考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究_李亚坤.pdf

第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究李亚坤，王志荣，胡凯，陈玲霞（郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001）摘要：为深入探讨裂隙性储层水力压裂缝的穿隙特征及影响因素，基于 RFPA2D 有限元软件，根据焦作矿区煤岩测试结果，模拟岩石破裂过程，分析裂缝形成的主导因素；其次，运用ABAQUS中 Cohesive单元，考虑裂缝尖端应力场和煤层内部原生裂隙系统的耦合作用，根据该矿区地质条件和二1煤层物理力学参数，建立有限元分析模型，并进行压裂缝延伸的数值模拟。结果表明：不同地质条件下压裂缝延伸路径分为 3种基本模式，即定向直线延伸、转向折线延伸和二次转向折线延伸；裂缝尖端应力差、原生裂隙发育特征是影响水力压裂缝形态与分布的关键因素。在应力差较小时，原生裂隙的力学性能对压裂缝分布形态起主导作用，随着应力差增大，其主导作用逐渐减弱。应力差过小、原生裂隙强度过弱，均易在原生裂隙处发生交叉转向，从而容易触及含水层，诱发各种地下水害。关键词：穿隙水力压裂；RFPA2D软件；Cohesive单元；裂缝延伸特征；数值模拟中图分类号：TE371文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）2-34-8Study on the morphological distribution features of hydraulic fractures considering underground water disaster controlLI Yakun，WANG Zhirong，HU Kai，CHEN Lingxia（School of Water Conservancy Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China）Abstract：In order to further explore the penetration features and influencing factors of hydraulic fractures in fractured coal seam，the process of rock fracture was simulated according to the test results of coal and rock in Jiaozuo mining area with RFPA2D finite element software，and the dominant factors of fracture formation were analyzed.The Cohesive element in ABAQUS was adopted to establish the finite element analysis model in consideration of the coupling between the stress field at the crack tip and the primary fracture system in the coal seam according to the geological conditions of the mining area and the mechanical parameters of the coal seam，and the numerical simulation of the fracture extension was carried out.The results showed that there were three basic patterns of fracture extension paths under different geological conditions，李亚坤，王志荣，胡凯，等.考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：34-41.doi：10.16186/ki.1673-9787.2020100066LI Y K，WANG Z R，HU K，et al.Study on morphology and distribution characteristics of hydraulic fracture of the penetration crack considering prevention of water hazards J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：34-41.doi：10.16186/ki.1673-9787.2020100066收稿日期：2020-10-27；修回日期：2021-05-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（41272339）；河南省自然科学基金资助项目（182300410149）第一作者简介：李亚坤（1989），男，河南南阳人，工程师，主要从事岩土工程防灾减灾方面的教学和研究工作。Email：通讯作者简介：王志荣（1963），男，浙江嘉善人，博士，教授，主要从事地质工程与地质灾害防治方面的教学和研究工作。Email：O S I D第 2 期李亚坤，等：考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究namely，directional straight line extension，turning curve extension and secondary turning curve extension.The stress difference at the fracture tip and the development features of primary fractures were the key factors affecting the shape and distribution of hydraulic fractures.In case of small stress difference，the mechanical properties of the primary fracture played a dominant role in the distribution of fracture.With the increase of stress difference，its leading function gradually decreased.In case of excessively small stress difference and excessively weak strength of the primary fracture，it was easy to generate cross and turning at the primary fracture，which was inclined to touch the aquifer and induce various underground water disasters.Key words：hydraulic fracturing through-crack；RFPA2D software；Cohesive element；fracture extension characteric；numerical simulation0引 言煤层气是我国天然气资源的主体，对其开发和利用是缓解能源短缺危机的关键1-2。煤层原始渗透率极低3、吸附能力较强，常规天然气开采技术难以有效应用，因而实际施工中往往采用水力压裂技术4。在水力压裂过程中，要想准确控制压裂缝的延伸方向，必须精准了解裂缝传播路径与转向机理。迄今为止，国内外已有诸多学者对水力压裂缝的延伸规律进行了广泛研究。J.N.Mohammad 等5运用离散元法进行水力压裂数值模拟，研究了煤岩体强度与地应力差对水力压裂的影响，表明低弹性模量下岩体产生的裂缝宽度更大，岩体黏聚力与摩擦角对压裂缝延伸影响较小；LI Q S等6基于室内试验研究了煤层参数对水力压裂起裂的影响，表明煤层孔隙度、渗透率、弹性模量和泊松比越大，则起裂时间越短；GUO J C等7基于 ABAQUS有限元软件，运用 Cohesive单元模拟探讨了压裂缝在遇见天然裂缝的延伸机理，得出天然裂缝方向与最大水平主应力方向夹角越小，越容易扩展延伸；王志荣等8基于弹性力学与 PKN 模型，建立了垂直井起裂压力与裂缝模型，得出压裂半径随压裂时间经历了加速与衰减两个演化阶段；甄怀宾等9基于黏聚力单元模拟研究了射孔相位角与煤岩弹性模量对裂缝起裂与延伸的影响，结果表明，射孔相位角越小，裂缝起裂压力越大，高弹模地层易形成长窄缝，低弹模地层容易形成短宽缝；赵熙等10基于 FRANC3D 与ANSYS 有限元软件，模拟探讨了射孔方向对压裂缝形态分布的影响，结果表明射孔方向与最大水平主应力方向呈一定角度时，压裂缝在延伸时会发生扭转并趋向形成与型应力强度因子共同作用的压剪状态；郭辉等11基于延伸有限元法研究了不同射孔方位角与地应力差下裂缝的延伸轨迹及偏转距离，结果表明，裂缝偏转距离随射孔方位角增大，随地应力差减小。目前，国内外学者关于水力压裂缝的扩展延伸研究大多假设煤层为均质，实际上煤体在成岩与构造作用过程中，其内部会存在原生裂隙12。在华北富水矿区，晚石炭与中奥陶统岩溶水发育，且各层水力联系较为复杂，上距主采二1煤层仅1025 m。实际工程中，压裂缝时常转向储层底板，导致突水事故频发。豫北焦作矿区施工的 37口煤层气垂直井，已有 2/3 压裂后触及含水层而诱发涌水突水事故，其中 JLS试-014与 JLS试-0163 个月试验期的累计抽水量都大于 10 000 m3 13。鉴于此，本文基于 RFPA2D软件，深入研究煤岩体裂缝起裂与扩展延伸的影响因素，运用 ABAQUS 软件中 Cohesive单元，结合焦作恩村矿区二1煤层的物理力学参数，建立有限元计算模型，并进行水力压裂数值模拟，探讨裂缝尖端应力差与原生裂隙系统对水力压裂缝分布形态的影响，以期为现场压裂施工提供理论参考。1数学物理模型1.1裂缝起裂与延伸准则Cohesive 单元损伤理论遵循牵引分离定律，在注水压裂时，可采用二次应力起始准则作为裂缝是否起裂的依据14，即tnt0n2+tst0s2+ttt0t2=1，（1）式中：tn为法向应力，Pa；ts，tt为切向应力，Pa；t0n，t0t，t0s分别为 cohesive 单元法向与切向抗拉强度，Pa。Cohesive 单元通过引入损伤因子 D 表示材料的总体损伤，描述单元损伤演化过程即刚度退化，牵引分离模型的应力分量可表示为352023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）|tn=(1-D)tn，tn 0tntt=(1-D)ttts=(1-D)ts，（2）式中：tn，ts，tt分别为当前受力条件下牵引分离模型预测的单元法向应力与切向应力，Pa；D 为损伤因子，无量纲。Cohesive 单元线性刚度退化中，损伤因子的表达式为15D=fm(maxm-0m)maxm(fm-0m)，（3）式中：fm为单元完全破坏时的有效位移，m；maxm为加载过程中有效位移最大值，m；0m为单元开始损伤时的有效位移，m。1.2Cohesive单元流体流动准则流体在 Cohesive单元内的流动分为沿着单元平面切向流动和垂直于单元面的法向流动。单元内 流 体 切 向 流 动 可 用 牛 顿 流 压 力 传 导 公 式 表示16为Q=-d312P，（4）式中：Q 为 Cohesive单元的体积流量密度向量，无量纲；P