非均质弹塑性煤体水压致裂裂纹形态研究

作者：邱宇超; 梁卫国^*; 李静; 贺伟

来源：煤炭学报, 2022, 47(10): 3668-3679.

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2021.1684

• 裂纹形态
• 水力压裂
• 非均质性
• 有限离散元
• 黏聚型裂纹
• 煤层气

常规储层煤层气开采，主要使用水力压裂的方法对煤体进行增渗改造，准确模拟弹塑性煤体在水力压裂后的缝网形态，可为施工工艺的改进和储层开采价值的评估提供参考。有限离散元方法(FDEM)是一种模拟弹塑性材料内部裂纹扩展形态的有效方法，为获得模拟所用本构模型中基于B-K准则的混合断裂能，对煤进行了变预制裂缝倾角的半圆盘三点弯曲(SCB)试验；提出一种使用环氧树脂包裹煤样的立方体试件进行水力压裂研究的试验方法，还原原位状态下水力裂缝的扩展过程，验证数值模拟方法的准确性。考虑到天然状态下煤储层的非均质性，引入统计学中的Weibull概率分布，将密度函数中的形状参数m定义为非均质度系数，按照Weibull分布对数值模型中的黏聚型单元的强度和断裂能进行随机赋值，模拟不同非均质程度煤储层在水力压裂作业中的裂缝扩展形态，并充分考虑了裂隙流从Darcy流向Poiseuille流的逐渐转化。结果表明：(1)有限离散元法适用于模拟弹塑性煤体中水力裂缝的扩展，以二次名义应力准则为裂纹的起裂判据，以B-K混合断裂能准则为裂纹的延伸判据，可准确模拟复杂应力状态下水力裂缝的扩展形态。(2)单簇射孔情况下，非均质度系数m=2～5的煤层中，水力压裂模拟得到的注液压力-时程曲线呈现出明显的压力峰，符合实际工程中的注液压力曲线。(3)非均质度系数m=1.5～5.0的煤层中，水力裂缝的扩展会出现分叉和偏转现象，非均质度系数过低(m<1.5)的煤层只会形成单条的长直裂缝，过高(m>5)的煤层会形成对称的双翼曲线裂缝，其中m=2的煤层在水力压裂后形成的裂缝形态最为复杂。

• 单位
  太原理工大学