碎软煤层韧性破坏-渗流耦合研究及间接压裂工程应用

"本文主要探讨了碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系在间接压裂技术中的应用及工程验证。通过理论分析和实验研究，建立了适用于碎软低渗煤层的韧性破坏-渗流(DF-S)耦合本构方程组，并进行了数值模拟，以揭示水力裂缝在不同因素影响下穿透煤岩界面的规律。" 在煤炭开采和煤层气提取中，间接压裂是一种有效提升地面井煤层气产量的技术，其关键在于能否通过顶板水力裂缝穿透煤岩界面进入煤层。为了理解和优化这一过程，研究者们深入研究了碎软低渗煤层的韧性破坏和渗流耦合特性。他们将二维的Park-Paulino-Roesler势能函数拓展至三维应力空间，结合立方定律，建立了煤结构面的韧性断裂与裂缝切向渗流的关系。同时，利用Helmholtz自由能表达式描述煤基质在塑性变形和拉、压损伤下的行为，结合达西定律，推导出了考虑渗透系数和滤失系数的本构方程。 在数值模拟中，煤基质和结构面被赋予不同的力学属性，通过实体单元和零厚度的黏聚力单元来模拟，通过共享节点实现应力-渗流的耦合。实验数据用于识别材料参数，并通过水力压裂实验验证了DF-S耦合本构方程组的合理性。模拟结果显示，DF-S本构方程组能有效反映间接压裂过程中的耦合响应特征，而煤岩界面的摩擦因数、水平井与界面的间距以及垂直与最小水平地应力之差都是影响水力裂缝扩展的重要因素。 研究发现，煤岩界面的存在显著阻碍了水力裂缝的扩展，这主要归因于水力压裂引起的煤结构面韧性断裂、煤基质塑性损伤以及压裂液滤失导致的能量损耗。在特定条件下，只有约2%的水力能量用于裂缝扩展。进一步的数值模拟表明，临界界面摩擦因数与间距D呈正相关，与Δσ呈负相关，D的影响更为显著。控制D在1米以内可能使18%~30%的水力能量用于裂缝扩展，从而提高间接压裂的成功率。 这些研究成果在山西晋城矿区赵庄矿的实际应用中得到了验证，为碎软煤层地面井的间接压裂提供了理论指导和技术支持，有助于优化压裂设计，提高煤层气开采效率。