採用煤礦井下原位獲取製作的300mm3大尺寸砂岩試樣，在試樣內部垂直壓裂孔軸向預製橫向切槽，開展大型真三軸定向水力壓裂試驗，研究了層理方向與水平應力差對水力裂縫起裂壓力、擴展形態、泵壓-時間曲線的影響，並引入定向偏轉距概念。研究結果可為煤礦井下定向水力壓裂鑽孔間距、預製切槽位置等參數設計提供參考。
吳擁政1,2,3,楊建威1,2,3
作者單位
1.天地科技股份有限公司開採設計事業部；2.煤炭科學研究總院開採研究分院；3.煤炭資源高效開採與潔淨利用國家重點實驗室
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研究背景
水力壓裂技術在石油、煤炭等行業運用非常廣泛,其中,在煤礦井下主要應用在圍巖控制和低滲透煤層增透領域,解決了一系列工程難題。按壓裂前是否進行預製切槽分為常規壓裂和定向壓裂,其中,定向壓裂按切槽與鑽孔軸向方位又分為橫向(垂直鑽孔軸向)和縱向(沿鑽孔軸向)壓裂。
近些年,煤炭科學研究總院開採研究分院開發出小孔徑(直徑60mm左右)橫向切槽定向水力壓裂成套技術,以其施工速度快、成本低、安全性高等突出優點,在晉城、大同、神南、神東等礦區工作面堅硬頂板控制、衝擊地壓防治、動壓巷道卸壓中迅速推廣應用,其技術原理為:在注入高壓水前,通過專用切槽設備垂直壓裂鑽孔軸向預製橫向切槽,人為干預以控制裂縫擴展方向,破壞堅硬頂板的完整性,釋放或轉移部分高應力,從而達到卸壓的目的。其中,掌握裂縫起裂與擴展機制是決定卸壓成敗的關鍵,而真三軸水力壓裂物理試驗是揭示裂縫起裂與擴展規律的重要手段。
前人研究對象主要為頁岩、煤塊、煤巖組合體及混凝土試樣,壓裂方式有預製切槽和無切槽,研究的影響因素主要集中在射孔角度、水平應力差、層理、排量、黏度等方面。但是,以往研究多集中在油氣行業,預製切槽主要是縱向切槽(沿鑽孔軸向),且試樣主要來自於地面露頭岩層和預製混凝土,而堅硬頂板及動壓巷道壓裂層位多為砂岩,定向壓裂方式為橫向切槽,針對此種工況下原位獲取的頂板砂岩真三軸水力壓裂試驗較少。
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摘要
為揭示煤礦基本頂細砂岩定向水力壓裂裂縫起裂、擴展規律,在煤礦井下原位獲取並加工成300mm×300mm×300mm大尺寸細砂岩,在試樣正中佈置直徑26mm的壓裂孔,採用專用切槽鑽頭垂直鑽孔軸向預製長12mm的三維楔形橫槽,開展大型真三軸定向水力壓裂試驗與高能工業CT掃描,研究了原生層理方向與水平應力差大小對水力裂縫起裂壓力、擴展形態、水壓-時間曲線、壓裂體積的影響規律,並引入定向偏轉距概念(預製切槽處裂縫沿其方向定向擴展不發生偏轉的距離)來表徵定向壓裂效果。
試驗結果表明:
預製橫向切槽可驅使其附近裂縫沿着切槽定向起裂、擴展,裂縫形態分為單一橫切型和複雜“H”型;水壓-時間曲線根據裂紋擴展階段的不同,分為平緩式波動型和斷崖式跌落型。
水平應力差對切槽處的裂縫定向偏轉距影響程度大於層理方向。高水平應力差作用下切槽尖端應力集中程度更高,穿越層理面能力更強,裂縫從切槽尖端起裂後與層理交匯後不發生偏轉,切槽定向效果較好;而低水平應力差作用下裂縫擴展時遇到層理易發生轉向,切槽定向效果差。
高水平應力差作用下裂縫定向偏轉距為低水平應力差作用下的10倍,前者切槽可定向裂縫擴展至試樣邊界,後者切槽僅可控制其附近裂縫擴展方向,之後逐漸偏轉至與最大水平主應力方向平行。
層理平行切槽時,裂縫平均起裂壓力、壓裂體積是垂直切槽時的1.7倍;高水平應力差作用下裂縫平均起裂壓力、壓裂體積是低水平應力差作用下的1.3倍。層理效應在低水平應力差作用下明顯,當切槽與層理方向一致時,切槽附近層理最易被激活並沿切槽定向擴展,裂縫寬度與形態複雜多樣,反之,較難被激活,裂縫形態單一;而高水平應力差作用下不同方向的層理均能被激活,裂縫擴展充分,形成形態複雜多樣的縫網。
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文中圖片
切槽鑽頭
橫向楔形切槽形態
砂岩應力-應變曲線
大型真三軸水力壓裂試驗系統框架
試驗方案示意
加載應力與承載面對應關係示意
試樣表面裂縫形態
試樣內部裂縫形態
試樣裂縫定向偏轉距散點圖
試樣水壓/累計注入量-時間曲線
試樣壓裂體積散點圖
試樣裂縫起裂壓力散點圖
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作者簡介
吳擁政，男，1978年5月19日生，河南修武人，研究員，博士，碩士生導師，中國煤炭科工集團首席科學家，天地科技股份有限公司巷道所所長。獲國家和省部級科技獎勵30餘項，發表學術論文70餘篇，授權發明專利20餘件。入選國家百千萬人才工程，被授予“國家有突出貢獻中青年專家”，獲“孫越崎青年科技獎”、“全國煤炭青年五四獎章”等稱號。
研究方向
煤礦巷道礦壓理論與支護技術
主要成果
致力於煤礦巷道礦壓理論與支護技術的研究，取得多項創新性成果。發明了煤礦井下地質力學原位快速測試方法及裝備；開發出煤礦巷道錨杆支護成套技術，開發並精細化研究了煤礦高預應力錨杆支護系列材料、配套構件及施工機具；提出煤柱留巷巷道定向水力壓裂卸壓機理，開發了小孔徑定向水力壓裂堅硬頂板控制成套技術與裝備；提出衝擊地壓巷道錨杆支護原則，建立了衝擊地壓巷道圍巖控制技術體系。
來源：
吳擁政,楊建威.煤礦砂岩橫向切槽真三軸定向水力壓裂試驗[J].煤炭學報,2020,45(3):927-935.
WUYongzheng,YANGJianwei.Truetri-axialdirectionalhydraulicfracturingtestonsandstonewithtransversegroovesincoalmine[J].JournalofChinaCoalSociety,2020,45(3):927-935.