不同压裂参数下水力压裂效果分析.pdf

总第2 11期2023年第8 期理论研究摘要：为提升水力压裂在坚硬顶板问题治理过程中的应用效果，利用数值模拟软件对不同压裂参数下的裂缝扩展情况进行研究。对水力压裂过程进行模拟，发现随着注浆压力的增大，在预制裂缝角位置出现应力集中，当应力值超过单元的抗拉强度时裂缝起裂，并向着最大主应力方向偏转扩展；对不同应力差及压裂液黏度下的裂缝宽度及压裂液流速进行分析，发现裂缝宽度及液体流速随着应力差的增大均呈现逐步减小的趋势，而裂缝宽度及液体流速随着压裂液黏度的增大均呈增大趋势。此研究结果为水力压裂技术应用、参数设计提供了一定的参考。关键词：数值模拟；压裂液黏度；起裂压力；裂缝宽度中图分类号：TD3530引言煤炭资源作为我国重要的主体能源，多年来其开采量一直位居世界前列。据统计,在我国一次能源消耗中，煤炭资源的消耗量占比高达7 0%以上，可以看出煤炭资源对我国国民经济的重要性。在煤炭资源开采过程中,存在诸多难题的困扰,其中坚硬顶板问题是矿井面临的重要难题，由于坚硬顶板的存在,使得巷道围岩变形量加剧,所以对于坚硬顶板进行治理对于我国煤矿开采十分重要1-2 。目前针对坚硬顶板的治理方案均为切顶卸压，切顶的措施可以为爆破切顶3 、静力切顶、水力切顶4,此前大多学者的研究主要集中在对爆破切顶方向的研究，对于水力切顶方案的研究较少,因此本文对水力压裂切顶卸压进行研究，利用数值模拟软件对不同压裂参数下的压裂效果进行分析,为矿井坚硬顶板的治理提供一定的参考与借鉴。1模型建立为了对不同压裂参数下压裂效果进行分析，首先建立模型，考虑到水力压裂模拟是一个多场耦合过程，不仅包括流固耦合，同时还存在岩石的扩展问题，所以针对建模分析十分复杂。为了更好地研究岩石起裂问题，引人cohesive单元，cohesive单元是一种能够描述单元内起裂、扩展、流动等问题的单元格形式，结构示意图如图1所示。153图1cohesive单元结构示意图由图1可以看出，二维孔隙压力cohesive单元共有6 个节点，其中单元的上下节点分别为1、2 和3、4。单元受外力作用，上下面节点发生位移，从而实现收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 7作者简介：茹卓伟（19 9 2 一），男，山西长治人，毕业于太原理工大学，本科，助理工程师，主要从事于采矿工程研究工作。山西冶金ShanxiMetallurgy不同压裂参数下水力压裂效果分析茹卓伟（山西省长治市长子县凌志达煤业有限公司，山西长治0 46 0 0 0）文献标识码：A破坏。在单元内部设置虚拟节点5 和6，虚拟节点的作用为注入压裂液，从而使得单元格按照虚拟节点的位置发生裂缝扩展，模拟起裂、扩展的过程。所建立模型的几何尺寸为10 0 0 mm1000mm，在模型的中间设置钻孔，钻孔的直径为7 5 mm,同时设定起裂角为6 0，对模型进行网格划分，网格划分时加入cohesive单元，在模型的钻孔附近进行细化分，在其余位置进行粗划分，以此完成模型网格划分。对模型的边界条件进行设置，固定模型上下、左右方向的位移，在模型的X方向施加最大水平应力，在Y方向施加最小水平应力，设定岩石的弹性模量为1.5101Pa，岩石的泊松比为0.2 5，流体泄露顶底系数均设定为-110-12,损伤黏性系数设定为0.0 0 0 1，间隙流黏性系数为0.0 0 1,由此完成模型的建立。2模拟分析对模型进行计算，应力差为2 MPa下水力压裂应力应变云图如2 所示。2-1应力(Pa)云图图2 应力差2 MPa下水力压裂应力、应变云图由图2 可以看出，水力压裂应力及应变云图均呈现对称分布特点,对称轴为模型中轴线。随着水力压4裂注浆压力逐步增大，在预制裂缝角位置出现应力集中，当应力值超过单元的抗拉强度时，此时裂缝起裂，随着高压水的不断注人，裂缝沿着起裂位置发生扩展，由于受水平应力差的影响，裂缝逐步向着垂直于最大水平应力发生偏转，最终形成平行于最大主应力Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.051文章编号：16 7 2-115 2(2 0 2 3)0 8-0 13 3-0 22-2应变云图u,Magnitude山西冶金134E-mail:第46 卷方向的裂缝，完成裂缝的起裂与扩展过程。观察2-1的应力云图可以看出，在预制裂缝位置的起裂压力为11.5MPa,同样的在预制尖端位置的位移变形量最大。为了更好地分析应力差对水力压裂效果的影响，对应力场2 MPa、3 M P a、4M P a、5 M P a 四种情况下的压裂效果进行对比分析，分别对裂缝宽度、压裂液流速两个参数进行分析，不同应力差下的裂缝宽度及液体流速对比曲线如图3 所示。0.15u/0.140.130.120.1110.0760.0740.0720.0700.0680.0660.0640.0620.0600.05813-2液体流速曲线图3 不同应力差下的裂缝宽度及液体流速对比曲线从图3 中可以看出，在不同应力差下，裂缝宽度及液体流速随着应力差的增大均呈现出逐步减小的趋势，应力差为2 MPa时，裂缝宽度及液体流速分别为0.15 mm和0.0 7 5 m/s，分别为四种应力差下的最大值，而当应力差增大至5 MPa时，裂缝宽度及液体流速分别为0.11mm和0.0 7 9 m/s,较应力差2 MPa时分别降低了0.0 4mm和0.0 0 4m/s。出现该现象的主要原因是随着应力差的增大，应力差对裂缝尖端的作用加强，裂缝起裂需要的压力减小，使得裂缝尖端的能量降低，在裂缝产生的瞬间释放的能量少，从而使得裂缝宽度及流速均呈现降低的趋势。同时对不同应力差下裂缝云图进行观察发现，随着应力差的增大，此时裂缝起裂后会迅速发生偏转，出现这一现象的原因是由于随着应力差的增大，此时最大水平主应力对裂缝扩展的限制作用增强，裂缝会沿着更加容易发生扩展的方向偏转，从而出现这一现象。考虑到岩石滤失的问题,压裂液黏度同样是影响压裂效果的重要因素,所以对不同压裂液黏度下的压裂效果进行分析,选定压裂液黏度为1mPas、10 mP a s、40mPas、7 0 m P a s 和10 0 mPas共5 种情况，分别对5种压裂液黏度下的裂缝宽度及流速进行分析，不同压裂液黏度下裂缝宽度及液体流速曲线如图4所示。从图4可以看出，随着压裂液黏度的不断增大,液0.0720.0710.0700.0690.0680.0670.0660.0650.0640.063020406080100压裂液黏度/(mPas)4-1裂缝宽度曲线图4不同压裂液黏度下裂缝宽度及液体流速曲线体流速与裂缝宽度均呈现逐步增大的趋势。当压裂液黏度为1mPa?s时，液体流速为0.0 6 4m/s,裂缝宽度为0.115 mm；当压裂液黏度增大至10 0 mPas时，裂缝23水平应力差/MPa3-1裂缝宽度曲线123水平应力差/MPa0.220.200.180.160.140.120.1004-2液体流速曲线454520406080100压裂液黏度/(mPas)6宽度及液体流速分别为0.2 1mm、0.0 7 1m/s，相比较黏度1mPas分别增大了0.0 0 7 m/s和0.0 9 5 mm。出现这一现象的原因是随着压裂液黏度的增大，液体的滤失量减小，裂缝尖端的能量积累量增大，在裂缝起裂瞬间释放的能量增多,从而出现随着压裂液黏度增大，液体流速与裂缝宽度均呈现逐步增大的趋势。通过观察图4曲线可以看出，随着随着压裂液黏度的增大，液体流速与裂缝宽度增大的趋势逐渐减缓，这是6由于在压裂液黏度从1mPas增大到10 0 mPas的过程中，滤失损失的能量虽然不断减小，但减小的趋势逐渐减缓，从而使得裂缝宽度及液体流速呈现出逐步减缓的增大趋势。3结论1)对水力压裂过程进行模拟,发现随着注浆压力的增大，在预制裂缝角位置出现应力集中，当应力值超过单元的抗拉强度时裂缝起裂，并向着最大主应力方向偏转扩展。2)对不同应力差下的裂缝宽度及流体流速进行分析，发现裂缝宽度及液体流速随着应力差的增大均呈现逐步减小的趋势。3)对不同压裂液黏度下的裂缝宽度及流体流速进行分析，发现随着压裂液黏度的增大，裂缝宽度及液体流速均呈现逐步增大的趋势。参考文献1曹东升.煤矿井下水力压裂技术在围岩控制中的应用分析J.能源与节能,2 0 2 3(2)：17 7-18 0.2 张家伟，刘向君，熊健，等.双井同步压裂裂缝扩展规律离散元模拟J.油气藏评价与开发，2 0 2 3(2)：1-15.3 焦世雄.高压水力压裂技术在坚硬顶板弱化控制中的应用J.山东煤炭科技,2 0 2 3,41(1）：5 5-5 7.4霍晶晶.水力压裂增渗技术在低透气性煤层的应用J.山东煤炭科技,2 0 2 2,40(12)：9 1-9 4.（编辑：武倩倩）（下转第15 8 页）山西冶金158E-mail:3结论1)高Ti负荷和高zn负荷条件下,可适当放宽对一级品率的要求，走“低硅钛+高硫的生产组织模式。2)炉缸有堆积迹象后，尤其要保证中心气流，防止中心排Zn不畅，造成高炉zn富集，造成炉墙结厚，若风口容易灌渣，说明炉缸情况已经很差，要抓紧用锰矿洗炉。3)炉况若已经恶化，要从原料端着手，降低人炉Ti负荷和Zn负荷，为炉况处理创造条件。4)通过降料线操作能将黏结物根部裸露出来，进而将黏结物处理掉，可以减小处理炉况的难度，黏结物脱落后要加足够量的净焦和萤石，防止炉?。5)堵风口的原则：针对彻底不接受风量的炉况，Practice of Treating the Stacking of the Hearth and Wall Thickness of the No.2 Blast FurnaceChen Lijie,Yan Bin,Fan Liyan,Liu Baoyang,Ren Zemin(Jingye Steel Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 050409,China)Abstract:Due to the limitations of raw material conditions,the Ti and Zn loads of the No.2 blast furnace are high,with a Ti load of up to23.30 kg/t and a Zn load of up to 1.92 kg/t.The high Ti load leads to frequent accumulation,turnover,and suspension of materials in thefurnace hearth,slow material speed,and high top temperature.In addition,the high Zn load causes the accumulation of gas in the furnacehearth to hinder the flow of Zn in the center,resulting in the thickening of the furnace wall in the middle of the furnace body.In response tothese problems in the furnace condition,the reasons for the accumulation of furnace hearth and the thickening of furnace walls are analyzedin detail,and the furnace is washed according to the starting material to gradually improve the furnace condition.Key words:Ti load;Zn load;stove accumulation;furnace wall thickening;start-up charge