壓裂鉆孔壁破壞行為與注水流量相關性試驗研究*（安全）

                     馬衍坤^1,2，劉澤功¹，周  健¹

    （1．安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南232001：

    2-河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南焦作454000）

摘要：為分析流量對水力壓裂鉆孔起裂特征的影響，開展了不同注水流量水力壓裂實驗，得到了煤體起裂過程的孔壁壓縮應變-水壓曲線。結果表明，流量的增大使破裂形態趨于復雜，表現在裂縫的數目及寬度會變多增大，而原煤則更易于溝通原生裂隙；對于無明顯節理的配比型煤，隨著注水流量增大，孔壁應變速率和起裂壓力均增高；對于含明顯節理的原煤，孔壁應變速率及起裂壓力變化具有一致性，但與流量變化不一致，原煤內部的節理會影響試塊起裂行為，降低鉆孔內能量積聚速率和煤體破裂強度。研究成果對于揭示鉆孔起裂行為具有重要理論意義，為水力壓裂實驗研究提供了一種新思路。

關鍵詞：水力壓裂；注水流量；孔壁應變；破裂形態；能量積聚

中圖分類號：X936   doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 015

0  引言

    井下水力壓裂增透技術由于壓裂范圍大、增透效果好，已成為瓦斯治理的一種有效手段。煤巖水力壓裂研究目前側重于三方面：①試塊起裂規律的實驗研究；②起裂模型的理論分析與數值模擬研究；③新技術及裂縫監測研究。

    實驗研究相對易于操作，是研究壓裂過程最常用手段。然而以往研究多從宏觀分析水壓變化與裂縫形態，未從壓裂孔破壞發展角度來探討注水流量對壓裂的影響。一般而言試塊壓裂較快，時間較短，僅從水壓和裂縫分析起裂發展過程不能完整的獲取起裂信息，更難以獲取能量變化信息。因此，有必要尋找新方法來分析不同流量下的壓裂特征?？妆趹�變可反映出壓裂孔的破裂行�?，尤其是鉆孔起裂過程變形行為。即使水壓變化較小，孔壁應變也能很好反映出鉆孔破裂及能量的轉移特征。

  因此，本文開展了不同流量下配比型煤與原煤壓裂實驗，獲取了孔壁應變-水壓曲線，并以此分析注水流量與孔壁破壞的相關性。

1不同注水流量煤巖壓裂試驗

1.1  試樣制備

  實驗采用兩種試樣，一種為配比型煤，尺寸為100mm×100 mm×100 mm，配比型煤制作，試塊在拆除磨具后置于混凝土養護箱內養護28天；另一種試樣為原煤試樣，取自山東鹿洼煤礦3#煤層，采用切割機加工成尺寸100 mm X100 mm的圓柱體。原煤易碎，較難加工成立方體，因此制成圓柱體。

  實驗分為6組，每組3個型煤試塊和2個原煤試塊，如圖1所示。型煤試塊沒有較明顯的節理，可模擬較致密煤巖體，適于相關規律的分析；原煤試塊存在節理，適于實際問題的分析。

1.2  實驗系統及實驗原理

  1)實驗系統

  實驗系統包括水力壓裂和應變采集兩部分，如圖2所示。其中，水力壓裂部分包括CYJ2  -1.2/20及JZ1.6 -4.0/20兩種不同額定流量壓裂水泵、密封罐、高壓氮氣氣瓶、MD - 8088水壓傳感器及RX200A水壓記錄儀；應變采集部分包括CM - 1A - 10靜態應變采集儀、應變片及測試線路。

  2)實驗原理

  實驗通過設定不同的注水流量，并測試壓裂過程中孔壁應變，利用孔壁應變特征、破裂形態來分析不同注水流量下試塊的破壞發展特征。

    在試塊中心施工8 mm×75 mm鉆孔作為壓裂鉆孔，留出10~ 25 mm裸孔段用于壓裂。所述方法，在鉆孔壓裂段側壁粘貼1個徑向應變片。

    根據以往研究，靠近裂紋處孔壁呈現拉伸應變，遠離裂紋處呈現可較大程度恢復的壓縮應變，壓縮應變能較好地反映出壓裂過程能量積聚與釋放特征，因此本實驗著重研究壓縮應變。為此，實驗前根據應力狀況預判裂紋面走向，將應變片粘貼于孔壁一側，盡量平行于最大主應力方向。

1.3  實驗方案

    實驗采用6種注水流量，豎向應力(3 M Pa)和圍壓(1 M Pa)則固定，如表1所示。實驗步驟如下：將壓裂管路插入鉆孔并用膠與孔壁密封，鉆孔底部留10~ 20 mm的裸孔段用于壓裂；對試樣施加豎向應力（通過反力架施加）及圍壓（通過高壓氮氣施加）；打開水泵開始壓裂，并同步監測水壓和應變信息。通過調節壓裂泵流量控制閥來控制注水流量，使其保持恒定。

2  實驗結果分析

2.1  不同流量下的應變-水壓曲線

    實驗共開展配比型煤和原煤壓裂試驗27次，除流量0.13 m L/s條件下配比型煤外，其它試塊均壓裂成功并得到不同程度裂紋。由于此原因原煤未開展0.13mL/s條件下的實驗。

    根據實驗結果，得到如圖3、4所示應變-水壓曲線。圖中在水壓增大前有一段類似平臺的曲線段，這是由于實驗采用的耐高壓細軟管，便于彎曲和封孔，當施加圍壓時，軟管會被壓縮并呈現一定壓力。

    根據水壓變化將應變曲線分為4部分，即水壓明顯增長前階段、快速增長階段(I)、起裂延伸階段(Ⅱ)和停泵階段(Ⅲ)，本文著重分析水壓快速增長階段，即圖3及圖4的I階段。將水壓快速增長階段應變速率進行計算，如圖5(a)所示。隨著流量增大，孔壁快速變形，應變速率逐漸增大。流量變化除影響到孔壁應變速率外，還使煤巖試樣起裂壓力發生略微變化，如圖5(b)所示。

    由于0. 13 m L/s流量下，配比煤試樣發生明顯滲失，圖中將試驗時最大水壓標示出。配比型煤與原煤不同，配比型煤無較明顯節理，可認為是較致密試塊；而原煤則具有肉眼可見節理。對于配比型煤，流量增大，孔壁快速發生變形，應變速率逐漸增大，同時試樣的起裂

壓力也略有增大。圖5明顯得出，應變速率與起裂壓力的變化趨勢與流量的增大趨勢具有一致性。對于原煤，流量增大，孔壁應變速率及起裂壓力均先增大后減小，應變速率與起裂壓力具有一致性，但與流量的增大趨勢則不一致。

2.2  試塊破壞形態

    隨著流量增大，試塊破壞形式趨于復雜。如圖6所示，流量越小，裂縫數目及寬度越小，當流量達到0. 55mL/s后，裂縫明顯變大。對于型煤，不存在明顯原生裂隙，裂紋均為壓裂生成的。隨著流量增大，裂紋由單條不貫穿裂紋逐漸變為貫穿細裂紋、貫穿寬裂紋及多條裂

紋。而對于原煤試塊，隨著流量增大，裂紋寬度逐漸變大，其中YM -7試塊寬度最大。同時，隨著流量的增大，原始裂隙開始被溝通，逐漸形成豎向與橫向溝通的裂隙網絡。

3討論

3.1  起裂過程的能量特征

    由于壓縮應變區域遠離裂縫，未受明顯拉張破壞，且壓縮應變的增大與減小均能較好地對應水壓的增長和降低，也對應能量的積累和釋放，因此對壓縮應變一水壓曲線進行分析可以獲得鉆孔的起裂行為和能量演化信息。

    隨著水的進入，能量在孔內積聚和耗散，積聚的能量主要以水的內能和鉆孔圍巖彈性能的形式所儲存，而耗散的能量則以濾失的形式所耗散。

    孔壁應變反映出水壓作用下的鉆孔變形，也反映出圍巖儲存能量的轉移。在壓縮變形區域，水壓急劇增大必然使鉆孔圍巖彈性能量快速積聚。起裂瞬間，部分能量將以裂縫表面能、水動能及其他形式耗散能釋放，所剩能量及水泵補充輸入的能量則依然以圍巖彈性能和水內能形式儲存。

    起裂后，水泵持續向孔內輸入能量，為裂紋擴展提供動力。水壓每一次波動均意味著裂紋的一次延伸，對應孔壁應變波動。由于壓力傳感器所直接感應的不是裂紋前端水壓，因此當水壓變動極小時，并非裂紋停止了擴展，而是監測條件所致。裂紋擴展必然帶動裂紋的

“張合”，孔壁應變可靈敏地捕捉到這種信號。

3.2  注水流量與孔壁破壞的相關性分析

3.2.1  裂縫形態分析

    隨著流量增大，水力裂縫數目、長度及寬度均有所增大，且將會溝通原生裂隙。流量越大，向煤巖體輸入能量的速率越大，大流量可為裂隙產生及溝通提供穩定的高能流。鉆孔起裂后，所儲存能量以裂縫表面能、水動能及其它形式耗散能釋放，裂縫表面能是能量釋放的最主要形式。試塊所獲得的能量越多、持續時間越長，用于新裂紋擴展的能量就越多，當能流足夠大時，原生裂隙將會被激活和溝通。體現在裂紋形態上，就是裂紋數目、裂紋空間的增大及原生裂隙的激活。

3.2.2孔壁應變速率分析

    孔內水壓增長直接作用在孔壁上，起裂前“待破裂點”附近由于拉伸作用產生切向應力出現拉伸應變，與此對應的是遠離“待破裂點”的位置出現壓縮應變。鉆孔增壓速率的提高能夠增大拉伸作用的強度，使“待破裂點”附近的切向應力施加速率提高，進而提高壓縮應

變速率。

    配比型煤和原煤孔壁應變速率對流量的響應規律不同，對于配比型煤，流量越大，鉆孔內凈壓力增長越快，直接體現在孔壁應變速率增大。對于原煤，流量增大使鉆孔周圍小裂隙受到的瞬時作用力增大，節理或小裂隙能夠張開使得部分水濾失進入其中，從而導致孔內

凈壓力增長速率變緩。小裂隙開啟存在一定閾值，大流量給予孔壁的瞬時沖擊作用大到足以激活小裂隙時，才會產生這種現象。

3.2.3起裂壓力分析

    對于配比型煤，起裂壓力隨流量增大略有增長。巖石受載破裂過程中，應變速率的增長會使巖石彈性模量、抗壓強度及斷裂強度增大。煤巖水力壓裂是拉伸破裂，水壓對孔壁作用力的施加速率提高，增大了孔壁應變速率，從而一定程度上提高了起裂壓力。這一點對于配比型煤和原煤均適用，但不同的是鉆孔內凈壓力的增長速率不同，或孔內能量積聚速率不同。對于內部含有節理或小裂隙原煤，流量增大后會向節理內濾失水分，濾失水分會對煤體造成初次損傷，而降低煤巖強度．這也是原煤在大流量條件時起裂壓力不高的一個原因。

3.2.4工程意義

    原生裂隙影響水力裂縫的擴展路徑，大流量能給予孔壁較大的瞬時沖擊作用，使小裂隙被激活，形成多個裂縫擴展面。而小流量條件下，水則主要進入層理裂縫。在裂紋形態上，大流量條件下的裂紋數目、裂紋空間均比小流量大，且原生裂隙在大流量時被激活，裂縫的形態更為復雜。在井下水力壓裂實踐中，可以采用大流量快速起裂的方式增加水利裂縫的數目和復雜度，從而提高能量的利用率。

4  結論

    1)隨著注水流量增大，配比型煤和原煤孔壁應變速率及起裂壓力變化趨勢不同，對于無明顯節理的型煤，孔壁應變速率及起裂壓力均隨流量增大而增大；對于含明顯節理的原煤則不同。

    2)試塊壓裂是能量輸入、儲存、釋放和轉移的過程，孔壁應變可反映彈性能儲存與釋放，水壓快速增長階段對應著能量的快速積聚，并反映出能量積聚的速率。