煤巖水力裂縫起裂和擴(kuò)展準(zhǔn)則

1、2.3 煤巖水力裂縫起裂和擴(kuò)展準(zhǔn)則2.3.1 煤巖水力裂縫起裂準(zhǔn)則水力壓裂技術(shù)是通過在地面向井下注入高壓液體，迫使地層巖石在高壓下破裂形成裂縫，該裂縫在支撐劑支撐下具有較高的導(dǎo)流能力，達(dá)到增產(chǎn)作用。巖石在壓力下開裂可以形成三種裂縫形態(tài)，它們分別為張性裂縫，剪性裂縫和混合型裂縫，如圖2-1。圖2-1 水力壓裂裂縫幾何形態(tài)圖普通砂巖地層在水力壓力下形成張性裂縫為主的裂縫形態(tài)，當(dāng)?shù)貙又写嬖谔烊涣芽p時(shí)，井壁地層的受力狀態(tài)發(fā)生改變，引起不同的起裂裂縫形態(tài)。煤巖屬于多裂縫的巖石體，在煤層的壓裂中可以形成不同的起裂形態(tài)，歸結(jié)為以下三種：1 水力裂縫在煤巖體的張性起裂；2 水力裂縫沿天然裂縫的剪切起裂；3 水

2、力裂縫在天然裂縫形成的張性起裂。從壓裂過程中井壁力學(xué)分析來說，水力壓裂通過增大井筒內(nèi)壓裂液體壓力來壓開地層，當(dāng)增大時(shí)，井壁處切向應(yīng)力減小，當(dāng)增大到一定程度，變?yōu)樨?fù)值。表示井壁巖石周向應(yīng)力由壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，當(dāng)達(dá)到巖石的抗張強(qiáng)度S時(shí)，地層破裂并形成水力裂縫。此時(shí)滿足： （2-16）破裂發(fā)生在最小處，即在或處，煤層氣多數(shù)為直井，對于直井則有，這樣式2-5中值表示為：（2-17）式中：為地層的孔隙壓力值，井壁處，其邊界條件為： 被定義為有效膜壓力系數(shù)31,32，表達(dá)式為：式中：為井壁處孔隙壓力；為遠(yuǎn)處地層孔隙壓力。將式2-17帶入式2-16得到巖石張性破裂時(shí)的破裂壓力 （2-18）如果壓裂形成水

3、平裂縫，則要求巖石垂向上拉應(yīng)力達(dá)到巖石垂向抗張強(qiáng)度Sv，此時(shí)要滿足： （2-19）同樣可以求得水平裂縫的破裂壓力的表達(dá)式： （2-20）如果水力裂縫在井壁處起裂過程中遭遇天然裂縫，則水力壓裂能夠沿著天然裂縫方向起裂，這時(shí)可以形成沿天然裂縫的剪切破裂，可以利用弱面模型33,3,35來研究這一問題。弱面模型是指在傾角地層中存在一組低強(qiáng)度的薄弱面，在水力壓力下，該面會(huì)發(fā)生破壞，根據(jù)Adony的研究33，弱面發(fā)生破裂的準(zhǔn)則是： （2-21）式中：和分別為最大和最小主應(yīng)力；為弱面粘聚力 為弱面內(nèi)摩擦系數(shù)；為弱面的法向與的夾角存在天然裂縫地層中，天然裂縫就是一組弱面，并且對于天然裂縫=0，水力裂縫沿煤巖天

4、然裂縫剪切破裂的準(zhǔn)則是： （2-22）2.3.2 煤巖水力裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則水力壓裂裂縫擴(kuò)展依據(jù)斷裂力學(xué)里的應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則，應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念是由Irwin于1957年提出的，它是反映裂紋在外應(yīng)力作用下，裂尖處產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度的物理量。對于三種裂縫形態(tài)，有三個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子，與之對應(yīng)。應(yīng)力強(qiáng)度因子是表示張性裂縫開裂的強(qiáng)度因子，張性裂縫形態(tài)如圖2-2所示。 圖2-2 水力裂縫裂尖應(yīng)力集中圖對應(yīng)力的求解可以得到： （2-23）在離裂縫尖端距離為r處，即時(shí)，應(yīng)力可以表示為： （2-24）取，則上式可以變化為： （2-25）由此得到張性裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子： （2-26）對于張性裂縫而言，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大小達(dá)到巖石破裂強(qiáng)度因子時(shí)，裂縫開裂。即裂縫的擴(kuò)展準(zhǔn)