地应力与煤岩水力裂缝扩展研究

"煤岩水力裂缝扩展规律试验研究" 该研究主要关注煤岩中的水力裂缝扩展行为，这是石油和天然气开采以及地质工程领域中的一个重要问题。研究使用了一个大尺寸（300 mm×300 mm×300 mm）的真三轴试验系统，针对沁水盆地高煤阶煤岩进行实验，旨在了解地应力、天然割理裂缝、隔层以及界面性质如何影响水力裂缝的扩展和形态。 实验结果显示，天然存在的割理和裂缝会显著影响煤岩的水力压裂施工。由于这些自然结构的存在，施工压力会增高且波动频繁，导致水力裂缝的扩展变得不稳定，其形态也十分复杂。当水平主应力差较小的情况下，裂缝可能在多个方向启动并延伸，形成多条随机沿着天然割理和裂缝方向扩展的裂缝。然而，随着水平主应力差的增大，水力裂缝倾向于沿着垂直于最小水平主应力的方向扩展，使得裂缝形态趋于单一。 进一步的研究发现，煤层与隔层之间的物理性质差异，如弹性模量，并不是决定水力裂缝是否能穿透隔层的关键因素。相反，隔层上的垂直压应力和界面性质起到决定性作用。当垂向应力较低且界面胶结强度不强时，摩擦因数较小，这可能导致水力裂缝在界面处产生横向滑移，从而难以穿透隔层。相反，如果垂向应力较大且界面胶结强度高，摩擦因数增大，水力裂缝则更容易穿越界面进入隔层进行扩展。 这项研究对于理解和优化煤层气开采、地质灾害预防以及地下资源的高效利用具有重要意义。它揭示了地应力条件、煤岩结构特征以及隔层性质对水力裂缝扩展的深刻影响，为未来的设计和操作提供了理论依据。通过更深入的理论分析和现场应用，这些发现可以促进更精确的压裂设计，提高能源开采效率，并减少潜在的环境风险。