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岩石力学在水力压裂增产技术中的应用分析 郝宇军 (太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030000) 摘 要：岩石裂纹的起裂与扩展不仅受压裂施工工艺影响，也和岩石物理力学性质有关。探究复合应力场中煤样渗透性变化和 裂缝扩展行为规律，需要对坚硬煤层大煤块原位水力致裂裂纹孕育与扩展加 以研究分析。破坏裂缝的发展过程会影响煤样的渗透 性，而且水力致裂协 同矿山压力作用能够使煤体破碎软化 关键词：岩石力学；水力压裂；裂缝扩展：应用分析 中图分类号：TE357 文献标识码 ：A 文章编号：1003—5168(2014l23—0010—01 1 引言 理，孔隙内有效应力 P 满足下述方程时，岩体会发生剪切破坏。 随着技术的发展，水力压裂成为一项新兴的技术。上世纪 Pb2 r3+ ≠r3cos2仪一(亏 sinz仅一C1／tan (8) 中期，水力压裂法已在石油开发中获得应用。近些年 ，这种技术 二 二 、 厶 ， 更是应用到了煤炭、石油等领域。尽管如此．现阶段对岩石水力 原始地应力和岩石特性决定了水压致裂过程中岩石的破 压裂理论研究太少，没有完全了解岩石水力压裂过程。 裂形式——拉伸破裂或者剪切破裂。若岩石为均质各向同性介 2 水力压裂破裂准则 质，水力压裂的扩展裂纹的方位 由三个主应力的相对大小和方 2．1 拉伸破裂准则 位决定。根据裂纹扩展路径选择的能量最低原理，裂隙的扩展都 水力压裂之前，钻孑L周边的应力场 由原岩应力、钻孑L内部 是使裂隙朝正交于最小主应力的方向发展。 的流体压力及钻孔钻进引起的集中应力组成。假定模型中岩石 3 煤岩压裂特性分析 为理想状态下的连续的各向同性弹性介质，岩体的渗透率接近 煤层水力致裂软化技术是放顶煤开采时，处理高瓦斯坚硬 为零 ，并规定压应力为正，则压裂孔周边的应力分布为： 顶板的有关技术，在实际生产应用中，对煤矿安全生产有重大作 Or=p 1 用。煤层水力致裂软化技术是一种新型技术手段 ．主要特征是在 0=(O14+Oh)-2(盯『盯h)cos20-p} 煤岩体本身受到地应力作用的基础上，增加顶部煤岩体 内部裂 【『 J () 缝数 目，并严格地控制水力压裂裂隙的发展形态。 上式 ， 、 和 盯分别是压裂孔边的径向、切向及轴向作用 3．1 裂隙煤体的渗透性与变形特点 力； 叮h和 盯分别为最大、最小水平应力和垂直应力 ；P为压裂 分析煤样的水力压裂实验结果，可得出：在水力蜃裂改造 孑L内流体压力；0为沿逆时针方向最大水平地应力方向旋转角 煤岩体结构的过程中，煤岩体受到各种应力的复合作用，煤体的 度。 渗透性发生复杂的变化。煤体渗透性发生改变的主要原因是人 从上述可知，只有 0、P同时为 0时，盯0取得最小值 ： 为地改造煤层物理力学性质及水力压裂引起裂隙发育扩展。 3-2 煤体裂缝孕育扩展过程水压变化分析 盯0rrIi=3盯h一盯H—p (2) 00mi随着钻孔内流体压力P的增大而减小 ，当孔内流体压 根据有关的理论研究及相关的实验，水力压裂产生的裂隙 力P在一定范围内增大时， 的数值为零或负值即为拉应力。 岩体的渗透性系数与水力压裂时注水压力的关系呈非线性。一 考虑到岩石本身具有不抗拉抗压特性。是一种脆性材料．因此压 旦注水压力达到或者超过最大破坏压力 ，煤岩性质将发生较大 裂孔周边受到 叮。