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滤失及黏度对紫砂岩定向压裂起裂与扩展影响规律的试验研究

邓琼伟  
【摘要】:煤矿坚硬顶板的压裂对防止冲击矿压以及保证矿井的安全开采具有重大的意义。煤矿开采的特殊性,要求顶板能够按照指定的位置和一定的方向断裂,因此提出垂直岩层层面预制裂缝的定向压裂技术。由于垂直岩层层面预制裂缝的定向压裂技术采用裸孔压裂,压裂液与钻孔壁面和预制裂缝面直接接触,滤失现象比较明显。在压裂过程中,当滤失达到一定程度时,影响定向压裂效果,会出现无法起裂的现象,甚至导致压裂失败。针对这一现象,本文以紫砂岩为例,采用理论分析和真三轴物理模拟试验相结合的方法,研究不同的滤失面和不同黏度的压裂液对定向压裂的起裂压力和裂缝扩展延伸的影响规律。主要研究内容和研究结果如下:(1)根据线性弹性力学、断裂力学和流体力学理论,在预制裂缝尖端构建水力压裂的数学模型,同时考虑滤失对压裂的影响,探讨了滤失和黏度对水力压裂的起裂以及扩展规律的影响。(2)采用预制裂缝面和钻孔孔壁面涂防水剂的方法控制滤失,进行真三轴定向水力压裂物理试验,研究了不同滤失面对裂缝起裂与扩展延伸的影响规律。试验结果表明:滤失量越大,起裂时间越大,起裂压力越小。对比未涂防水剂试验结果与预制裂缝面、孔壁面和全涂防水剂试验结果可知,起裂压力由11.95MPa增大到12.21MPa、12.64MPa和15.76MPa,裂缝起裂所需的时间由318.1s减少到198.2s、165.8s和152.0s。滤失量越小,裂缝达到相同的偏转角时,裂缝的延伸长度越大。随着滤失量的增大,试件声发射能量率峰值逐渐减小,砂岩从注液到破坏的累积能量增大。(3)采用真三轴定向水力压裂物理试验,研究了不同黏度压裂液定向压裂裂缝起裂与扩展延伸的影响规律。试验结果表明:随着黏度的增加,起裂压力增大。当黏度由1MPa·s增加到10MPa·s和40MPa·s时,起裂压力由15.76MPa增加到16.56MPa和17.10MPa。随着压裂液黏度的增大,在相同偏转角下,裂缝的延伸长度逐渐增大。裂缝宽度随着压裂液黏度的增大呈现y=0.0024x+0.1355线性递增规律。(4)基于(2)和(3)研究结果,针对滤失和黏度的共同作用对定向压裂的影响补充定向水力压裂物理试验,试验结果表明:随着压裂液黏度增大,起裂时间变短,压裂液的滤失量减小,起裂压力逐渐增大。通过Morris法对黏度和滤失进行灵敏度分析得出:滤失对起裂压力和破裂时长的影响更大。


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