单孔预置缝槽控制压裂裂缝扩展规律模拟研究

槽长度、不同缝槽与地应力分量夹角条件下水压裂缝的扩展规律。研究表明：预置缝槽钻孔能够 有效降低钻孔附近煤层水力压裂的破裂压力和裂缝稳定扩展压力并增大裂缝扩展范围，裂缝范

围最大可提高至常规钻孔的2倍。关键词:定向控制；预置缝槽;水力压裂;裂缝扩展;转向；破裂压力中图分类号:TD713 文献标志码:A 文章编号：1003-496X （2019） 12-0158-05Simulation Study on Crack Propagation Law of Single Hole Pre-fitting Slot Controlling FracturingXUE Weichao1-2-3, LI Yanzeng1'2(1. China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Shenyang 110016, China;2.State Key Laboratory of

Cool Mine Safety Technology, Fushun 113122, China;3.Shool of Mines, China University of Mining and Technology,

Xuzhou 22100& China)Abstract： Taking Songzao Mining Area as an example, RFPA software was used to simulate and analyze the propagation laws of hydraulic cracks under different conditions of different slot lengths and angles between different slots and ground stress component in the coal seams. The research shows that the pre -fitting slot can effectively reduce the cracking pressure and the fracture

stability expansion pressure of the coal seam hydraulic fracturing near the borehole. Besides, it can also increase the crack extension range, even 2 times of the conventional drilling hydraulic fracturing.Key words： orientation control; pre-fitting slot; hydraulic fracturing; crack propagation; turning; cracking pressure水力压裂（致裂）用于煤矿井下煤层增透、消 突、卸压、抽采瓦斯、控制坚硬顶板和提高顶煤的冒 放性等方面IT广泛的应用。但该技术在应用过程中 容易形成局部应力集中和增透、卸压盲区，甚至诱

力压裂增透加强瓦斯抽采。利用RFPA模拟单孔预

置缝槽控制压裂的裂缝扩展规律，证明了松藻矿区 预置缝槽控制压裂增透的有效性，为定向控制水力

压裂应用提供指导。导煤与瓦斯突出，定向控制压裂是解决这一问题的

方法叫目前主要控制方法有预置缝槽（水力割缝、

1矿区工程地质概况松藻矿区面积约136.06 kn?,规划可采储量6.7 亿t。矿区煤层厚度在0.5~4 m之间，多属于薄及中

开楔形槽）、钻孔孔、定向卸压孔等》刃。水力射 孔控制效果有限，定向卸压孔需要施工大量的钻

孔，增大了经济成本和时间成本；预置缝槽在钻孔

厚煤层。同华矿£煤层厚度在0.5-1.65 m之间，煤

内实施，操作方便，应用前景大㈣。但预置缝槽对裂 缝长度和裂缝方向的控制规律尚不清楚，需要进一

层倾角30°~48°,平均39。，最大原始瓦斯含量为

17.56 n?/t,瓦斯压力1.56 MPa,煤层瓦斯含量大，煤 层为突出煤层。煤层渗透率0.01x10\" n?以下问，渗 透率极低。步研究。煤矿井下裂缝监测困难，声发射等常规手 法在井下高噪和原生缝隙干扰条件下难以实现。数

值模拟是研究水力压裂的良好手段2叫松藻矿区 是典型的低渗低透、瓦斯矿含量大的矿区,亟需水

基金项目：“十三五”国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045004-001）K,煤层埋深约500 m左右，煤体抗压强度约为

4 MPa,K,煤层赋存及应力分布如图lo井下实测三

向地应力数据mi为5=23.7 MPa,6=9.9 MPa,6=4.5 MPao将其在煤层平面方向上分解，得到s=

•158-第50卷第12期2019年12月Safety in Coal MinesVol.50 No. 12Dec. 201920.55 MPa,6=11.1 MPa,其中方向为煤层走向方*向,y方向为煤层倾向方向。

模拟量表1数值模拟参数参数值4模拟量参数值强度/MPa弹性模量/GPa0/39.0。

曙 129.1° 0,=86.8°0,：=94.6。泊松比强度均值度25.5

弹性模量均值度2100100360.320.000 013泊松比均值度自重均值度内摩擦角/(。)自重/(N・mm-3)水平面0,=87.8° 可=3.4。03=51.1° 咗=3&9。0：=8&4。拉压比101.51.56最大拉应变系数最大压应变系数残余强度/%200瓦斯压力/MPa0.1渗透系数/(m)*孔隙压力/MPa初始钻孔压力/MPa0」孔隙水压系数耦合系数钻孑L水压增量/(MPa • step-1)0.120.10.50.325.0图1 «煤层赋存及应力分布图注:为6与＜7*的夹角，下同。3预置缝槽压裂模拟方案预置缝槽参数主要包括预置缝槽长度和预置缝 槽角度。为了研究定向预置缝槽钻孔压裂的裂缝扩

2模拟软件简介及参数设定RFPA20假设岩石材料介质中的流体遵循Biot 渗流理论,采用最大拉伸强度准则和Mohr-Coulomb 准则作为损伤阀值对单元进行损伤判断，赋予细观

展行为及其对煤岩体应力环境的改变和影响，依次 模拟预置缝槽的长度L及预置缝槽与地应力分量

单元体强度的不均匀性，能对岩石破坏裂纹的萌 生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦 合机制等基本渗流特性进行模拟，开展渗流场、孔

6的夹角0的变化，观察不同条件下的水压裂缝的 扩展行为，数值模拟方案如图3O隙压力场时空分析呵。结合重庆松藻矿区现场条件，取垂直于钻孔的

1个剖面，抽象的物理模型示意图如图2。利用 RFPA软件建立了 300x200单元的二维平面应变数 值模型，数值模拟参数见表1。(a)方案1(cl)方案4(e )方案5图3数值模拟方案

4模拟结果与分析

4.1典型的常规钻孔压裂为了更清楚地看出预置缝槽控制压裂的效果，

进行常规的钻孔压裂模拟作为空白对照实验，常规

(a)单个钻孔斥裂单孔水力压裂过程中的水力等值线图、声发射、渗流

如图4O模拟中的水力等值线图的明暗变化的圆圈表示 水力梯度，光圈越亮，表示水压力越大。声发射图像 黑色圆圈代表累计声发射，白色圆圈代表当前步声

发射，圆圈的大小表示声发射的能量大小。初始水压力为5 MPa,每步增加0.5 MPa;水力 等值线图在钻孔中心呈圆环状，在周边孔附近向中

(b)定向预置缝槽钻孔压裂心凹陷，钻孔水并没有渗透过周边钻孔的范围。随

图2抽象的物理模型示意图着钻孔水压力不断增大，第40-1步时，在钻孔左右•159-第50卷第12期2019年12月Safety in Coal MinesVol.50 No. 12Dec. 2019?.15x 10-5MPal・ !15.00J压力继续增大至25 MPa时，水压致裂模拟进入长

6.50 x IO-1 MPa时分布计算，水压裂缝不断扩展而钻孔水压力不再 增大,说明水力致裂进入到稳定扩展阶段，水压裂缝 稳定扩展压力为25.0 MPao随着水压裂缝的扩展，

(a ) Step 1-1 时的水力等值线图.6.14J•25.00(b) Step41-9 时的水力等值线图0 m/d对应在破裂煤体周围的声发射信号和渗透特性也发 生相应的改变：煤体发生张拉破坏释放大量的声发

射信号，渗透性增大。4.2预置缝槽长度对压裂的控制模拟1.73 x IO3(c ) Step 1-1 时 的声发射图(d) Slep41-9 时的渗流图在单孔压裂的基础上，沿着x方向，在钻孔两侧

预置缝槽，按照模拟方案模拟单侧缝槽长度厶=0.2、

图4常规单孔水力致裂过程中的水力等值线、声发射、渗流图0.3.0.4.0.5 m条件下的水力压裂，模型参数与对照

实验完全一致，单孔预置缝槽控制致裂裂缝扩展随 缝槽长度变化图如图5。两侧尖端裂缝萌生，孔壁破裂压力为24.5 MPa;水

当预置缝槽长度L=0.2 m时，压裂开始时水压10 m/(i .Jll.56x 1(T (a )厶=0.2 m时水力等值线图

Step38-9:(b ) A=0.2 m时声发射图Slep38-9(e ) 7/=0.2 m时渗流图Step38-90 m/d3.49 x 103(f) L=0.3m时渗流图Step34-15I 2.40 x 10-* MPa I111.58 J121.0 §(g ) £=0.4 m时水力等值线图Step33-1611.19 x 10-2 j(h ) />=0.4 m时声发射图Step33-16(j) L=0.5 m时水力等值线图Slep32-22(k ) A=0.5 m时声发射图Step32-22图5单孔预置缝槽控制致裂裂缝扩展随缝檀长度变化图力迅速充满钻孔，在钻孔壁周围产生环向压应力； 受地应力的影响，由于预置缝槽的楔形几何形状, 在预置缝槽两侧及垂直于应力分量＜7,的方向上的 半圆孔壁上首先产生压应力积聚。随后，在渗透水 压力梯度的作用和传导下，岩石骨架发生变形至新

裂缝稳定扩展阶段，对应的裂缝稳定扩展压力为23.5 MPa。当预置缝槽长度£=0.3 m时，水力压裂进行到 第29-6步时，出现在左边的预置缝槽左下角出现 尖端裂缝萌生，对应的水压力为19 MPa;第30-13

的稳定并向远方传递，对应的压应力区域不断扩 大，直至稳定进入第2步计算。模拟进入35-3步

开始，在声发射图中的模型中，垂直于应力分量空 的张拉区域不断扩大，说明在宏观层面上该区域的

时，右侧预置缝槽的右上角初见尖端裂缝，其萌生 压力为22 MPa;模拟进入38-9步时，水力压裂进入

煤岩体受张拉破坏，渗透率逐渐增大；第34-15步 时，水压裂缝充分扩展，水压裂缝基本扩展到边界，• 160*第50卷第12期2019年12月Safety in Coal MinesVol.50 No. 12Dec. 2019对应的水压力为21.5 MPa。当预置缝槽长度£-0.4 m时，模拟进行到第

30-2步时，在预置缝槽的前端右下角处开始有尖端

裂缝萌生，对应的水压力为19.5 MPa;当模拟运行

到第33-16步时，水压裂缝稳定充分的扩展，对应 的裂缝稳定扩展压力为21 MPa。当预置缝槽长度厶=0.5 m时，第28-1步，在左 侧预置缝槽的左下尖端有尖端裂缝萌生,裂缝萌生压

力为18.5 MPa;水压裂缝稳定扩展压力为20.5 MPa。从渗透率变化图可以清楚的看出煤岩体渗透率 随着水压主裂缝的扩展、延伸而在裂缝附近出现渗 透率不断增大。所建立的模型大小是一致的，在绘图软件中统

计压裂的单元格在总单元格中的占比，用于表征压 裂范围的大小，压裂范围计算示意图如图6O(c ) /=0.2 m , Step=l-1 Step=41 -9Step=38-9(d)L=0.3m, ( e) £=0.3 m, ( f) A=0.5 m,Step=34-15 Step=33-16 Step=32-22图6压裂范围计算示意图针对以上预置缝槽对煤层水力压裂的影响和控 制情况，得出不同缝槽长度条件下的预置缝槽钻孔

煤层压裂的尖端裂缝萌生压力和水压裂缝稳定扩展 压力，汇总压裂范围占比，预置缝槽长度对煤层压

裂参数影响见表2。表2预置缝槽长度对煤层压裂参数影响尖端裂缝水压裂缝稳定 压裂钻孔萌生压力扩展压力范围类型长度L/m模拟步/压力/模拟步/压力/单元格

stepMPastepMPa占比/%常规040-124.541-925.07.870.235-322.038-923.58.80预置0.3

30-419.534-1721.58.96缝槽0.430219.033-621.014.550.5

28-11&532-2220.516.42利用Office软件处理数据，得到相应的散点图,

钻孔压裂的尖端裂缝萌生压力和水压裂缝稳定扩展 压力随预置缝槽长度变化规律如图7。常规钻孔水 压裂缝出现尖端裂缝萌生时的压力为24.5 MPa,预

置缝槽钻孔压裂的水压裂缝出现尖端裂缝萌生压力

最小为18.5 MPa,最大为22.0 MPa,最大且降幅达 到24.4%。常规钻孔水压裂缝稳定扩展的压力为25

MPa,预置缝槽钻孔压裂的水压裂缝稳定扩展压力 最小为20.5 MPa,最大为23.5 MPa,最大且降幅达 到18%o从表3可以看出，随着预置缝槽长度的增

大，压裂范围有显著的增大，模拟条件下最大可提 高至常规钻孔的2倍。当预置缝槽长度厶W0.3m

时，对压裂范围的增大效果有限；当预置缝槽长度

ZM0.4 m时,会对压裂范围有一个明显的提升。但

是单个预置缝槽压裂范围有其极限，当预置缝槽长

度£>0.5 m时，压裂范围增大率降低。-♦-尖端裂变萌生压力 —裂缝稳定扩展压力 -1

18 W125

亠压裂范围占比d 6 -1

4 rXI2-R20 出15

710

¼

1 -0

0

10 ---------1-_ 0.1 0.2-------- 0.3'--------- 0.4a

预置缝槽长度\"m图7钻孔压裂的尖端裂缝萌生压力和水压裂缝稳定扩展

压力随预置缝槽长度变化规律预置缝槽钻孔压裂会明显降低煤层水力压裂的

破裂压力，且预置缝槽的半径越长，相应的尖端裂纹 萌生压力(即破裂压力)降低越大。但是存在极限的

最低破裂压力，即当预置缝槽足够长后,破裂压力基 本不再降低，这与煤岩体本身的物理力学性质有关。

松藻矿区预置缝槽影响下的最低极限破裂压力为

18 MPa,且符合如下规律：pp=0.428 6厶2-4.071 432&2 吊=0.991

(1)水压裂缝稳定扩展压力表征裂缝在在渗透作用

下作用与煤层并使之破坏压裂，最终形成宏观裂纹

的条件压力。预置缝槽的长度越大，水力压裂所需

的裂缝稳定扩展压力越小。但是存在极限的最低裂 缝稳定扩展压力，这与煤岩体本身的物理力学性质

有关。松藻矿区预置缝槽影响下的最低裂缝极限稳 定扩展压力为20 MPa,且：p”=0.25厶2_2.65厶+27.5 虧=0.986 (2)• 161 •第50卷第12期2019年12月Safety in Coal MinesVol.50 No. 12Dec. 2019水力压裂时煤矿井下的高压操作工艺，水压裂 缝的破裂压力和水压裂缝稳定扩展压力的降低低，

可以降低压裂工艺对压裂设备的耐压要求，提高设 备的应用范围并降低长时间工作的高压管路损耗， 同时提高压裂效率。4.3预置缝槽夹角对压裂的控制模拟在单孔压裂的基础上，沿着\"方向，在钻孔两侧

预置缝槽，按照模拟方案模拟预置缝槽与地应力分

量6的夹角。在0。、30。、60。、90。条件下的水力致

裂情况，压裂的模型参数与对照实验完全一致，单 孔定向预置缝槽控制致裂裂缝扩展随缝槽夹角变化

如图80Waterisoline33-12(a) \"0°(b) \"30°kWaterisoline33-60Waterisoline33—48(c)归60。(d) \"90。图8单孔定向预置缝槽控制致裂裂缝扩展随缝槽夹角

变化图从图8可以看出，水压裂缝从预置缝槽的尖端

开始起裂，在预置缝槽方向短暂延伸之后，脱离预

置缝槽的控制范围，逐渐转向应力分量6方向。预 置缝槽控制压裂不能改变大范围内水压主裂缝的整

体扩展，但是可以在局部范围内控制裂缝的起裂位 置，从而实现对压裂空白带水压裂缝的引导控制。 同时，预置缝槽夹角的改变，对水压裂缝稳定扩展

压力基本没有影响，不同预置缝槽夹角对煤层水力 压裂裂缝影响见表3O表3不同预置缝槽夹角对煤层水力压裂裂缝影响裂缝起裂偏向裂缝稳定扩展0/(°)偏偏(ry压力/MPa0721.030V21.060721.090V21.5• 162*5结论1) 预置缝槽钻孔压裂会明显降低煤层水力压 裂的破裂压力，且预置缝槽的半径越长，相应的破裂

压力降低越大，但存在最低的极限破裂压力,松藻矿

区预置缝槽影响下的最低极限破裂压力为18 MPao2) 预置缝槽的长度越大，水力压裂所需的裂缝 稳定扩展压力越小，但存在极限的最低裂缝稳定扩

展压力，松藻矿区预置缝槽影响下的最低裂缝极限 稳定扩展压力为20 MPa。3) 随着预置缝槽长度的增大，压裂范围有显著

的增大，最大可提高至常规钻孔的2倍。4) 水压裂缝的起裂的最终偏向总是偏向①方向，

预置缝槽可以在局部范围内控制裂缝的起裂位置，

从而实现对压裂空白带水压裂缝的控制，实现增 透、消突、防冲等工程目的。参考文献：[1] 黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制 理论与成套技术[J].岩石力学与工程学报,2017,36

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