煤巖水力裂縫起裂和擴展準則

1、2.3 煤巖水力裂縫起裂和擴展準則2.3.1 煤巖水力裂縫起裂準則水力壓裂技術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流能力，達到增產(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?shù)貙又写嬖谔烊涣芽p時，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分析來說，水力壓裂通過增大井筒內壓裂液體壓力來壓開地層，當增大時，井壁處切向應力減小，當增大到一定程度，變?yōu)樨撝?。表示井壁巖石周向應力由壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，當達到巖石的抗張強度S時，地層破裂并形成水力裂縫。此時滿足： （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，表達式為：式中：為井壁處孔隙壓力；為遠處地層孔隙壓力。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力達到巖石垂向抗張強度Sv，此時要滿足： （2-19）同樣可以求得水平裂縫的破裂壓力的表達式： （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度的薄弱面，在水力壓力下，該面會發(fā)生破壞，根據(jù)Adony的研究33，弱面發(fā)生破裂的準則是： （2-21）式中：和分別為最大和最小主應力；為弱面粘聚力 為弱面內摩擦系數(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則是： （2-22）2.3.2 煤巖水力裂縫擴展準則水力壓裂裂縫擴展依據(jù)斷裂力學里的應力強度因子準則，應力強度因子的概念是由Irwin于1957年提出的，它是反映裂紋在外應力作用下，裂尖處產(chǎn)生的應力集中程度的物理量。對于三種裂縫形態(tài)，有三個應力強度因子，與之對應。應力強度因子是表示張性裂縫開裂的強度因子，張性裂縫形態(tài)如圖2-2所示。 圖2-2 水力裂縫裂尖應力集中圖對應力的求解可以得到： （2-23）在離裂縫尖端距離為r處，即時，應力可以表示為： （2-24）取，則上式可以變化為： （2-25）由此得到張性裂縫應力強度因子： （2-26）對于張性裂縫而言，當應力強度因子大小達到巖石破裂強度因子時，裂縫開裂。即裂縫的擴展準