煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究

第26卷第1期2009年03月

采矿与安全工程学报

Journal of Mining &Safety Engineering

Vol.26No.1

March 2009

收稿日期:2008208213

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400);国家自然科学基金项目(50574090);国家自然科学基金重点项目

(50634050)

作者简介:王　鹏(19852),男,辽宁省本溪市人,研究生,从事力学与采矿工程方面的研究.E 2m ail :xbmao @ T el :0516283885058　

文章编号:167323363(2009)0120031205

煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律研究

王　鹏1,茅献彪1,杜春志2,孙风娟1

(1.中国矿业大学理学院,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州　221116;

2.中国民航大学交通工程学院,天津　300300)

摘要:煤层钻孔水压致裂是提高地面煤层气抽采效果的有效方法之一,借助于数值模拟方法对

煤层钻孔水压致裂的裂缝扩展规律进行了分析.研究表明:当两个方向水平地应力值相等时,煤层钻孔围岩裂缝起裂角和扩展方向呈随机性,而当两个方向水平地应力值不相等时,则裂缝起裂角和扩展垂直于数值较大的水平地应力方向;钻孔围岩主裂缝的扩展长度随水平应力系数和注水压力的增大而增大;地面煤层气井的合理布置方式宜为菱形,且菱形对角线应平行于最大和最小水平地应力方向.

关键词:煤层;水压致裂;地应力;煤层气抽采;数值模拟中图分类号:TD 712 文献标识码:A

St udy on t he Propagation Mechanism of t he Crack

for t he Borehole Hydraulic Fract uring in Coal Seam

WAN G Peng 1,MAO Xian 2biao 1,DU Chun 2zhi 2,SUN Feng 2juan 1

(1.School of Sciences ,State Key Laboratory for Geomechanics &Deep Underground Engineering ,

China University of Mining &Technology ,Xuzhou ,Jiangsu 221116,China ;

2.The Transportation Engineering College ,Civil Aviation University of China ,Tianjin 300300,China )

Abstract :Hydraulic f ract uring for coal seam t hrough boreholes is one effective met hod to in 2crease ext raction efficiency on t he ground.In t his paper ,p ropagation mechanism of hydraulic fract uring cracks in coal seam was analyzed by using numerical stimulation.Research result s indicate t hat 1)starting 2crack angle and p ropagation direction of cracks in surrounding rock be 2have randomly when horizontal gro und st resses in two direction are equal ,but t hey will plumb t he direction of t he horizontal ground st ress wit h a bigger value when ground st ress have differ 2ent value ;2)p ropagation lengt h of main crack in surrounding rock increases wit h t he growt h of horizontal st ress coefficient and injection pressure ;3)t he reasonable borehole pattern for met h 2ane wells on t he ground is rhombus ,whose diagonals should parallel t he directions of t he maxi 2mum and minimum horizontal ground st ress.

K ey w ords :coal seam ;hydraulic f ract uring ;ground stress ;met hane drainage ;numerical simu 2lation

我国煤层气资源极其丰富,据测算,其资源量约为43×1012m 3,居世界第2位,与常规天然气资源量大约相当,且基本分布于西气东输管运沿线,开采潜力巨大[123].

近年来,美国、加拿大、澳大利亚、英国、俄罗斯等许多国家对煤层气资源已经给予充分重视[425].

采矿与安全工程学报第26卷　

由于美国等国家的煤层渗透好,地面抽采无需进行人工增渗措施,因而,此项技术迅速得以推广.而在我国,煤层气抽采技术的应用尚属起步阶段,且由于我国煤层受地质构造影响,普遍存在低压、低渗、低饱和现象[6211],孔隙率低,吸附瓦斯难解吸,如不采取人工增渗措施将无法实现工业化抽采,严重制约了煤层气(瓦斯)的抽采效果.煤层钻孔水压致裂技术是煤层人工增渗、提高抽采效果的有效方法之一.但是,煤层钻孔水压致裂的裂缝起裂与扩展机理有待进一步研究.本文旨在通过数值模拟方法对煤层钻孔水压致裂裂缝形成及扩展规律进行研究,为对煤层钻孔水压致裂技术的应用及提高煤层气抽采效率提供参考.

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.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,并造成煤层的压裂崩解.这一过程都是通过各级弱面的内水压力来完成,如图1所示

.

图1　水压致裂过程

Fig.1　Process of hydraulic fracturing

各级弱面在内水压力作用下的扩展和延伸,首先应满足注入水压力大于滤失水压力这一条件.其次,各级弱面在水压力作用下的扩展和延伸必须借助于弱面边缘端部封堵带的形成.压力水携带大小不均的颗粒向前移动过程中,相对大的颗粒在弱面四周先停滞下来,后面小的颗粒受其作用也逐步充填堆积下来形成封堵带.水压力逐渐增高,造成弱面空间高度的增加,导致封堵带的封堵作用减小,颗粒会再一次向四周移动,形成第二次封堵.循环下去便形成一级弱面的连续扩展延伸,如图2[12].

图2　弱面扩展过程

Fig.2　Propagation process of fissure

每一次封堵过程中都会导致在弱面充水空间壁面切线方向上产生拉应力.当该切向拉应力达到能使与其相连的次级弱面起裂的条件时,次级弱面将起裂,水便进入到次级弱面中,从而形成与上一级弱面同样的扩展延伸过程.如此下去,最终在煤层中形成原生弱面之间相互连通的贯通网络,表现出煤层在高压水作用下被压裂崩解.

2　煤层钻孔水压致裂的数值分析

岩石损伤破裂过程渗流2应力耦合分析系统(RFPA 2D 2Flow )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,故可以用连续介质力学方法处理物理非连续介质问题[13215].2.1　单钻孔水压致裂情形2.1.1　数值计算模型

由于煤层在整个钻孔和压裂过程中铅垂方向的位移受上覆中岩层的限制,相对于水平方向的位移变化较小,可忽略不计,因此,将模型视为平面应变模型.取边长为20m ×20m 的正方形区域,划分为400×400=160000个单元,模型的中部开挖一直径为200mm 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,如图3所示,σ1,σ2为煤层水平面内的两个地应力.注入水压作用于孔的内部边缘,水压力p

以0.1M Pa 的步长递增.初始水压p 0视各模型的初始边界条件而定

.

图3　计算模型Fig.3　Calculating model

模型中单元的力学参数:弹性模量E ,抗压强

度σc ,渗透系数K ,泊松比μ等,都是按照Weibell 分布进行随机赋值.m 是用来描述试样均匀性的参数,考虑到煤岩体的特殊结构,这里取m =3.表1列出了煤岩体的力学模型计算参数.

2

3