Research on the law and mechanism of hydraulic fracturing in steeply inclined coal seam
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摘要:
为了掌握急倾斜煤层水力压裂造缝规律及作用机理，为现场煤层水力压裂工艺提供技术指导，采用实验室实验的研究方法，以乌东煤矿作为研究对象，以三向应力、煤层层理为实验变量进行了实验室真三轴实验。研究结果表明：水力压裂效果主要取决于克服滤失效应的憋压过程；当层理与最大主应力方向垂直时，随着三向应力的增大，滤失效应减弱，有利于水力压裂；当层理与最大主应力方向平行时，随着三向应力的增大，滤失效应增强，不利于水力压裂。研究结果为急倾斜煤层水力压裂工艺提供了借鉴，完善了矿井水力压裂领域的研究内容。
Abstract:In order to master the law of fracture making and the action mechanism of hydraulic fracturing in steeply inclined coal seams and provide technical guidance for on-site coal seam hydraulic fracturing technology, using laboratory experiment research methods, the laboratory true triaxial experiment was carried out with Wudong Coal Mine as the research object and three-dimensional stress and bedding of coal seam as the experimental variables. The results show that the effect of hydraulic fracturing mainly depends on the process of pressure holding to overcome the filtration effect. When the bedding is perpendicular to the direction of the maximum principal stress, the filtration effect decreases with the increase of three-dimensional stress, which is conducive to hydraulic fracturing. When the bedding is parallel to the direction of the maximum principal stress, the filtration effect increases with the increase of three-dimensional stress, which is not conducive to hydraulic fracturing. The research results provide a reference for the hydraulic fracturing technology of steeply inclined coal seam and improve the research content in the field of mine hydraulic fracturing.
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急倾斜煤层具有特殊的地质构造，相比于缓倾斜煤层或水平煤层[1-3]，其特殊的水平分段开采方式导致了煤层采放比增大，致使急倾斜煤层的地应力与缓倾斜、水平煤层的地应力存在显著的不同[4-5]，如图 1所示。这种特殊的应力分布规律对于水力压裂造缝具有重要的影响。
水力压裂技术[6-9]首先是在石油领域为了增产油气而采用的技术措施，后被引入到煤矿行业用于提高煤层卸压，同时增加煤层裂隙数量、煤层气产量[10-12]。对于水力压裂技术而言，一般认为，应力和应变[13-14]是影响水力压裂造缝的主要因素，而煤层是层状结构，从宏观上看其力学物理性质具有各向异性，在平行于层理的各个方向上力学物理性质较为相近[15-18]，可近似地认为相同，而在岩层层理面[19-21]的任一方向与垂直层理方向上的力学物理性质差异较大。因此水力压裂造缝的影响因素除了应力和应变大小外，还有煤层的层理结构和注水压力等。
为了探明急倾斜煤层水力压裂造缝规律及其作用机理，笔者结合急倾斜煤层应力分布规律分别设置三向应力的大小和煤层的层理方向2个变量，研究急倾斜煤层水力压裂造缝规律，并通过理论分析得出急倾斜煤层水力压裂造缝机理。
1. 急倾斜煤层水力压裂实验
1.1 矿井概况
乌东煤矿煤层工作面采用单一走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤采煤工艺，工作面沿煤层走向推进，沿煤层底板回采，机采高度3.2 m，放煤高度22.8 m，采放比1∶7，且回采煤层上部有大面积采空区，放煤步距1.6 m，采煤机截深0.8 m，采用全部垮落法管理顶板。
1.2 实验用煤样制作
将乌东煤矿顶煤取出的大煤块, 利用切割机等设备切割成100 mm×100 mm×100 mm的标准试样。分别沿煤层层理和垂直层理方向在试样正中央打ø10 mm×60 mm的钻孔，然后用ø12 mm的钻头在ø10钻孔的基础上进行扩展，扩展孔深40 mm，留作预埋管所用。预埋管选用外径12 mm，内径10 mm，高40 mm的不锈钢管。预埋管的外壁涂硅橡胶后旋转插入钻孔中。为了防止液体从注水管与预埋管的缝隙中流出，将注水管上的“O”形圈与预埋管紧密贴合，以减小实验带来的误差。制作后的煤样用作研究三向应力、煤层层理方向对水力压裂造缝的影响规律。
1.3 实验仪器
真三轴压裂设备能够实现在横向、竖向及垂直方向3个方向的单独应力加载。注水管路只能沿Z方向从上而下注水，因此可以通过改变煤样的放置方向来改变注水方向与煤样层理之间的关系，如图 2所示。该设备还可以通过设置参数，实现以恒压或恒距离加载方式将三轴应力加载至指定参数。操作全程都由设备自操作，因此试验误差较小，得到的数据精准可靠。
1.4 实验方案及其参数设定
分别设置煤层层理垂直和平行最大主应力方向的A、B 2组实验，每组实验选用3个煤样按0.1 MPa/s的注水速率增加三向应力至实验值，三向应力设置如表 1所示。
表 1 三向应力参数实验编号 层理与最大主应力方向 σX/MPa σZ/MPa σY/MPa 注水压力/MPa A1 垂直 16 18 6 0.1 A2 18 18 6 0.1 A3 20 18 6 0.1 B1 平行 16 18 6 0.1 B2 18 18 6 0.1 B3 20 18 6 0.1 2. 急倾斜煤层水力压裂造缝实验规律分析
2.1 三向应力对水力压裂造缝的影响规律
实验得出，在煤样层理与最大主应力方向垂直条件下且X方向最大主应力分别为16、18、20 MPa时的注水压力、压力泵上升高度结果曲线，如图 3所示。
由图 3(a)和图 3(c)可见，在A1、A3实验条件下，由于最大主应力方向单一，因此有明显的起裂时间点，且数据结果显示，煤样起裂压力分别为15.045 01、16.755 58 MPa。通过对比2个图中的数据可知，随着煤样三向应力的增大，煤样起裂压力呈现增大的趋势。
在A2实验条件下，由于在X和Z方向上的应力相等，都是最大主应力，因此煤样起裂方向并不是沿单一的最大主应力方向起裂，而是沿2个最大主应力所在的平面起裂。因此没有明显的起裂时间点，而是一个过程，从开始起裂压力为12.720 42 MPa，到起裂结束的18.836 94 MPa。
实验得出，在煤样层理与最大主应力方向平行条件下且X方向为16、18、20 MPa时注水压力、压力泵上升高度结果曲线，如图 4所示。
由图 4(a)和图 4(b)可以看出，由于最大主应力相同，煤样的起裂时间点和煤样起裂结束时间点基本相同。且相比于垂直最大主应力方向的结果，滤失作用可能导致起裂时间点不明显。
图 4(c)中的最大主应力为20 MPa，在压裂泵中的液体还没有完全注入时，煤样已经被完全压裂。对比图 4(a)~(c)可以看出，在煤样层理与最大主应力方向平行，垂直于最小主应力的条件下，随着最大主应力的增大，煤样的起裂压力变小。
2.2 煤层层理方向对水力压裂造缝的影响规律
为了方便对比煤层层理方向对水力压裂造缝的影响规律, 将2种煤层层理方向得到的数据利用Origin软件进行图像绘制，其中没有明显起裂时间点的用开始起裂和起裂结束时的起裂压力平均值代替，编号按照表 1所示进行标记，得到不同层理方向煤样起裂压力图，如图 5所示。
从图 5可以看出，当煤样层理平行于注水方向、垂直于最大主应力时，随着最大主应力的增大，煤样起裂压力增大；当煤样层理垂直于注水方向、平行于最大主应力时，随着最大主应力的增大，煤样起裂压力减小。且从整体可以看出，煤样层理平行于注水方向、垂直于最大主应力的煤样起裂压力普遍大于煤样层理垂直于注水方向、平行于最大主应力时的起裂压力。
3. 急倾斜煤层水力压裂造缝的作用机理
为了进一步研究三向应力、层理方向对水力压裂造缝的影响规律，掌握其作用机理, 将实验前后煤样进行对比，如图 6和7所示。
从图 6可以看出，在A1实验条件下，实验后煤样并没有被完全压裂，只能在煤样表面发现几个细小的裂缝；在A2实验条件下，实验后煤样也没有被完全压裂，但裂缝长度较长；在A3实验条件下，实验后煤样表面发现贯通整个表面的裂缝。由此可以断定，煤层层理与最大主应力垂直，当注水压力一定时，随着三向应力的增大，煤样原有孔裂隙被压缩，滤失作用降低，煤层内部更容易形成憋压空间，进而促进了煤层水力压裂进程。
从图 7可以看出，在B1实验条件下，实验后煤样表面出现明显的裂隙，且裂隙贯通整个断面；在B2实验条件下裂缝变短，注入的水从产生的裂隙中流出；在B3实验条件下，实验后煤样顺着原有层理方向裂隙扩大。由此可以分析得出，在煤样层理与最大主应力平行的条件下，随着三向应力的增大，原有裂隙得到扩展，增大了注水的滤失效应，因此不利于形成憋压空间，最终导致注水压力较低。
4. 结论
主要研究了三向应力、煤层层理对煤层水力压裂的影响和作用机理。试验结果可以为现场顶煤水力压裂造缝提供基础数据指导，为预测本煤层及顶煤水力压裂产生的裂缝扩展规律提供借鉴，为定向水力压裂现场实施方案的设计提供帮助。主要得出以下结论：
1) 在0.1 MPa/s注水速率条件下，煤层水力压裂效果主要依靠憋压过程，当压力达到起裂压力时，煤样开始起裂。且煤样起裂方向都是沿着平行于最大主应力，垂直于最小主应力的方向。
2) 当煤层层理方向与最大主应力方向垂直时，随着三向应力的增大，起裂压力增大；当煤层层理方向与最大主应力方向平行时，随着三向应力的增大，起裂压力减小。
3) 当煤层层理方向与最大主应力方向垂直时，三向应力能够减小煤样滤失效应，有利于煤层水力压裂；当煤层层理方向与最大主应力方向平行时，三向应力能够增大煤样滤失效应，不利于憋压过程，阻碍了煤层水力压裂。
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表 1 三向应力参数
实验编号 层理与最大主应力方向 σX/MPa σZ/MPa σY/MPa 注水压力/MPa A1 垂直 16 18 6 0.1 A2 18 18 6 0.1 A3 20 18 6 0.1 B1 平行 16 18 6 0.1 B2 18 18 6 0.1 B3 20 18 6 0.1 
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1. 郑凯歌. 坚硬顶板分段压裂裂缝扩展控制因素物理试验研究. 矿业安全与环保. 2024(06): 96-105 . 
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