向扩展） 流动沿缝长一维流动 流体为牛顿流体 滤失特性由滤失理论（6.13）得到的简单表达式所控制 地层岩石为连续、均匀、各向同性的线弹性体 裂缝被认为缝高不变，完全在某一给定的地层中扩展
R3 23F3E2 312 2qit
（6.7）
整理得到R：
15
R12981Eqi22t22qit
（6.8）
6.2.2 水力压裂二维模拟
PKN模型
假设每一垂向截面独立作用，即假设截面的压力是由
高度控制的而非由缝长控制的。
在缝长远大于缝高的条件下成立 没有考虑断裂力学和缝端的影响，而主要考虑了缝内
井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯技术及应用分析
井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯技术及应用分析摘要：文章以某矿区作为研究对象，对该矿区井下的瓦斯灾害情况进行简要介绍，在此基础上，提出应用水力压裂技术对井下瓦斯进行抽采，以此来提高抽采效率，缩短抽采时间，解决矿井瓦斯突出问题。
期望通过本文的能够对水力压裂技术在煤矿瓦斯抽采中的推广应用有所帮助。
关键词：水力压裂技术；煤层；瓦斯抽采在煤矿井下五大灾害中，瓦斯的危害性最为严重，一旦井下瓦斯浓度超标，遇到火源后，会引起爆炸，由此不但会导致人员伤亡，而且还可能造成矿井坍塌。
因此，对井下瓦斯进行高效抽采显得尤为必要。
在瓦斯抽采的过程中，为提高抽采效率，缩短抽采时间，可以对水力压裂技术进行合理应用。
借此，下面就井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯技术及应用展开分析探讨。
1矿井概况及瓦斯灾害某矿区的地质构造较为复杂，含煤地层为二叠系龙潭组，共计含煤8层，全区可采煤层为K1，局部可采煤层为K3和K4，整个矿井当中，有90%左右的范围是单一严重瓦斯突出危险煤层。
受到地质条件的影响，使得矿井的灾害情况比较严重，五大灾害一应俱全，其中瓦斯突出最为严重。
自该煤矿建成投用一来，共计发生瓦斯突出事故48次，造成47人死亡，其中6次事故为500吨以上。
随着井下开采作业面向纵深方向发展，使得瓦斯灾害变得更加严重。
为此，必须采取合理可行的方法和措施，对井下作业面的瓦斯进行高效抽采，以此来确保煤层开采的安全、有序进行。
2井下水力压裂技术在抽采煤层瓦斯中的应用2.1水力压裂技术增透机理水力压裂是通过裂缝为瓦斯流动创造有利条件，从而提高抽采效率的技术措施。
随着裂隙网络的形成，煤岩层的渗透率会随之提高，当压裂液排出以后，便会形成瓦斯渗流通道，由此能够使煤岩层本身的透气性获得大幅度增加，位于较远位置处的瓦斯可以较为通畅地流入到钻孔当中，瓦斯的抽采效率随之提高，抽采时间显著缩短。
2.2压力与水量的控制在对裂缝扩展长度进行控制时，可以对起裂压力、压裂液的注入量以及压裂时间的长短进行控制，并对压力参数进行合理确定。
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展_潘林华 (1)
井在重复压裂后产量甚至超过初次压裂的产 量［12 － 13］。重复压裂目前被广泛用于老井和初次压
染低、不易砂堵；缺点：施工步骤复杂，施工周期长， 施工成本高，可能出现桥塞钻不进或桥塞泵送遇堵 情况。
（2） 水 平 井 多 级 滑 套 封 隔 器 分 段 压 裂 技 术［5，7］。该技术国内应用较少，主要采用井口落球 系统操控滑套、用机械或压力坐封的机械式封隔器 坐封。优点：压裂层段选择性强，工序步骤简单，施 工速度快，成本低；缺点：井下工具性能要求高，砂 堵风险大，工艺复杂。该技术在页岩压裂中的应用
高；缺点：水力喷射工具寿命短，对油管和套管的强 层同步压裂作业。页岩储层同步压裂技术能够增
度有较高的要求。
加页岩储层裂缝体积和复杂程度，是今后国内页岩
1. 2 页岩储层重复压裂技术
支撑剂在闭合应力、井底压力和孔隙压力的联 合作用下会慢慢嵌入地层，流体高速运移产生大量 的岩屑和颗粒，在裂缝中聚集堵塞，从而导致压裂
3页岩储层多井同步压裂技术同步压裂技术即同时在相隔不远的2口井或多口井进行多套车组的水力压裂压裂过程中压裂井周围的储层会承受更高的应力增加储层的应力干扰以导致主应力转向从而形成更加复杂的网状裂缝提高网状裂缝的裂缝密度和复杂程度增加改造体积同步压裂在美国进行了一系列的实验压裂效果较好能够大幅增加页岩气井的产量页岩储层压裂开发刚刚起步还没有进行过页岩储层同步压裂作业
高产量。 页岩储层 重 复 压 裂 最 先 出 现 于 美 国， Barnett
页岩对以前采用凝胶压裂的页岩气井择优采取了 重复压裂增产措施，增产效果明显，有些页岩气
认识页岩储层水力压裂裂缝扩展机理。 国外哈里伯顿研发中心、荷兰 Delft 大学、澳大
利亚西南威尔士大学、美国 TerraTek 公司［16］及国 内中国石油大学（ 北京） 、中石化勘探开发研究院、
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展
页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟进展一、本文概述随着全球能源需求的持续增长，页岩气作为一种重要的清洁能源，其开发与应用日益受到人们的关注。
页岩储层水力压裂裂缝扩展是页岩气开发过程中的关键技术，其模拟研究对于优化压裂工艺、提高页岩气采收率具有重要的指导意义。
本文旨在全面综述页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟的最新研究进展，以期为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考。
本文首先介绍了页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟的研究背景和意义，阐述了水力压裂技术在页岩气开发中的重要作用。
接着，文章回顾了国内外在该领域的研究现状，包括裂缝扩展模型的建立、数值模拟方法的发展以及实际应用案例的分析等方面。
在此基础上，文章重点分析了当前研究中存在的问题和挑战，如裂缝扩展过程中的多场耦合作用、裂缝形态的复杂性以及模型参数的确定等。
为了推动页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟研究的发展，本文提出了一些建议和展望。
应加强基础理论研究，深入探究裂缝扩展的物理机制和影响因素，为模型的建立提供更为坚实的理论基础。
应发展更为先进、高效的数值模拟方法，以更好地模拟裂缝扩展的复杂过程。
还应加强实验研究和现场应用，以验证和完善模拟模型，推动水力压裂技术的不断进步。
通过本文的综述和分析，相信能够为页岩储层水力压裂裂缝扩展模拟研究提供新的思路和方向，为页岩气的高效开发提供有力的技术支持。
二、页岩储层特性分析页岩储层作为一种典型的低孔低渗储层，其独特的物理和化学特性对水力压裂裂缝的扩展具有显著影响。
页岩储层通常具有较高的脆性，这是由于页岩中的矿物成分（如石英、长石等）和微观结构（如层理、微裂缝等）所决定的。
脆性高的页岩在受到水力压裂作用时，更容易形成复杂的裂缝网络，从而提高储层的改造效果。
页岩储层中的天然裂缝和层理结构对水力压裂裂缝的扩展具有重要影响。
这些天然裂缝和层理结构可以作为裂缝扩展的潜在通道，使得水力压裂裂缝能够沿着这些路径进行扩展，从而提高裂缝的复杂性和连通性。
水力压裂综合增透技术在谢桥矿二水平6煤层中的首次应用
水力压裂综合增透技术在谢桥矿二水平6煤层中的首次应用发表时间：2019-05-27T16:59:11.593Z 来源：《工程管理前沿》2019年第03期作者：裴拙勤[导读] 穿层预抽钻孔单孔浓度达75%以上，干管抽采浓度在45%以上，百孔抽采量达1.3m3/min，实现了预抽快速消突。
安徽淮南矿业集团谢桥矿，安徽淮南 232001摘要：为实现“扩半径、增效果、提效率、创技术”的工作目标，在集团公司的指导下，谢桥矿在21216底抽巷开展6煤层水力压裂、水力压冲、水力冲孔、掏穴等综合增透技术试验，并取得了较好的效果。
穿层预抽钻孔单孔浓度达75%以上，干管抽采浓度在45%以上，百孔抽采量达1.3m3/min，实现了预抽快速消突。
关键词：水力压裂; 水力压冲 ;水力冲孔; 掏穴一、基本概况21216下顺槽位于二水平东一B组采区，标高-810～-790m，设计全长2008m，处于突出煤层突出危险区，平均煤厚2.5m，煤层倾角13.5°，煤层原始瓦斯压力1.5MPa，瓦斯含量为6.0m3/t。
谢桥矿6煤层为关键保护层，上保护8煤、下保护5煤、4煤。
二、水力压（冲）裂条件和依据(一) 水力压（冲）裂依据1.淮南矿业集团谢桥矿13-1煤层水力压裂技术标准；2.淮南矿业集团潘北矿5煤水力压裂技术标准；3.淮南矿业集团谢桥矿二水平东一B组采区下部车场水力压冲技术标准。
(二) 水力压（冲）裂条件瓦斯压力在2MPa以下，瓦斯含量在6.0m3/min左右的条件下可以采用水力压冲增透技术。
三、水力压裂方案设计（一）水力压裂半径根据淮南矿业集团潘北矿5煤水力压裂试验，得出压裂半径为不大于30m，结合谢桥矿二水平东一B组采区下部车场8煤的水力压冲试验，得出压裂半径为不小于17m。
鉴于上述经验，本次水力压裂半径初步设计为20～25m。
（二）水力压裂钻孔布置在21216底抽巷2#钻场内布置三个压裂孔和一个压冲孔。
1#、2#压裂孔与3#压裂孔终孔间距分别为20m和25m,孔径∮113mm，终孔位于掩护顺槽中心位置；压冲孔与2#压裂孔终孔间距为23m。
煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究
煤矿井下水力压裂切顶卸压护巷技术应用研究摘要:煤矿高瓦斯工作面一般采用多巷布置,部分回采巷道除供本工作面使用外,还需为下一个工作面服务,某煤矿209 工作面护巷煤柱在工作面回采动压影响下围岩变形严重问题,采取了超前工作面进行水力压裂切顶卸压来减小煤柱所受采空侧覆岩载荷。
针对该工作面工程地质条件,对水力压裂钻孔施工相关参数进行了确定并进行了工业性试验,应用效果表明,压裂后巷道顶底板及两帮围岩变形量降低,巷道围岩变形处于可控范围,实现工作面安全高效回采。
关键词:水力压裂;切顶卸压;施工随着开采深度和煤层厚度的增加,留巷压力增大,留巷底鼓和帮部变形严重,巷道维护量增大,在下一工作面使用前,需对巷道进行修复。
同时由于巷道顶板坚硬岩层存在,沿空巷道悬顶宽度增大,顶板断裂不理想,悬顶的存在使沿空巷道压力增加。
因此需采用切顶卸压技术措施降低巷道悬顶宽度,降低留巷压力。
现有切顶卸压技术主要有爆破切顶卸压、顶板钻孔放顶、端头强制切顶等。
但爆破切顶方法仍存在工程量和炸药量大、成本高、污染井下空气等不足,在高瓦斯矿井或煤层中应用时,需采取控制瓦斯或煤层爆炸的措施。
为解决问题,提出了采用水力压裂切顶卸压技术,解决工作面悬顶问题。
一、慨况某煤矿生产矿井209 工作面为矿井主采面,209 工作面回采期间超前采动影响不大,超前支护段几乎没有明显变形。
209 工作面回采进入到 100 采空区影响范围后,2092巷超前影响段变形明显,超前 180m 左右即有底板硬化层开裂,出现底鼓,超前 60m 范围内巷道变形严重,底板鼓起,两帮移近,顶板出现破碎网包,变形最严重处巷宽由 4.8m 缩至 3.5m,巷高由 3.6m 减至2.3m,起底量和超前维护量巨大。
如图。
在工作面回采动压影响下,工作面两侧所留设的区段煤柱内部应力会随着工作面推进距离的变化而发生变化。
当距离工作面相对较远时,煤柱未受回采动压影响而处于原岩应力状态;当煤柱与工作面距离较近时,在工作面超前支承压力影响下,煤柱内部应力急剧增加,处于应力增高区;当煤柱距离工作面后方较远后,煤柱内部应力逐渐减小,恢复到原岩应力状态并趋于稳定。
煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究
岩石损伤破裂过程渗流～应力耦合分析系统 （ＲＦＰＡ２Ｄ＿Ｆｌｏｗ）将岩石材料的非均质性参数引入 到计算单元，认为宏观破坏是单元破坏的积累过 程；认为单元的性质是线弹脆性的，单元的弹性模 量和强度等力学参数服从ｗｅｉｂｅｌｌ分布；认为当单 元强度达到破坏准则时发生破坏，破坏后单元的弹 模比其它单元低；认为岩石的损伤量与破坏单元数 成正比，故町以用连续介质力学方法处理物理非连 续介质｜’ⅡＪ题Ｌｌｓ－ｌｓ３． ２．１ 单钻孔水压致裂情形 ２．１．１数值计算模型
２）设置煤层水平面内的两个水平地应力们 与以的关系为㈣一ｋａ：．在数值分析中，系数ｋ的 取值为：１．０，１．０５，１．１，１．４，１．８，２．０，以考察不同 水平地应力状况对煤层钻孔压裂裂缝扩展效果的 影响．
根据最大拉应力准则，当井底压力一旦达到最 小地应力（对垂直缝则是最小水平地应力，水平缝 则是垂向应力）和煤层岩石抗拉强度（Ｒ。）之和，煤 层即被压开，此压力称为起裂压力，用Ｐ。，表示
１ 煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展特征
煤层钻孔在高压水的作用下发生起裂后，水在 泵的驱动下进入煤层中的层理面、切割裂隙．煤体 产生空间上的膨胀，促使该级弱面继续扩展和延 伸、逐步在煤层中相互连通形成贯通网络，并造成 煤层的雎裂崩解．这一过程都足通过各级弱面的内
猷塑窭翻＿鲨盐 水压力来完成，如图ｌ所示．
¨
由于煤层在整个钻孔和压裂过程中铅垂方向 的位移受一卜覆中岩层的限制，相对于水平方向的位 移变化较小，可忽略不计，因此，将模删视为平面应 变模型．取边长为２０ ｍ×２０ ｍ的正方形区域，划 分为４００×４００＝１６０ ０００个单元，模型的中部开挖 一直径为２００ ｍｍ的圆孔，表示钻井井筒．将模型 的水平地应力以位移边界条件的方式施加于模型 的两边，如｜冬Ｉ ３所示，ｏｒ。，盯。为煤层水平面内的两个 地应力．注入水压作用于孑Ｌ的内部边缘，水压力Ｐ 以０．１ ＭＰａ的步长递增．初始水压Ｐ。视各模型的 初始边界条件而定．
煤矿井下穿层钻孔水力压裂的现场应用研究
［ 收稿 日期］２ ０ １ ２ － １ ２ － ２ ０
孔 ，压裂 目 标煤层所在地层为龙潭组 ，煤系地层主
要 有砂岩 类 、泥质 岩类及 煤组 成 。
产出。碎粒煤与糜棱煤均属于塑性煤的范畴。因此
对 于碎 粒煤 与糜棱 煤 在压裂 过程 中无 法产 生有效 裂
缝 ，不 适 于水力 压裂 。
ｍ ｄ 数量级上 ，瓦斯抽放 困难 ，严重威胁煤矿 的生 产安 全 ¨ 。因此 煤储层 的低渗 特 征 是煤 矿 瓦 斯抽
采 的瓶颈 ，提 高 煤 储 层 的渗 透 性 是解 决 问 题 的关 键 。在煤 矿井 下进行 水 力压裂 时 ，除具 有增 透作用 以外 ，在 顶板 处理 、防突 、防冲 、降尘 、防 自燃 等
在煤层 压裂 效果 很差 的情况 下 ，可 以把排 气通 道 放 在煤层 的顶板 或 底板 （ 虚拟 储 层 ） ，来改 善 煤
层气的开采效果 ，从而达到提高煤层气的采出率的
目的 。其基 本方 法是 对煤层 及其 围岩 同 时进行 压裂 改造 ，由于 围岩 的可 压裂性 强 ，压裂 后 围岩 中裂 隙 在横 向和纵 向上延伸 更远更 深 ，煤储 层 中 的气 体 除 了钻 孔周 围 的气 体 可 以通 过压 裂 的煤 层 进入 钻 孔 ， 远离 钻孑 Ｌ 的煤层 气 主要通 过煤层 与 围岩 的接触 面处
煤矿 井 下 穿层钻 孔 水力 压 裂 的现场 应 用研 究
谢 长虹
（ 松藻煤电有限责任公 司 渝 阳煤矿 ，重庆 ４ ０ １ ４ ４ ８ ）
［ 摘
要］ 为解决煤层透气性低、瓦斯抽采效率低 而严 重制约采煤作 业的技术难 题 ，针对渝 阳
水平井压裂裂缝起裂与扩展
水平井压裂裂缝起裂与扩展引言：通过国内外研究人员实践表明：由于水平井具有单井产量高、穿透度大、泄油面积大、油气储量利用率高及能避开障碍与环境复杂的区域等特点。
对于低渗透油藏、薄差储层油藏、储量较小的边际油藏以及稠油油气藏等，水平井压裂是这类油藏最佳的开采方式。
最近一段时期，随着学者们的不断研究以及钻井完井等工艺技术水平的提高，水平井开发技术成为人们开发低渗透油田的研究重点并被广泛应用。
水平井与垂直井、普通定向井的裂缝起裂机理都有明显区别。
水平井自身存在复杂性与特殊性，钻遇地层环境比较复杂，水力裂缝在发生破裂时所需的起裂压力比垂直井的破裂压力高得多，通常会发生裂缝不张开，导致压裂失败。
深入研究水平井裂缝起裂机理，找出合理的起裂规律是水平井压裂施工成功前提保障。
第1章水平井井壁上的应力状态水力压裂时裂缝的形成主要是决定于井壁的应力状态。
一般认为：当井壁上出现有一个超过岩石抗拉强度的拉伸应力时，井壁便开始破裂。
1.1 由于地应力所产生的井壁应力地应力是由地壳岩层的重力场或即上覆地层压力及地质构造应力场所组成的。
一般可认为, 地应力中的一个主应力是垂直于地壳表面的,其余两个主应力则是水平的。
如果只考虑上覆地层载荷引起的重力作用(即不存在地质构造运动力)，且认为地下岩石处于纯弹性状态,可将初始的地应力分解为垂道方向的正主应力σz和两个相等的水平方向的正主应力σx入和σy。
式中h-底层的埋藏深度；ρ-上覆岩层的平均容重，其理论值可取。
00231kg/cm3;μ-岩石的泊松比。
在有些构造运动活跃的地区会出现异常大的侧应力(水平应力) , 井且在通常的情况下三个原地主应力是不相等的。
设取压应力的符号为正, 拉应力为负, 三个主应力分别表示为σ1,σ2和σ3 (σ1>σ2>σ3>0) , 根据地质构造形成时的受力特点, 正断层、逆断层和平推断层发育的区域里, 三个主应力的方向是不相同的(图1)。
浅谈煤矿井下的水力压裂技术
浅谈煤矿井下的水力压裂技术随着我国煤矿开采深度逐步增加，瓦斯灾害日益突出，为保证煤矿安全生产，人们越来越重视瓦斯灾害的治理研究。
目前瓦斯抽放是瓦斯治理最有效的措施，但由于国内煤层具有低渗透率的特点，瓦斯抽放效果有限，如何提高煤层的渗透率，增大透气性系数，成为目前瓦斯治理工作研究的重点。
当前常用的方法主要有深孔松动爆破和煤层高压注水压裂两种，前者虽然能够提高煤层的渗透率，但在应用过程中易产生哑炮而留有安全隐患。
目前淮南矿业集团正大力推广水力压裂增透技术，提高钻孔抽采效果，减少钻孔施工数量，实现技术经济一体化。
1 水力压裂增透技术基本原理煤矿井下水力压裂是一种使低渗煤层增透的技术，其基本原理是借助高壓水通过钻孔以大于煤岩层滤失速率的排量向煤岩体注入，克服最小地应力和煤岩体的抗拉强度，在煤层各种原生弱面内对弱面两壁面产生的劈裂或支撑作用使弱面发生张开、扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割，这种分割过程一方面通过原生弱面的张开和扩展，增大了裂隙等弱面的空间体积，增加了煤体孔隙率；另一方面原生孔裂隙等弱面的延伸增加了孔裂隙之间的连通，形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层的渗透率大大提高，在负压抽采过程中，使得吸附瓦斯得以快速解吸，从而提高低渗煤层的抽采效果。
2 施工背景淮南潘一矿东井西一（13-1）盘区顶板回风上山揭13-1煤预计瓦斯压力达到5MPa左右，突出危险性较大，为提高揭煤消突钻孔的预抽效果，达到快速消突的目的，确保安全、高效地揭过13-1煤层。
选择对该处揭煤采取水力压裂增透技术。
3 钻孔施工3.1 水力压裂钻孔设计本次压裂试验压裂半径按30m进行设计，共设计5个压裂钻孔，分别为压1、压2、压3、压4与压5，其中压2与压5均穿过13-1煤层1m，即进入13-1煤层顶板1m。
5个压裂钻孔分两个地点进行压裂，其中压1、压2、压3孔在1252（3）底板巷施工，压4与压5在揭煤巷道施工至法距15m处施工。
水平井压裂裂缝起裂及延伸规律研究
Pw pp
z
cPw
zz
2
xx
yy
cos2
12
1
Pw pp
r 0
rzz
2yz
0
cos
17
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究 2.1.2 射孔完井水平井井筒周围应力分布
16
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
2.1.1 裸眼完井水平井井筒周围应力分布
水平井井筒原地应力分布
+
井筒内压引起的应力
+
压裂液渗滤效应引起的附加应力
r Pw (Pw pp)
Pw
(xx
yy
)
2(xx
yy
)cos
2
12
1
2(
xx
yy
z
) cos 2
在坐标系下射孔完井水平井井筒应力与裸眼完井水平井应力一 致，根据迭加原理，将井筒内压、地应力和压裂液渗流效应引起的 应力迭加，便可得到水平井射孔完井时井筒壁处的应力场分布：
r Pw (Pw p p )
2Pw (1
cos 2
'
)
(
xx
yy
z
)
13
2.水平井压裂裂缝起裂规律研究
水平井压裂中裂缝的起裂压力和起裂方位因素： （1）水平段井筒的方位； （2）岩石性质、井筒周围应力分布； （3）施工作业条件、井筒结构、射孔条件。
对水力压裂裂缝延伸方向平行于断层的认识
对水力压裂裂缝延伸方向平行于断层的认识水力压裂是一种通过高压液体将岩石破碎并形成裂缝的技术，广泛应用于石油和天然气开采中。
在水力压裂过程中，裂缝的延伸方向对于有效提高产能和增加采收率至关重要。
根据研究和实践经验，我们可以得出结论：水力压裂裂缝的延伸方向往往是平行于断层的。
断层是地壳中存在的一种地质现象，是岩石在地壳运动中产生的断裂面。
断层可以分为正断层、逆断层和走滑断层等不同类型，而裂缝是断层运动的结果之一。
在地质构造运动过程中，断层与岩石之间会产生巨大的应力，当应力超过岩石强度时，岩石就会发生破裂形成裂缝。
水力压裂技术通过注入高压液体，使岩石发生破碎和裂缝扩展，从而增加岩石的渗透性和储层的有效性。
在水力压裂过程中，裂缝的延伸方向与断层的关系成为了研究的重点。
研究表明，当水力压裂作用的应力场与断层的应力场相互作用时，裂缝更容易沿着断层的延伸方向扩展。
这主要是由以下几个原因所导致的：断层处于地壳中的高应力区域。
断层的存在使周围岩体的应力集中，当水力压裂作用的高压液体注入断层附近时，由于应力集中作用，裂缝更容易沿着断层的延伸方向扩展。
断层具有一定的导向性。
断层通常具有一定的倾角和延伸方向，这使得裂缝在水力压裂过程中更容易沿着断层的倾向延伸。
断层的导向性对裂缝的延伸方向起到了一定的引导作用。
断层破碎带的存在。
断层破碎带是指断层周围的岩石发生了破碎和变形的区域，这使得岩石在水力压裂作用下更容易发生破碎和裂缝扩展。
断层破碎带对裂缝的延伸方向起到了一定的制约作用。
断层的存在对地下应力场产生了改变。
断层的运动会改变地下岩石的应力场分布，使得裂缝更容易沿着断层的延伸方向形成。
断层的存在改变了岩石的力学性质，使得裂缝延伸方向平行于断层更为有利。
水力压裂裂缝的延伸方向往往是平行于断层的。
断层作为地壳中存在的一种地质现象，对裂缝的延伸方向起到了重要的影响作用。
研究和确定裂缝的延伸方向，对于合理设计水力压裂方案、提高采收率和开采效果具有重要意义。
水力压裂交流汇报材料(谢桥矿)
三、水力压裂钻孔封孔工艺
（二） 注浆步骤
1、第一次注水泥2袋，间隔12小时进行二次注浆，待返浆管返 浆关闭闸阀。2小时后进行第三次注浆，将分离的上层清水顶出。 2、然后使用返浆管进行第二回合注浆，待压裂管返浆后关闭 压裂管闸阀，再次使用返浆管带压注浆，注浆压力不小于 6MPa。 3、带压注浆结束后打开压裂管闸阀，将压裂管内水泥浆放掉， 并使用压裂管注清水，注水压力不小于6MPa，防止压裂管端头的花 眼堵塞；待第二次注浆凝固48小时后打开压裂管闸阀放掉清水，即 可进行水力压裂工作。 4、注浆选用液压注浆泵，水:灰重量为比0.7:1。水泥浆必须 充分搅拌均匀，并将结球、结块水泥捞出，注浆时吸浆口不得高出 液面，防止吸入空气。
单元 编号
瓦斯 瓦斯压 钻孔量 力 含量 （个） （m3/t） MPa 66 5.4 1.12 66 36
布孔 方式
8# 11~12# 14#
× × ×
二、谢桥矿水力压裂开展情况及成效
（二）后续探索 2.5 结论 谢桥矿1351（3）底抽巷对应13-1煤层实施水力压裂后， 由于煤层透气性改善，抽采半径增加，单孔抽采量可增加251%。 因此预抽单元穿层钻孔采用10m×10m能够满足单元抽采需要。 单元钻孔采用10m×10m布臵方式不仅节约了钻孔量约50%，而 且单元预抽时间减少了48.8%。钻孔抽采效率明显提高。
0.75
0.76 0.70 1.1 0.96 0.83 0.63
4.2
6.4 7.8 3.8 5.6 3.6 7.8
4.42
4.12 3.95 5.29 4.56 4.72 4.11
走向
走向 走向 倾向 倾向 倾向 倾向
二、谢桥矿水力压裂开展情况及成效
（二）后续探索 2.2 有效抽采半径考察 在压裂区域边缘（距离压裂孔60m），施工4个抽采半径考 察孔，考察半径分别为5m、7m、9m、11m（具体布臵见下图 3），采用示踪法测定钻孔有效抽采半径达11m，原始状态下抽 采半径为5m，提高了120%。
本科毕业设计-水力压裂裂缝控缝高技术应用分析[管理资料]
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水力压裂裂缝控缝高技术应用分析摘要:压裂裂缝高度的估计和确定目前已经成为压裂过程中最为关键的技术之一。
因为裂缝高度在垂向上的过度延伸不仅仅会降低裂缝的长度和宽度甚至会导致多余水和气的产出。
而裂缝的长度和宽度变小使得压裂后油井的产量递减快，增产有效期短，影响最终采收率，导致压裂效果不好。
如果裂缝延伸进周围的水层或气层，会导致油井产出多余水和气，导致压裂失败。
目前国内外有很多控制裂缝高度的技术在油田实施，取得了很好的效果。
而出于经济上的考虑，压裂施工前估计裂缝高度并判断是否需要控制裂缝高度是非常重要的。
本文在研究国内外资料的情况下总结，分析了裂缝高度的主要影响因素，并对其中最为重要的三个因素（地应力，杨氏模量，界面滑动）进行了详细的分析和总结。
在查阅国内外大量资料的情况下，尝试弄清楚各个因素对于裂高度影响的作用机理。
在岩石力学性质理论相结合的基础上，我们得到以下的结论。
其中，一般情况下地应力对于裂缝高度的影响最为明显。
并且通过对地应力分布进行分析，可以直接预测裂缝高度。
杨氏模量和界面滑动对于裂缝高度的影响次之。
本文的主要目的是为了在压裂施工前采用一个简单的方法估计裂缝的大概高度，并根据地层情况判断是否需要控制裂缝高度。
为施工人员提供一个参考。
由于目前压裂施工控制裂缝高度可以通过建立三维裂缝延伸方程和模型，并采用相关软件来计算实现。
所以本文对此没有做详细的探讨。
关键词：水力压裂；控缝高；岩石性质Analysis of hydraulic fracture height control technologyAbstrct : Fracture and determine the estimated height of fracturing process has become one of the most critical technologies. Because the height of the vertical cracks over extended not only reduce the length and width of ,but also lead to excess water and gas output. The length and width of cracks smaller makes the production of oil wells decline fracturing . If the crack extends into the surrounding water layer or gas layer,will lead to excess water, oil and gas production, leading to fracture failure. There are many cracks at home and abroad control the implementation of high technology in the field and achieved good results. A high degree of fracturing and crack the pre-construction estimates to determine whether the need to control fracture height is very important.Based on the study summed up the case of domestic and international data, analysis of the main factors affecting fracture height, the most important of the three factors (stress, Young's modulus, interface sliding) carried out a detailed analysis and summary. Access to large amounts of data in the case of domestic, try and find out the various factors on the mechanism of high-impact fracture. According to the theory of mechanical properties of rock,we get the following conclusions. Stress fracture height for the most obvious effects and through the distribution of stress analysis,can predict fracture height. Young's modulus and interfacial fracture height of sliding for the second. The main purpose of this paper is to use in the fracturing before the crack of a simple method to estimate the approximate height and ground conditions to determine whether under the control of fracture height. Provide a reference for construction personnel. Control of cracking due to the current high degree of fracturing can be three-dimensional fracture propagation through the establishment of equations and models, and uses software to calculate the implementation. Therefore, this article does not do detail.Key words: hydraulic fracturing; control slot height; rock property目录1 绪论 (1)概述 (1)垂向裂缝和水平裂缝的形成 (1)裂缝在垂向上过度延伸的危害及控制裂缝高度的意义 (2)2 缝高影响因素分析 (4)概述 (4)地层的应力差 (4)背景资料 (4)理论证明及裂缝高度理论计算方法 (5)油层在不同应力场下裂缝高度 (7)杨氏弹性模量 (8)平均模量地层中裂缝延伸情况 (8)不同杨氏模量下裂缝延伸情况 (9)界面滑动（剪切裂缝） (11)小结 (12)3 岩石力学基础和裂缝高度估算 (15)概述 (15)引言 (15)地应力的测量和计算 (15)应力定义 (15)地应力的测量 (16)计算应力 (18)4 实例分析 (22)地层情况及测井数据 (22)计算地层岩石物性参数 (22)地层应力计算 (23)5 裂缝高度的测量 (24)引言 (24)温度测井 (24)放射性测井和噪声测井 (25)直接测量 (25)新技术 (26)6 国内外控缝高技术介绍 (27)人工隔层技术 (27)变排量压裂技术 (28)注入非支撑剂段塞控制缝高技术 (29)调整压裂液的密度控制缝高技术 (29)冷却地层控制缝高技术 (29)酸和低排量工艺技术诱发地层破裂技术 (29)用低粘度，低排量和70/140目砂来控制裂缝的高度技术 (29)利用地应力高的泥质隔层控制裂缝高度技术 (30)利用施工排量控制缝高度技术 (30)参考文献 (31)致谢 (32)1 绪论概述在压裂设计中了解垂直裂缝高度的知识非常重要，裂缝高度对裂缝长度有着显著的影响。
钻孔开裂的原理
钻孔开裂的原理钻孔开裂的原理通常可以分为两个方面，即机械原理和地质原理。
首先，机械原理解释了为什么在钻孔过程中岩石会出现开裂现象。
当钻头在岩石中进行旋转和冲击时，会施加力于岩石表面，以产生足够的压力使岩石发生破裂。
综合应力分析表明，开裂的主要原因在于岩石受到的剪切应力或压力超过了其破裂强度。
剪切应力会导致岩石的剪切开裂，而压力则会引起岩石的拉伸开裂。
剪切开裂是指岩石内的剪切力超过了岩石的抗剪强度，从而导致岩石断裂。
这种情况通常发生在硬度较高的岩石或存在裂隙的岩石中。
剪切力会使裂缝的两侧产生相对滑动，最终导致岩石断裂。
拉伸开裂则是在岩石表面产生的压力作用下发生。
如果压力超过了岩石的抗拉强度，它们将开始发生拉伸开裂。
其次，地质原理解释了为什么某些地质条件下岩石更容易出现开裂现象。
岩石的物理性质、组分、结构和裂隙等因素均会影响岩石开裂的易发性。
首先，岩石的物理性质对其开裂易发性有重要影响。
主要包括硬度、韧性和脆性等。
硬度较高的岩石更难开裂，而韧性较好的岩石则具有较高的抗拉强度，从而减少了开裂的风险。
相反，脆性岩石容易出现开裂。
其次，岩石的组分和结构也对开裂的易发性起着重要作用。
某些岩石中含有易溶于水的矿物，当水渗入岩石中时，这些矿物将溶解，导致岩石的结构破坏和开裂。
此外，岩石中的裂隙和接触面亦是开裂的主要发源地。
这些裂隙可以自然形成，也可以由于地下水流动、构造应力等因素而形成。
最后，施工活动本身也可能对岩石造成开裂。
例如，钻孔时的旋转和冲击，以及使用的工具和技术等因素，可能会导致岩石的破裂。
此外，钻孔中液压力的变化、岩石与钻具之间的摩擦力等也会影响岩石的开裂。
总而言之，钻孔开裂的原理是在机械和地质两方面因素共同作用下，岩石受到剪切应力或压力的影响而出现断裂。
机械方面是从施加在岩石上的力和压力的角度来解释，而地质方面则是通过分析岩石的物理性质、组分、结构和裂隙等因素来解释。
这些因素的相互作用导致了钻孔中岩石出现开裂的现象。
定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用_徐幼平
第21卷第7期2011年7月中国安全科学学报China Safety Science JournalVol．21No．7Jul．2011定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用*徐幼平1，2林柏泉1，2教授翟成1，2副教授李贤忠1，2孙鑫1，2李全贵1，2（1中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2211162中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116）学科分类与代码：6203070（安全系统工程）中图分类号：X936文献标志码：A基金项目：国家自然科学基金资助（51074161）；国家重点基础研究发展计划资助（2011CB201205）。
煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM08X03）；国家科技支撑计划项目（2007BAK00168－1）。
【摘要】为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区，扩大压裂影响范围，提高卸压增透效果，在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上，提出定向水力压裂技术，分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律，并利用RFPA2D－Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程，对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。
最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己15－31010工作面进行了现场应用，得出在27MPa的水压下，单孔压裂有效影响半径达6m；单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%，平均流量上升了382%，取得了显著的效果，具有良好的推广应用价值。
【关键词】穿层；定向水力压裂；卸压增透；RFPA2D－Flow软件；声发射Analysis on Dynamic Characteristics of Cracks Extension inDirectional Hydraulic Fracturing and Its ApplicationXU You-ping1，2LIN Bai-quan1，2ZHAI Cheng1，2LI Xian-zhong1，2SUN Xin1，2LI Quan-gui1，2（1State Key Laboratory of Coal Resources＆Mine Safety，China University of Mining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China2School of Safety Engineering，China University ofMining＆Technology，Xuzhou Jiangsu221116，China）Abstract：In order to reduce roof-floor blind area of hydrofracture in underground mines，expand influ-enced range of fracturing，and improve the effect of hydrofracture，a directional hydraulic fracturing tech-nique was proposed on the basis of analyzing the mechanism of crack initiation and the characteristics of fracture development．And the process of crack starting，extending and elongating was simulated with RFPA2D-Flow．The effect of directional hydraulic fracturing and the effect of non-directional hydraulic frac-turing were compared．Finally the directional hydraulic fracturing technique was applied in the F15-31010 mining workface of the Twelfth Coal of Pingdingshan Coal Mining Group．The results show that single drill-hole fracturing effective radius rises to6m under the pressure of27MPa，and the average concentration of single-drillhole gas drainage promotes80%，average flow up382%than that it is not fractured．All these suggest that the technology obtains remarkable effect，and has a high application value．Key words：cross layer；directional hydraulic fracturing；pressure relief and permeability increase；RFPA2D-Flow software；acoustic emission*文章编号：1003－3033（2011）07－0104－07；收稿日期：2011－04－20；修稿日期：2011－05－200引言水力压裂技术最早使用在油、气田的开发中［1－2］。
水力压裂造缝机理
2．地应力场确定地应力场确定包括地应力大小和方向。
主要手段主要有：1) 水力压裂法微型压裂(mini-frac)压力曲线计算应力场。
2)实验室分析方法应用定向取心技术保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。
岩心从地下三向压应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。
(1) 滞弹性应变恢复（ASR）基于岩心与其承压岩体发生机械分离后所产生的应力松弛，按各个方向测量应变并确定主应变轴。
并假定主方向与原位应力主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应力值。
(2) 微差应变分析（DSCA）从井底取出的岩心由于应力释放和应变恢复会发生膨胀，产生或重新张开微裂缝。
基于应变松弛作为“应力史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩心已经出现的应力下降成正比。
通过描述微裂隙分布椭球，即可揭示以前的应力状态。
根据和这些微裂缝相关的应变推断主应力方向，并从应变发生的最大方向估算出最小主应力值。
3) 测井解释方法利用测井（主要是密度测井、自然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中子测井、自然电位测井等）资料，首先基于纵横波速度与岩石弹性参数之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算模式获得连续的地应力剖面。
4) 有限元模拟根据若干个测点地应力资料，借助于有限元数值分析方法，通过反演得到构造应力场。
强烈取决于根据研究工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。
此外，测定地应力方向的常用方法还有声波测定、井壁崩落法、地面电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。
3．人工裂缝方位在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。
根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力方向。
当s z最小时，形成水平裂缝（horizontal fracture）；当s y最小时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。
复杂水力压裂裂缝扩展机理-updated[1]
![复杂水力压裂裂缝扩展机理-updated[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/443e6070326c1eb91a37f111f18583d049640f2e.png)
复杂水力裂缝扩展机理目前常将复杂水力压裂裂缝扩展归结为复合型裂缝问题，常用的复合型裂缝脆性断裂的理论有三种：一、复合型裂缝类型按结构受力分类为：I型拉张裂缝、II型剪切裂缝和III型撕裂裂缝，见下图。
modeI mode II modeIII图1：3种典型裂缝模型实际上，在地下环境岩体多受三向压应力，裂缝扩展方式相对复杂，且岩体结构的复杂性，如先存裂缝、不均匀多层等，裂缝扩展的形态多以复合形式出现，即统称的I-II复合型、I-III复合型等。
须重点强调的是，影响岩体水力裂缝扩展的主要因素除了上述的受力（应力状态）和岩体结构外，另一重要因素为岩体介质材料，如图2中的平面模型，弹塑性介质（金属、软弱地层）中的水力裂缝扩展将沿最大剪切应力方向扩展（图中的45°方向；而脆性介质（玻璃、硬质地层）去裂缝扩展方向沿最大地应力方向。
针对本课题的砂岩储层韧性、脆性认定或评价是比较复杂的，主要原因：(1) 未得到实际储层中的砂岩样本，难以得到反映砂岩特征物性的构造要素，该要素是衡量砂岩断裂特征的第一要素；(2) 介质材料的韧性脆性还与实际地层中的应力状态(包括大小)、含水量有关，开发资料所提供的数据不足以重塑实际砂岩的完整力学特性。
当然在所给定的应力条件下，根据砂岩配比获得的人工试样破裂特性呈现除了相当明显的脆性特征，据此，我们对相关的可压裂给予了较大的期待，这也是本课题所取得的阶段性成果之一。
二、裂缝扩展方向、扩展准则(1)最大拉应力理论：由Erdogan 和Sih 首先提出的。
认为裂纹的扩展是由 最大周向应力达到某一临界值时而产生的，其扩展方向沿最大周向应力方向。
其中最大周向应力的临界值可由裂纹的断裂韧度K 来确定。
C对于1-2型裂纹，基于最大拉应力理论建立的断裂判据为：663.八cos-o [Kcos 2o —Ksin 6]=K 2I 22II0IC 其中，6为开裂角。
(2)能量释放率理论：由Palaniswamy 首先提出的。
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摘要： 低渗透煤层井下水力压裂过程中存在着诸多因素的影响， 使得穿层钻孔起裂扩展方向难以 确定。在考虑煤岩层物理力学性质及地应力等因素的情况下， 通过理论推导并结合数值模拟手段， 对 钻孔周围的应力状态进行了分析， 结果表明： 钻孔的起裂扩展方向与 ｙ 方向应力、 ｘ 方向应力的比值 ｋ 有关， 当ｋ ＜ １时， 裂缝在 ｘ 方向上起裂； 当 ｋ＝ １时， 裂缝的起裂会失去方向性； 当 ｋ＞ １时， 裂缝在 ｙ 方 向上起裂。研究结果可为煤矿井下压裂孔的布置提供理论指导。 关键词： 穿层钻孔； 水力压裂； 起裂方向； 应力； 数值模拟 中图分类号： Ｔ Ｄ ７ １ ２ 文献标志码： Ａ 网络出版时间： ２ ０ １ ５ － １ ０ － ０ ８１ ０ ： ４ ７ 网络出版地址： ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍ ｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ ５ ０ ． １ ０ ６ ２ ． Ｔ Ｄ ． ２ ０ １ ５ １ ０ ０ ８ ． １ ０ ４ ７ ． ０ ２ ４ ． ｈ ｔ ｍ ｌ
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矿业安全与环保
第４ ２卷 第 ５期 ２ ０ １ ５年 １ ０月
张飞， 王恩营， 廉有轩， 等． 穿层钻孔水力压裂裂缝平面起裂扩展方向的力学分析及应用［ Ｊ ］ ． 矿业安全与环保， ２ ０ １ ５ ， ４ ２ （ ５ ） ： ５ ４ － ５ ７ ． 文章编号： １ ０ ０ ８ － ４ ４ ９ ５ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ０ ５ ４ － ０ ４
穿层钻孔水力压裂裂缝平面起裂扩展方向的 力学分析及应用
１ １ ， ２ ３ １ Ｚ Ｈ Ａ Ｎ ＧＦ ｅ Ｌ Ｉ Ａ ＮＹ ｏ ｕ ｘ ｕ ａ ｎ ，Ｙ Ｉ ＮＱ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｏ
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， ２ 张 飞１， 王恩营１ ， 廉有轩３， 殷庆超１
（ １ ． 河南理工大学 资源环境学院， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０ ； ２ ． 河南理工大学 中原经济区煤层（ 页岩） 气河南省协同创新中心， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０ ； ３ ． 河南工程学院 资源与环境工程系， 河南 郑州 ４ ５ １ １ ９ １ ）