穿层钻孔水力压裂裂缝扩展：力学分析与方向预测

"张飞等人在《矿业安全与环保》2015年第42卷第5期中，探讨了穿层钻孔水力压裂过程中裂缝平面起裂扩展方向的力学分析及其应用。他们指出，低渗透煤层的水力压裂受到多种因素影响，导致钻孔起裂方向不确定。通过理论分析和数值模拟，他们发现钻孔起裂方向与y方向和x方向应力的比值k密切相关。当k小于1时，裂缝沿x方向扩展；k等于1时，起裂方向不确定；而k大于1时，裂缝则在y方向形成。这些研究结果对于优化煤矿井下压裂孔的设计布局具有指导意义。该研究被归类于TD712，具有较高的文献价值，并在网络平台上公开发布。" 这篇科研文章深入研究了在低渗透煤层中实施水力压裂技术的关键问题——穿层钻孔的裂缝起裂和扩展方向。水力压裂是一种通过高压注入液体来创造或扩大地层裂缝，从而提高煤层气或油气的采收率的方法。然而，在实际操作中，由于煤岩层的物理力学性质和地应力分布的复杂性，预测钻孔周围裂缝的发展路径是一个挑战。 作者通过理论推导，建立了应力状态与裂缝起裂方向的关系模型，引入了关键参数k，它表示y方向应力与x方向应力的比例。这个模型揭示了不同k值下的裂缝扩展行为：当k小于1，表明x方向上的应力相对较大，裂缝倾向于沿着x轴方向发展；而当k大于1时，y方向应力占主导，裂缝会在y方向上启动。特别地，当k等于1，意味着两种方向上的应力相等，起裂方向变得不确定，可能沿多个方向发生。 为了验证理论模型，作者还运用数值模拟方法，对钻孔周围的应力场进行详细分析，进一步确认了理论推导的正确性和实用性。这些研究成果不仅有助于理解煤层压裂过程中的力学机制，也为煤矿井下压裂孔的设计提供了科学依据，能够有效地指导实际操作，以优化压裂效果，降低不确定性风险。 通过这样的研究，工程师可以更准确地预测和控制水力压裂过程中的裂缝形成，从而提高压裂效率，减少不必要的成本，并可能减少对周围环境的潜在影响。这一研究的实用价值在于为煤矿企业提供了决策支持，帮助他们在实施水力压裂作业时制定更精确的钻孔布局策略。