煤层水压致裂理论及应用研究

煤层气开采既可减少或消除瓦斯灾害隐患,又可为人类提供优质洁净能源,因而成为国内外学者广泛关注的热点研究课题之一。我国大部分煤田煤层的渗透性差,因而发展和开发此类条件下煤层气开采技术,对于提高煤层气的开采效率,增加能源供给具有重要意义。水压致裂法已在石油开采中得到成功应用,但在煤层气开采中的应用研究尚属起步阶段,还存在很多问题需要深入研究。本文综合利用现代力学理论、相似模拟试验和数值分析手段对煤层水压致裂机理进行了系统研究,得到了以下主要创新性成果: (1)利用MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统及自行设计的破碎岩体渗透仪分别对原煤煤样、含贯穿裂缝煤样和破碎煤样进行了渗透性测试,得到了煤样的渗透系数随渗透压差、轴向载荷的变化规律,为煤层气水压致裂技术参数的确定提供参考。 (2)在深入分析煤层气井围岩受力特征及煤岩体材料特征的基础上,将煤岩体的孔隙率作为损伤参量,结合Gurson损伤模型,给出了煤岩体损伤本构方程,针对煤岩体一维裂缝的扩展过程得到了裂缝扩展长度估算公式。 (3)基于Palmer拟三维裂缝扩展模型,给出了煤层裂缝中流体的流动方程、连续性方程、裂缝的宽度方程,并建立了考虑流体垂向流动、材料损伤特征的裂缝高度方程及求解方法。 (4)采用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA2D-Flow,分析了煤层地应力状况、注水压力对裂缝起裂及扩展规律的影响,得到了当水平方向的两个地应力不同时,数值较大的水平地应力方向为裂缝扩展的优势方向,为制定合理的煤层气井布置方案提供理论依据。 (5)设计了煤岩体水压致裂的物理模拟试验,对原煤和型煤两种试样进行了水压致裂试验,初步得到:煤样裂缝扩展沿数值较大的压应力方向进行;裂缝的扩展长度随注水压力的增大而增加;裂缝起裂压力随注水泵排量的增大而增大。 研究成果在晋城地区煤层气开发实践中得到成功应用,并取得了较好的社会和经济效益。