压裂钻孔壁破坏行为与注水流量相关性试验研究*（安全）

                     马衍坤^1,2，刘泽功¹，周  健¹

    （1．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001：

    2-河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南焦作454000）

摘要：为分析流量对水力压裂钻孔起裂特征的影响，开展了不同注水流量水力压裂实验，得到了煤体起裂过程的孔壁压缩应变-水压曲线。结果表明，流量的增大使破裂形态趋于复杂，表现在裂缝的数目及宽度会变多增大，而原煤则更易于沟通原生裂隙；对于无明显节理的配比型煤，随着注水流量增大，孔壁应变速率和起裂压力均增高；对于含明显节理的原煤，孔壁应变速率及起裂压力变化具有一致性，但与流量变化不一致，原煤内部的节理会影响试块起裂行为，降低钻孔内能量积聚速率和煤体破裂强度。研究成果对于揭示钻孔起裂行为具有重要理论意义，为水力压裂实验研究提供了一种新思路。

关键词：水力压裂；注水流量；孔壁应变；破裂形态；能量积聚

中图分类号：X936   doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 015

0  引言

    井下水力压裂增透技术由于压裂范围大、增透效果好，已成为瓦斯治理的一种有效手段。煤岩水力压裂研究目前侧重于三方面：①试块起裂规律的实验研究；②起裂模型的理论分析与数值模拟研究；③新技术及裂缝监测研究。

    实验研究相对易于操作，是研究压裂过程最常用手段。然而以往研究多从宏观分析水压变化与裂缝形态，未从压裂孔破坏发展角度来探讨注水流量对压裂的影响。一般而言试块压裂较快，时间较短，仅从水压和裂缝分析起裂发展过程不能完整的获取起裂信息，更难以获取能量变化信息。因此，有必要寻找新方法来分析不同流量下的压裂特征。孔壁应变可反映出压裂孔的破裂行为，尤其是钻孔起裂过程变形行为。即使水压变化较小，孔壁应变也能很好反映出钻孔破裂及能量的转移特征。

  因此，本文开展了不同流量下配比型煤与原煤压裂实验，获取了孔壁应变-水压曲线，并以此分析注水流量与孔壁破坏的相关性。

1不同注水流量煤岩压裂试验

1.1  试样制备

  实验采用两种试样，一种为配比型煤，尺寸为100mm×100 mm×100 mm，配比型煤制作，试块在拆除磨具后置于混凝土养护箱内养护28天；另一种试样为原煤试样，取自山东鹿洼煤矿3#煤层，采用切割机加工成尺寸100 mm X100 mm的圆柱体。原煤易碎，较难加工成立方体，因此制成圆柱体。

  实验分为6组，每组3个型煤试块和2个原煤试块，如图1所示。型煤试块没有较明显的节理，可模拟较致密煤岩体，适于相关规律的分析；原煤试块存在节理，适于实际问题的分析。

1.2  实验系统及实验原理

  1)实验系统

  实验系统包括水力压裂和应变采集两部分，如图2所示。其中，水力压裂部分包括CYJ2  -1.2/20及JZ1.6 -4.0/20两种不同额定流量压裂水泵、密封罐、高压氮气气瓶、MD - 8088水压传感器及RX200A水压记录仪；应变采集部分包括CM - 1A - 10静态应变采集仪、应变片及测试线路。

  2)实验原理

  实验通过设定不同的注水流量，并测试压裂过程中孔壁应变，利用孔壁应变特征、破裂形态来分析不同注水流量下试块的破坏发展特征。

    在试块中心施工8 mm×75 mm钻孔作为压裂钻孔，留出10~ 25 mm裸孔段用于压裂。所述方法，在钻孔压裂段侧壁粘贴1个径向应变片。

    根据以往研究，靠近裂纹处孔壁呈现拉伸应变，远离裂纹处呈现可较大程度恢复的压缩应变，压缩应变能较好地反映出压裂过程能量积聚与释放特征，因此本实验着重研究压缩应变。为此，实验前根据应力状况预判裂纹面走向，将应变片粘贴于孔壁一侧，尽量平行于最大主应力方向。

1.3  实验方案

    实验采用6种注水流量，竖向应力(3 M Pa)和围压(1 M Pa)则固定，如表1所示。实验步骤如下：将压裂管路插入钻孔并用胶与孔壁密封，钻孔底部留10~ 20 mm的裸孔段用于压裂；对试样施加竖向应力（通过反力架施加）及围压（通过高压氮气施加）；打开水泵开始压裂，并同步监测水压和应变信息。通过调节压裂泵流量控制阀来控制注水流量，使其保持恒定。

2  实验结果分析

2.1  不同流量下的应变-水压曲线

    实验共开展配比型煤和原煤压裂试验27次，除流量0.13 m L/s条件下配比型煤外，其它试块均压裂成功并得到不同程度裂纹。由于此原因原煤未开展0.13mL/s条件下的实验。

    根据实验结果，得到如图3、4所示应变-水压曲线。图中在水压增大前有一段类似平台的曲线段，这是由于实验采用的耐高压细软管，便于弯曲和封孔，当施加围压时，软管会被压缩并呈现一定压力。

    根据水压变化将应变曲线分为4部分，即水压明显增长前阶段、快速增长阶段(I)、起裂延伸阶段(Ⅱ)和停泵阶段(Ⅲ)，本文着重分析水压快速增长阶段，即图3及图4的I阶段。将水压快速增长阶段应变速率进行计算，如图5(a)所示。随着流量增大，孔壁快速变形，应变速率逐渐增大。流量变化除影响到孔壁应变速率外，还使煤岩试样起裂压力发生略微变化，如图5(b)所示。

    由于0. 13 m L/s流量下，配比煤试样发生明显渗失，图中将试验时最大水压标示出。配比型煤与原煤不同，配比型煤无较明显节理，可认为是较致密试块；而原煤则具有肉眼可见节理。对于配比型煤，流量增大，孔壁快速发生变形，应变速率逐渐增大，同时试样的起裂

压力也略有增大。图5明显得出，应变速率与起裂压力的变化趋势与流量的增大趋势具有一致性。对于原煤，流量增大，孔壁应变速率及起裂压力均先增大后减小，应变速率与起裂压力具有一致性，但与流量的增大趋势则不一致。

2.2  试块破坏形态

    随着流量增大，试块破坏形式趋于复杂。如图6所示，流量越小，裂缝数目及宽度越小，当流量达到0. 55mL/s后，裂缝明显变大。对于型煤，不存在明显原生裂隙，裂纹均为压裂生成的。随着流量增大，裂纹由单条不贯穿裂纹逐渐变为贯穿细裂纹、贯穿宽裂纹及多条裂

纹。而对于原煤试块，随着流量增大，裂纹宽度逐渐变大，其中YM -7试块宽度最大。同时，随着流量的增大，原始裂隙开始被沟通，逐渐形成竖向与横向沟通的裂隙网络。

3讨论

3.1  起裂过程的能量特征

    由于压缩应变区域远离裂缝，未受明显拉张破坏，且压缩应变的增大与减小均能较好地对应水压的增长和降低，也对应能量的积累和释放，因此对压缩应变一水压曲线进行分析可以获得钻孔的起裂行为和能量演化信息。

    随着水的进入，能量在孔内积聚和耗散，积聚的能量主要以水的内能和钻孔围岩弹性能的形式所储存，而耗散的能量则以滤失的形式所耗散。

    孔壁应变反映出水压作用下的钻孔变形，也反映出围岩储存能量的转移。在压缩变形区域，水压急剧增大必然使钻孔围岩弹性能量快速积聚。起裂瞬间，部分能量将以裂缝表面能、水动能及其他形式耗散能释放，所剩能量及水泵补充输入的能量则依然以围岩弹性能和水内能形式储存。

    起裂后，水泵持续向孔内输入能量，为裂纹扩展提供动力。水压每一次波动均意味着裂纹的一次延伸，对应孔壁应变波动。由于压力传感器所直接感应的不是裂纹前端水压，因此当水压变动极小时，并非裂纹停止了扩展，而是监测条件所致。裂纹扩展必然带动裂纹的

“张合”，孔壁应变可灵敏地捕捉到这种信号。

3.2  注水流量与孔壁破坏的相关性分析

3.2.1  裂缝形态分析

    随着流量增大，水力裂缝数目、长度及宽度均有所增大，且将会沟通原生裂隙。流量越大，向煤岩体输入能量的速率越大，大流量可为裂隙产生及沟通提供稳定的高能流。钻孔起裂后，所储存能量以裂缝表面能、水动能及其它形式耗散能释放，裂缝表面能是能量释放的最主要形式。试块所获得的能量越多、持续时间越长，用于新裂纹扩展的能量就越多，当能流足够大时，原生裂隙将会被激活和沟通。体现在裂纹形态上，就是裂纹数目、裂纹空间的增大及原生裂隙的激活。

3.2.2孔壁应变速率分析

    孔内水压增长直接作用在孔壁上，起裂前“待破裂点”附近由于拉伸作用产生切向应力出现拉伸应变，与此对应的是远离“待破裂点”的位置出现压缩应变。钻孔增压速率的提高能够增大拉伸作用的强度，使“待破裂点”附近的切向应力施加速率提高，进而提高压缩应

变速率。

    配比型煤和原煤孔壁应变速率对流量的响应规律不同，对于配比型煤，流量越大，钻孔内净压力增长越快，直接体现在孔壁应变速率增大。对于原煤，流量增大使钻孔周围小裂隙受到的瞬时作用力增大，节理或小裂隙能够张开使得部分水滤失进入其中，从而导致孔内

净压力增长速率变缓。小裂隙开启存在一定阈值，大流量给予孔壁的瞬时冲击作用大到足以激活小裂隙时，才会产生这种现象。

3.2.3起裂压力分析

    对于配比型煤，起裂压力随流量增大略有增长。岩石受载破裂过程中，应变速率的增长会使岩石弹性模量、抗压强度及断裂强度增大。煤岩水力压裂是拉伸破裂，水压对孔壁作用力的施加速率提高，增大了孔壁应变速率，从而一定程度上提高了起裂压力。这一点对于配比型煤和原煤均适用，但不同的是钻孔内净压力的增长速率不同，或孔内能量积聚速率不同。对于内部含有节理或小裂隙原煤，流量增大后会向节理内滤失水分，滤失水分会对煤体造成初次损伤，而降低煤岩强度．这也是原煤在大流量条件时起裂压力不高的一个原因。

3.2.4工程意义

    原生裂隙影响水力裂缝的扩展路径，大流量能给予孔壁较大的瞬时冲击作用，使小裂隙被激活，形成多个裂缝扩展面。而小流量条件下，水则主要进入层理裂缝。在裂纹形态上，大流量条件下的裂纹数目、裂纹空间均比小流量大，且原生裂隙在大流量时被激活，裂缝的形态更为复杂。在井下水力压裂实践中，可以采用大流量快速起裂的方式增加水利裂缝的数目和复杂度，从而提高能量的利用率。

4  结论

    1)随着注水流量增大，配比型煤和原煤孔壁应变速率及起裂压力变化趋势不同，对于无明显节理的型煤，孔壁应变速率及起裂压力均随流量增大而增大；对于含明显节理的原煤则不同。

    2)试块压裂是能量输入、储存、释放和转移的过程，孔壁应变可反映弹性能储存与释放，水压快速增长阶段对应着能量的快速积聚，并反映出能量积聚的速率。