孫澤良，黃炳香，張佳興，陳必武，張 統(tǒng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中石油華北油田分公司煤層氣勘探開發(fā)事業(yè)部，山西 長治 046000；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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應(yīng)力環(huán)境對層面區(qū)域水壓裂縫擴(kuò)展的影響

孫澤良1，2，黃炳香3，4，張佳興3，4，陳必武2，張 統(tǒng)3，4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中石油華北油田分公司煤層氣勘探開發(fā)事業(yè)部，山西 長治 046000；3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

無論是傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣資源開采，還是新興的非常規(guī)天然氣開采，控制水壓裂縫盡量在指定的資源儲層中橫向延伸、限制儲層外垂向水壓裂縫的數(shù)目和擴(kuò)展長度是提高水壓致裂效率和保護(hù)地層環(huán)境的有效途徑。層面所處的應(yīng)力環(huán)境是影響水壓裂縫擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。采用RFPA2D-Flow ，對不同應(yīng)力環(huán)境下，水壓裂縫初至層面的擴(kuò)展行為、沿層面水壓裂縫最大開裂長度和水壓裂縫的破壞形態(tài)進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明：①應(yīng)力環(huán)境對水壓裂縫初至層面時(shí)的擴(kuò)展行為沒有影響；②沿層面水壓裂縫擴(kuò)展的最大長度隨主應(yīng)力比的增加呈雙曲線降低；③雙向等壓時(shí)，水壓致裂沿層面方向的影響范圍最大；④隨著主應(yīng)力比的增加，層面對水壓裂縫擴(kuò)展的影響逐漸減小，應(yīng)力的作用逐漸增加，水壓裂縫沿垂直于最小主應(yīng)力方向穿層面擴(kuò)展。

水壓致裂；層面；應(yīng)力；水壓裂縫；數(shù)值模擬

無論是傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣資源開采，還是新興的非常規(guī)天然氣開采，控制水壓裂縫盡量在指定的資源儲層中橫向延伸、限制儲層外垂向水壓裂縫的數(shù)目和擴(kuò)展長度是提高水壓致裂效率和保護(hù)地層環(huán)境的有效途徑。層面對水壓致裂的影響主要體現(xiàn)在水壓裂縫初至層面時(shí)的擴(kuò)展走向、沿層面擴(kuò)展的長度以及水壓裂縫的擴(kuò)展形態(tài)。

研究表明，層面所處的應(yīng)力環(huán)境及應(yīng)力分布是影響水壓裂縫擴(kuò)展行為及擴(kuò)展范圍的關(guān)鍵因素[1-5]。然而大多數(shù)情況下，在構(gòu)造及構(gòu)造應(yīng)力的影響下，不同地段巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜多變[6]，不同巖層、層面所處的應(yīng)力環(huán)境不同。

目前，國內(nèi)外有關(guān)應(yīng)力環(huán)境影響水壓裂縫初遇層面的擴(kuò)展規(guī)律的研究尚少[7-13]，現(xiàn)場施工具有較大的盲目性。因此，迫切需要對該問題進(jìn)行研究，掌握水壓裂縫初遇層面的擴(kuò)展規(guī)律，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化水壓致裂作業(yè)參數(shù)提供可靠的依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方案

1.1 模擬軟件

RFPA軟件是一個能夠模擬材料漸進(jìn)破壞的數(shù)值試驗(yàn)工具[14]。其計(jì)算方法基于有限元理論和統(tǒng)計(jì)損傷理論，該方法考慮了材料性質(zhì)的非均性、缺陷分布的隨機(jī)性。RFPA系統(tǒng)中，通過應(yīng)力求解器完成各個基元的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算后，程序便轉(zhuǎn)入相變分析。相變分析是根據(jù)相變準(zhǔn)則來檢查各個基元是否有相變，并依據(jù)相變的類型對相變基元采用剛度特性弱化(如裂縫或分離)或剛度重建(如壓密或接觸)的辦法進(jìn)行處理。最后形成新的、用于迭代計(jì)算的整體介質(zhì)各基元的物理力學(xué)參數(shù)?？梢酝ㄟ^專門作圖工具考慮模擬材料的微觀缺陷，也可以考慮節(jié)理、裂隙等宏觀缺陷。RFPA2D軟件系統(tǒng)具有流-固耦合(如：水力壓裂、底板突水、巖石滲流)、氣-固耦合(煤與瓦斯突出)、溫度應(yīng)力場耦合問題的模擬分析功能[15-16]。

1.2 計(jì)算模型

為重點(diǎn)研究水壓裂縫在不同應(yīng)力環(huán)境下初遇層面的擴(kuò)展規(guī)律，盡量減小其他因素的影響，根據(jù)實(shí)際情況對實(shí)際問題進(jìn)行如下簡化和假設(shè)：①忽略巖層的天然裂縫，將巖層和層面都看作均勻、完好的介質(zhì)；②不考慮層面各段的差異性，認(rèn)為層面的厚度均勻，各處的力學(xué)特性相同；③假設(shè)水壓裂縫初始擴(kuò)展方向與原有煤巖層面垂直；④在水壓裂縫所處的局部地區(qū)，巖層1與巖層2及它們之間的層面所處的整體應(yīng)力環(huán)境相同；⑤每次采用相同的注水加壓方式——逐步增壓；⑥不考慮壓裂液在裂縫高度方向的流動和壓力損失。

根據(jù)以上假設(shè)，結(jié)合實(shí)際情況，常規(guī)水壓致裂試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槊簬r立方體試件，試件截面尺寸為300mm×300mm，針對塊體截面設(shè)立二維數(shù)值模型，見圖1。

層面距離鉆孔中心的距離為82.5mm。采用平面應(yīng)變方法，將模型分成200×200個單元，鉆孔直徑12mm，試驗(yàn)過程中采用分步增加鉆孔水壓力的方法模擬水力致裂過程。煤巖層埋深240m，豎直應(yīng)力σ1設(shè)為6MPa。滲流邊界設(shè)置壓力為0，強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，模擬中的固液耦合采用冪函數(shù)耦合方程，流固耦合本構(gòu)方程見式(1)。

(1)

1.3 模擬方案

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 數(shù)值模擬方案

應(yīng)力σ1/MPaσ3/MPa主應(yīng)力比λ方案一651.2方案二641.5方案三632.0方案四623.0方案五616.0

2 模擬結(jié)果及分析

在鉆孔水壓力的作用下，水壓裂縫以鉆孔為中心，沿垂直于最小主應(yīng)力的方向(圖2中為σ1方向)向兩邊擴(kuò)展，印證了主水壓裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。

表2 模擬參數(shù)

2.1 水壓裂縫初至層面擴(kuò)展行為

不同應(yīng)力狀態(tài)下水壓裂縫初至層面的擴(kuò)展(水壓裂紋尖端剛剛接觸到層面后裂縫尖端的走向)見圖2。當(dāng)主應(yīng)力比λ較小時(shí)，主水壓裂縫沿垂直于最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展，擴(kuò)展過程中出現(xiàn)很多分支裂縫，聲發(fā)射范圍大，信號多。隨著主應(yīng)力比λ的增大，主水壓裂縫擴(kuò)展的曲折程度逐漸減小，萌生的分支裂紋數(shù)目減少；主裂縫周圍產(chǎn)生的聲發(fā)射信號范圍小，數(shù)量少。

主應(yīng)力比λ在1.2～6.0范圍內(nèi)變動，當(dāng)水壓裂縫剛剛擴(kuò)展至層面時(shí)，由于層面的強(qiáng)度一般低于層面兩邊的巖層的強(qiáng)度，在不斷增大的水壓力作用下，強(qiáng)度低的層面優(yōu)先破壞，導(dǎo)致水壓裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，開始沿層面擴(kuò)展。說明當(dāng)水壓裂縫剛剛擴(kuò)展至層面時(shí)，水壓裂縫初至層面均沿層面開始起裂，沒有出現(xiàn)直接穿層面擴(kuò)展的情況，且破裂均為張拉破壞。煤巖所處的應(yīng)力環(huán)境對水壓裂縫初至層面時(shí)的擴(kuò)展行為沒有明顯影響。

圖2 水壓裂縫初至層面的擴(kuò)展行為

2.2 水壓裂縫沿層面最大開裂長度

研究表明，在一定應(yīng)力環(huán)境下，對于水壓裂縫與地層界面相交后停止擴(kuò)展的情況，裂縫存在一個臨界長度[10]，稱之為水壓裂縫沿層面最大開裂長度。裂縫超過該最大長度后，將沿巖層面轉(zhuǎn)向擴(kuò)展或穿過巖層面進(jìn)入相對層。不同應(yīng)力環(huán)境下水壓裂縫沿層面最大開裂長度見圖3。

圖3 沿層面水壓裂縫最大開裂形態(tài)

對沿層面水壓裂縫最大開裂長度量化分析(為消除孔徑的影響，用層面開裂長度與鉆孔半徑的比值作為衡量裂縫沿層面開裂的最大長度)，得圖4所示曲線。

圖4 沿層面水壓裂縫最大開裂長度

圖4表明，沿層面水壓裂縫擴(kuò)展的最大開裂長度隨主應(yīng)力比的增加呈雙曲線降低。當(dāng)λ<2時(shí)，沿層面水壓裂縫最大開裂長度呈雙曲線降低，水壓裂縫主要表現(xiàn)為沿層面擴(kuò)展；當(dāng)2<λ<4時(shí)，沿層面水壓裂縫最大開裂長度為0.5r～3.2r，水壓裂縫主要表現(xiàn)為沿層面和穿層面交替擴(kuò)展；當(dāng)λ>4時(shí)，沿層面水壓裂縫最大開裂長度逐漸趨近于0，水壓裂縫沿層面擴(kuò)展不明顯，主要表現(xiàn)出穿層面擴(kuò)展。

由上可知，主應(yīng)力比為層面影響下水壓裂縫沿層面擴(kuò)展最大開裂長度的重要影響因素。主應(yīng)力比越小，水壓裂縫沿層面擴(kuò)展的范圍越大，水壓致裂沿層面方向的影響范圍越大；主應(yīng)力比越大，水壓裂縫沿層面方向影響越小，水壓裂縫主要表現(xiàn)為穿層面擴(kuò)展。雙向等壓時(shí)，最利于水壓裂縫沿層面擴(kuò)展，水壓致裂沿層面方向的影響范圍最大。

從圖3中的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，沿層面擴(kuò)展的裂紋均未擴(kuò)展至試件邊界，消除了邊界效應(yīng)和模型尺寸對模擬結(jié)果的影響。

2.3 不同應(yīng)力環(huán)境下巖體水壓裂縫擴(kuò)展形態(tài)

隨著模擬的進(jìn)行，水壓力不斷增大，最終導(dǎo)致巖層在高水壓的作用下完全失穩(wěn)、破壞。不同應(yīng)力環(huán)境下水壓致裂煤巖體的破壞形態(tài)見圖5。

由圖5可知：當(dāng)λ=1.2時(shí)，水壓裂縫完全沿層面擴(kuò)展破壞，無分支和穿層裂紋，聲發(fā)射成“工”型分布；當(dāng)λ=2.0時(shí)，水壓裂縫表現(xiàn)為沿層面分支擴(kuò)展，沿層面擴(kuò)展和分支擴(kuò)展交替進(jìn)行，主失穩(wěn)分支集中在貫通點(diǎn)附近；當(dāng)λ=3.0時(shí)，水壓裂縫主要表現(xiàn)為沿垂直于σ3方向的分支擴(kuò)展，沿層面擴(kuò)展不明顯，分支裂紋分布密集且集中于貫通點(diǎn)附近。

綜上，隨著主應(yīng)力比λ的增加，水壓裂縫擴(kuò)展行為演變過程為：水壓裂縫擴(kuò)展行為由完全沿層面擴(kuò)展，開始出現(xiàn)少量的分支裂紋，分支裂紋分布稀疏且離散性大；逐漸演變?yōu)檠貙用娣种U(kuò)展，沿層面擴(kuò)展和分支擴(kuò)展交替進(jìn)行，這時(shí)分支裂紋密集且數(shù)量明顯增多，在已開裂的層面范圍內(nèi)均勻分布，主失穩(wěn)分支集中在貫通點(diǎn)附近；隨著λ的進(jìn)一步增加，水壓裂縫演變?yōu)檠卮怪庇讦?方向的分支擴(kuò)展，沿層面擴(kuò)展不明顯，分支裂紋分布密集且集中于貫通點(diǎn)附近；最后演變成穿層擴(kuò)展，貫通點(diǎn)附近有少量分支裂紋分支擴(kuò)展。分支擴(kuò)展方向多沿最大主應(yīng)力的方向。

圖5 巖體水壓致裂破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

1)水壓裂縫初至層面均沿層面開始起裂；層面與巖體所處的應(yīng)力環(huán)境對水壓裂縫初至層面時(shí)的擴(kuò)展行為沒有明顯影響。

2)沿層面水壓裂縫擴(kuò)展的最大長度隨主應(yīng)力比的增加呈雙曲線降低。當(dāng)主應(yīng)力比較大時(shí)，水壓裂縫沿層面擴(kuò)展不明顯，主要表現(xiàn)為穿層擴(kuò)展；隨著主應(yīng)力比的減小，水壓裂縫表現(xiàn)為穿層面擴(kuò)展和沿層面擴(kuò)展交替進(jìn)行；當(dāng)主應(yīng)力比較小時(shí)，水壓裂縫主要表現(xiàn)為沿層面擴(kuò)展。

3)雙向等壓時(shí)，最有利于水壓裂縫沿層面擴(kuò)展，水壓致裂沿層面方向的影響范圍最大。

4)隨著主應(yīng)力比的增加，雙向應(yīng)力差不斷增大，層面對水壓裂縫擴(kuò)展的影響逐漸減??；此時(shí)，應(yīng)力環(huán)境對水壓裂縫的擴(kuò)展起主導(dǎo)作用，水壓裂縫沿垂直于最小主應(yīng)力的方向穿層面擴(kuò)展。

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The impact of stress state on the propagation of hydraulic fractures near bedding plane

SUN Ze-liang1，2，HUANG Bing-xiang3,4，ZHANG Jia-xing3,4，CHEN Bi-wu2，ZHAGN Tong3,4

(1.School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.CBM Exploration and Development Division，Huabei Oilfield Company，Petrochina，Changzhi 046000，China；3.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116，China; 4. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Hydraulic fracturing is widely used in exploiting coal，oil and gas and the emerging unconventional gas.Controlling the hydraulic fractures expand horizontally in specified strata and confining the number and length of fractures outside the specified strata is an effective way to improve the efficiency of hydraulic fracturing and protect the strata environment.The stress state of bedding plane is one key factor affecting the propagation of hydraulic fractures.With using RFPA2D-Flow，crack propagation behavior，such as hydraulic cracks initially meet the bedding plane，the maximum crack length along the bedding plane and the hydraulic crack failure mode are simulated under different stress states.The results show that：①Stress environment has no effect on crack expansion when hydraulic cracks initially meet the bedding plane；② the curve of the maximum hydraulic fracture expansion length along the bedding plane and the principal stress ratio is hyperbola；③when the maximum principle stress equals the minimum principal stress，the influence range along the bedding plane caused by hydraulic fracturing reaches the maximum；④ with the increase of the principal stress ratio，the impact of the bedding plane on hydraulic crack expansion gradually reduces and the hydraulic cracks penetrate the bedding plane perpendicularly to the minimum principle stress.

hydraulic fracturing；bedding plane；stress；hydraulic fractures；numerical simulation

2016-01-21

山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程項(xiàng)目資助(編號：2011ZX05061)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：51274194)；江蘇省“六大人才高峰” 項(xiàng)目資助(編號：2014-ZBZZ-007)

孫澤良(1973-)，男，湖南醴陵人，中國礦業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事煤層氣鉆采技術(shù)研究和管理工作。E-mail：mcq_szl@126.com。

TD 32

A

1004-4051(2016)11-121-06