水力裂縫在煤巖界面處穿層擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬

李浩哲，姜在炳，舒建生，范 耀,2，杜天林

水力裂縫在煤巖界面處穿層擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬

李浩哲1，姜在炳1，舒建生1，范 耀1,2，杜天林1

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

為研究水力壓裂裂縫在煤層與頂板界面處的穿層擴(kuò)展規(guī)律，在分析煤巖界面性質(zhì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元法研究煤巖界面處裂縫從頂板起裂后的延伸情況，探討了相關(guān)地質(zhì)參數(shù)和施工參數(shù)對(duì)裂縫跨界面穿層擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明：地質(zhì)因素中的地應(yīng)力、煤巖界面強(qiáng)度為煤巖界面處裂縫能否穿層擴(kuò)展的主要影響因素，垂向應(yīng)力差異系數(shù)越大、界面抗剪切強(qiáng)度越大，越有利于裂縫穿層擴(kuò)展溝通煤層；煤層與頂板間的彈性模量差異、抗拉強(qiáng)度差異是裂縫從頂板穿層進(jìn)入煤層的有利因素；現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工應(yīng)根據(jù)地層情況選擇合適的施工參數(shù)(排量、注入點(diǎn)與界面的距離)以促進(jìn)裂縫穿層擴(kuò)展。研究成果能夠?yàn)槊簩禹敯宸侄螇毫阉骄孛婷簩託飧咝С椴杉夹g(shù)的應(yīng)用提供參考。

水力裂縫；煤巖界面；穿層壓裂；裂縫擴(kuò)展規(guī)律；數(shù)值模擬

緊鄰煤層頂板巖層分段壓裂水平井技術(shù)是近年來(lái)提出的新型地面煤層氣抽采工藝[1-3]，通過(guò)將水平井布置在煤層頂板中并實(shí)施分段壓裂，在溝通下部煤層的同時(shí)造長(zhǎng)縫，達(dá)到提高壓裂改造效果、提高地面煤層氣抽采效率的目的。實(shí)踐證明，該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碎軟低滲煤層[4-5]、軟硬復(fù)合煤層[6]煤層氣高效抽采的有效途徑，而其關(guān)鍵是水力裂縫從頂板起裂后穿層擴(kuò)展溝通煤層。

水力壓裂裂縫在地層界面處的延伸形態(tài)較為復(fù)雜。M. L. Cooke等[7]、H. Wu等[8]、趙海峰等[9]認(rèn)為裂縫在地層界面處可能發(fā)生穿層擴(kuò)展、沿界面擴(kuò)展、尖滅等延伸行為；M. J. Altammar等[10]在實(shí)驗(yàn)中觀察到裂縫在界面處可能的擴(kuò)展行為包括穿層擴(kuò)展、在界面另一側(cè)形成新裂縫、拐折擴(kuò)展以及沿界面擴(kuò)展等；武鵬飛等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，水力裂縫到達(dá)煤巖界面時(shí)可能形成貫穿型、止裂型、偏轉(zhuǎn)型裂縫。水力壓裂裂縫在界面處延伸行為同時(shí)受到多種因素的影響，A. A. Daneshy[12]的實(shí)驗(yàn)表明，層間膠結(jié)強(qiáng)度高有利于裂縫穿層；李丹瓊等[13]、孟尚志等[14]、Tan Peng等[15]開(kāi)展真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究地應(yīng)力、天然裂縫、彈性模量差異等因素對(duì)裂縫穿層延伸的影響；巫修平[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，在合理設(shè)定水平井與煤層頂部距離和泵注排量的條件下，壓裂裂縫能夠?qū)崿F(xiàn)穿層擴(kuò)展；姜玉龍等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)軸向載荷與最小水平主應(yīng)力差值大于6 MPa時(shí)，水力裂縫能夠跨界面擴(kuò)展進(jìn)入煤體。目前，對(duì)于裂縫在地層界面處的擴(kuò)展主要針對(duì)砂泥巖界面，對(duì)于煤巖界面的研究較少，并且相關(guān)施工因素對(duì)于裂縫穿層擴(kuò)展的影響規(guī)律研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

在前人研究認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，筆者通過(guò)分析煤巖界面的性質(zhì)，進(jìn)而建立水力壓裂裂縫在煤巖界面處延伸的二維有限元計(jì)算模型，并在驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，研究地應(yīng)力、界面強(qiáng)度、煤層抗拉強(qiáng)度、彈性模量差異等地質(zhì)因素和排量、注入點(diǎn)距煤層頂面距離等施工因素對(duì)裂縫穿層擴(kuò)展的影響。

1 煤層與頂板界面性質(zhì)表征

對(duì)于裂縫在煤層與頂板界面處延伸行為的數(shù)值模擬，界面性質(zhì)的表征十分重要。在巖石力學(xué)中，通常將巖體中的各種地層界面抽象為結(jié)構(gòu)面。巖石結(jié)構(gòu)面按地質(zhì)成因可分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面[18]。煤層與頂板間的界面即屬于原生結(jié)構(gòu)面中的沉積結(jié)構(gòu)面。在實(shí)際地面鉆井過(guò)程中，含有煤層與頂板界面的巖樣較難獲取，對(duì)于煤體結(jié)構(gòu)碎軟的煤層尤其如此。煤巖界面取心結(jié)果表明[19]，煤巖界面形狀不規(guī)則，并且界面兩側(cè)巖性差異明顯。

界面的巖石力學(xué)性質(zhì)主要包括法向變形、切向變形以及界面的抗剪切強(qiáng)度[20]。表1給出了部分實(shí)測(cè)沉積結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)[19,21-22]。從表中可以看出：對(duì)于不同的沉積結(jié)構(gòu)面，內(nèi)聚力較低且一般法向剛度大于切向剛度，即界面更易發(fā)生剪切變形破壞；此外，界面兩側(cè)巖性和巖石力學(xué)性質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)也不同。

對(duì)于界面的抗剪切強(qiáng)度，Li Wenfeng等[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)界面垂向應(yīng)力較小時(shí)，其抗剪切強(qiáng)度主要受到界面摩擦因數(shù)的影響，當(dāng)垂向應(yīng)力較大時(shí)，界面性質(zhì)主要由界面兩側(cè)巖石力學(xué)性質(zhì)差異決定。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面的抗剪切強(qiáng)度可以采用庫(kù)倫準(zhǔn)則表征：

式中：為煤巖界面的內(nèi)聚力，MPa；為界面摩擦因數(shù)，無(wú)因次；n為作用于煤巖界面上的法向應(yīng)力，MPa。

當(dāng)煤巖界面發(fā)生剪切變形時(shí)，剪切應(yīng)力先逐漸上升，當(dāng)達(dá)到剪應(yīng)力峰值后，其抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并最終穩(wěn)定為殘余剪切應(yīng)力。為準(zhǔn)確反映界面的抗剪切特性，在數(shù)值模擬模型中采用零厚度黏結(jié)單元層對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行表征[23-24]。

表1 部分沉積巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)

2 水力壓裂裂縫擴(kuò)展計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模擬模型

采用有限元分析軟件ABAQUS模擬裂縫的穿層擴(kuò)展過(guò)程。數(shù)值模擬中采用Cohesive單元預(yù)設(shè)裂紋擴(kuò)展路徑，應(yīng)用應(yīng)力–滲流–損傷耦合模型來(lái)模擬水壓致裂裂縫擴(kuò)展過(guò)程。

建立的二維數(shù)值模擬模型如圖1所示。模型在寬度方向、長(zhǎng)度方向的尺寸分別為20 m和15 m。在方向上，模型上部為頂板，厚度為10 m，下部為煤層，厚度為5 m，中部為煤巖界面。在方向，模型對(duì)稱(chēng)。邊界條件：方向施加最小水平應(yīng)力，方向施加垂向應(yīng)力。模型中共插入4個(gè)零厚度黏結(jié)單元層，其中頂板內(nèi)2個(gè)，用于表征頂板內(nèi)可能形成的垂直縫和水平縫；界面層1個(gè)，用于表征煤巖界面；煤層內(nèi)1個(gè)，用于表征煤層內(nèi)的水力裂縫。

井筒沿方向，井筒及注入點(diǎn)位于煤層頂板中，注入點(diǎn)距離煤層頂部2 m。采用垂直向下定向射孔，射孔孔眼長(zhǎng)度為0.2 m。此外，采用變密度網(wǎng)格劃分方法，對(duì)黏結(jié)單元層附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

圖1 水力壓裂數(shù)值模擬模型

2.2 模型參數(shù)

計(jì)算模型中的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2，主要包括巖石力學(xué)參數(shù)、孔隙率、滲透率、地應(yīng)力等。煤層壓裂施工主要采用清水壓裂，壓裂液相關(guān)參數(shù)按照水的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，壓裂液注入排量10 m3/min。為研究相關(guān)參數(shù)對(duì)裂縫穿層延伸的影響，其中一些參數(shù)可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。

表2 計(jì)算模型參數(shù)

由于鉆井過(guò)程中，包含煤層與頂板界面的巖樣較難獲取，因此，結(jié)合前人研究成果(表1)確定煤層與頂板界面相關(guān)參數(shù)。由于界面內(nèi)聚力較低，在數(shù)值模擬中假定界面內(nèi)聚力為0，界面的抗剪切強(qiáng)度采用庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。表征裂縫與界面的黏結(jié)單元層相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 黏結(jié)單元參數(shù)

2.3 模型驗(yàn)證

將模型計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典理論解對(duì)比，對(duì)模型的正確性與模型網(wǎng)格的精度進(jìn)行驗(yàn)證。本文中的模型為二維平面應(yīng)變模型，與KGD模型假設(shè)條件相同。KGD模型中計(jì)算裂縫半縫長(zhǎng)及注入點(diǎn)縫寬的計(jì)算方程[25]為：

式中：為裂縫半縫長(zhǎng)，m；為巖石剪切模量，Pa；為巖石泊松比；為壓裂液黏度，Pa·s；為注入單翼裂縫的壓裂液排量，m3/s；o為注入點(diǎn)縫寬，m；為壓裂液注入時(shí)間，s。

為了使數(shù)值模擬結(jié)果與KGD模型計(jì)算結(jié)果具有可比性，增大數(shù)值模型中的界面層黏結(jié)單元的強(qiáng)度，使其不發(fā)生剪切或張性破壞，并且模型均采用頂板的巖石力學(xué)性質(zhì)，以表2和表3中的地層參數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算裂縫長(zhǎng)度、注入點(diǎn)處裂縫寬度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖2所示。在裂縫延伸初期，KGD模型半縫長(zhǎng)和縫寬均略大于模擬結(jié)果，而后期吻合較好，證明了數(shù)值模擬模型設(shè)置、網(wǎng)格劃分及邊界條件的正確性。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果與KGD模型對(duì)比

3 裂縫穿層擴(kuò)展影響因素

3.1 地層參數(shù)的影響

3.1.1 垂向應(yīng)力差異系數(shù)

地應(yīng)力是水力壓裂裂縫在地層中擴(kuò)展的重要影響因素。定義垂向應(yīng)力差異系數(shù)為：

式中：v為垂向應(yīng)力，MPa；h為最小水平應(yīng)力，MPa。

本文模擬了當(dāng)垂向應(yīng)力分別為17、12、8、4 MPa(對(duì)應(yīng)的垂向應(yīng)力差異系數(shù)分別為1.43、0.71、0.14、–0.43)時(shí)的裂縫延伸情況。模擬過(guò)程中，煤層及頂板最小水平主應(yīng)力保持不變，裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖3所示，圖例為裂縫寬度，單位為m。為了清楚地觀察裂縫形態(tài)，將圖中裂縫放大100倍。從圖中可以看出，地應(yīng)力差異系數(shù)越大，越有利于裂縫在垂向上穿層擴(kuò)展。當(dāng)垂向應(yīng)力小于水平應(yīng)力(4 MPa)或與水平應(yīng)力較為接近(8 MPa)時(shí)，裂縫在頂板內(nèi)起裂后主要形成水平縫并在頂板內(nèi)延伸，未能進(jìn)入煤層。對(duì)于垂向應(yīng)力較大的情況(12、17 MPa)，頂板內(nèi)形成垂直縫，裂縫到達(dá)界面處時(shí)順利實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展溝通煤層。因此，較大的垂向應(yīng)力差異系數(shù)有利于裂縫從頂板進(jìn)入下部煤層。

3.1.2 界面強(qiáng)度

當(dāng)界面抗剪切強(qiáng)度分別為0.5、1、2、2.5、5.5 MPa時(shí)，研究相應(yīng)條件下的裂縫擴(kuò)展形態(tài)(圖4)。結(jié)果表明，若界面抗剪切強(qiáng)度小于1 MPa，裂縫到達(dá)界面時(shí)，界面發(fā)生剪切破壞，由于垂向應(yīng)力較大，部分裂縫沿界面擴(kuò)展，主要裂縫向上部頂板中延伸。當(dāng)界面強(qiáng)度中等(2 MPa和2.5 MPa)時(shí)，裂縫尖端到達(dá)界面處后，界面發(fā)生局部破壞，裂縫內(nèi)部憋壓后裂縫仍可實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展。而當(dāng)界面抗剪切強(qiáng)度較大(5.5 MPa)時(shí)，裂縫可直接跨界面延伸。對(duì)于界面抗剪切強(qiáng)度分別為2、2.5、5.5 MPa的情況，裂縫延伸進(jìn)入煤層的時(shí)間分別為0.672 2、0.534 4、0.225 6 s，穩(wěn)定的煤巖界面有利于裂縫從頂板向煤層延伸。

圖3 不同垂向應(yīng)力差異系數(shù)條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)

圖4 不同界面強(qiáng)度條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)

3.1.3 抗拉強(qiáng)度差異

統(tǒng)計(jì)表明，與煤層相比，頂板具有更高的強(qiáng)度。當(dāng)煤層抗拉強(qiáng)度(2)為頂板抗拉強(qiáng)度(1)的1/5、1/3和1/2時(shí)裂縫擴(kuò)展形態(tài)如圖5所示。對(duì)于文中研究的3種情況，裂縫均可順利實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展，并且抗拉強(qiáng)度差異越大，裂縫越易實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展，頂板內(nèi)無(wú)效裂縫也越短。研究表明，裂縫更傾向于從高強(qiáng)度的巖層進(jìn)入低強(qiáng)度的巖層中擴(kuò)展，因此，頂板與煤層間的強(qiáng)度差異是裂縫從頂板進(jìn)入煤層的有利因素。此外，對(duì)于文中所模擬的3種情況，裂縫穿層擴(kuò)展的時(shí)間均為0.225 6 s，因此，對(duì)于煤層與頂板界面，煤層的抗拉強(qiáng)度主要影響裂縫穿層后在煤層內(nèi)延伸的難易程度，而對(duì)裂縫跨界面穿層過(guò)程影響較小。

3.1.4 彈性模量差異

統(tǒng)計(jì)表明，頂板與煤層相比具有更大的彈性模量。保持頂板彈性模量不變，通過(guò)改變煤層的彈性模量，研究煤層與頂板彈性模量差異對(duì)裂縫穿層擴(kuò)展的影響。當(dāng)煤層的彈性模量(2)分別為頂板彈性模量(1)的1/6、1/4、1/2時(shí)，裂縫從頂板起裂后均可實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展(圖6)，因此，彈性模量差異并不能阻止裂縫從頂板向煤層中延伸。煤層彈性模量越小，意味著其塑性越強(qiáng)，煤層內(nèi)的裂縫越寬，裂縫延伸越慢。對(duì)于文中研究的3種情況，裂縫穿層擴(kuò)展的時(shí)間分別為0.225 6、0.226 4、0.228 6 s，彈性模量差異越大，越有利于裂縫快速穿過(guò)界面進(jìn)入煤層。因此，對(duì)于水力壓裂裂縫在煤巖界面處擴(kuò)展的情況，頂板與煤層間的彈性模量差異是裂縫穿層擴(kuò)展的有利因素。

圖5 不同煤層抗拉強(qiáng)度條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)

圖6 不同彈性模量差異條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)

3.2 施工參數(shù)的影響

3.2.1 排量

壓裂時(shí)不同的壓裂液排量能夠?yàn)榱芽p延伸提供不同的凈壓力。當(dāng)壓裂液注入排量為4、7、10、14、17 m3/min時(shí)，裂縫從頂板起裂后的擴(kuò)展形態(tài)如圖7a所示。在5種排量條件下，裂縫均可跨過(guò)煤巖界面實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展，但是裂縫穿層擴(kuò)展時(shí)間差別較大，按排量由小到大，其穿層時(shí)間依次為0.679 6、0.405 8、0.225 6、0.217 2、0.154 3 s。對(duì)于較大的壓裂液排量，裂縫可盡快穿過(guò)煤巖界面進(jìn)入煤層。

對(duì)于不同的排量，當(dāng)裂縫尖端距離界面0.20 m時(shí)，繪制了裂縫右側(cè)煤巖界面上各點(diǎn)所受到的剪切應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)的峰值剪切應(yīng)力(剪切應(yīng)力絕對(duì)值的最大值)，分別如圖7b和7c所示。從圖中可以看出，注入排量越大，當(dāng)裂縫接近煤巖界面時(shí)，界面各點(diǎn)所受的剪切應(yīng)力也越大，峰值剪切應(yīng)力也越大。若界面強(qiáng)度較弱，界面可能發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞，不利于裂縫穿層擴(kuò)展。當(dāng)排量為4~7 m3/min時(shí)，剪切應(yīng)力較小，但裂縫穿層擴(kuò)展所需時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)排量超過(guò)14 m3/min時(shí)，剪切應(yīng)力迅速增大，不利于裂縫進(jìn)入煤層。對(duì)于文中相關(guān)參數(shù)條件，綜合考慮壓裂施工規(guī)模和界面所受剪應(yīng)力情況，建議壓裂液注入排量控制在10~14 m3/min。

3.2.2 注入點(diǎn)距煤層頂面距離

當(dāng)注入點(diǎn)距煤層頂面距離從0.5 m增大至5.0 m時(shí)，裂縫的穿層擴(kuò)展情況如圖8a所示。從圖中可以看出，對(duì)于本文中的相關(guān)參數(shù)，在不同距離的條件下，裂縫均可實(shí)現(xiàn)穿層擴(kuò)展。但是隨著注入點(diǎn)距離的增大，頂板內(nèi)的裂縫高度也逐漸增大，裂縫穿層擴(kuò)展時(shí)間逐漸延后(裂縫穿層擴(kuò)展時(shí)間分別為0.076 3、0.118 1、0.199 2、0.225 6、0.498 5、0.636 2、0.757 9 s)，為實(shí)現(xiàn)裂縫穿層擴(kuò)展需要注入更多的壓裂液，意味著壓裂成本和無(wú)效投入的增加。

對(duì)于不同的注入點(diǎn)位置，當(dāng)裂縫尖端距離煤層0.20 m時(shí)，獲得模型右側(cè)界面上各點(diǎn)所受的剪應(yīng)力如圖8b所示，對(duì)應(yīng)峰值剪應(yīng)力的絕對(duì)值如圖8c所示。從圖中可以看出，當(dāng)注入點(diǎn)距煤層頂面距離小于3 m時(shí)，隨著距離的增大，峰值剪切應(yīng)力的絕對(duì)值也逐漸增大，易使界面發(fā)生破壞。當(dāng)距離大于3 m時(shí)，峰值剪切應(yīng)力的大小隨著距離的增大有所減小，但是裂縫延伸對(duì)界面的影響范圍大幅增加。

從裂縫穿層擴(kuò)展的角度分析，若界面強(qiáng)度較低，建議射孔時(shí)孔眼溝通煤層；若界面穩(wěn)定，可根據(jù)鉆井施工情況適當(dāng)增大注入點(diǎn)與煤層頂面距離。

圖7 不同排量條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)及界面受力情況

圖8 不同距離條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)及界面受力情況

4 工程應(yīng)用

根據(jù)本文的數(shù)值模擬結(jié)果開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。L井為一口煤層頂板水平井，水平井布置在煤層頂板砂質(zhì)泥巖層內(nèi)，由于目標(biāo)煤層煤體結(jié)構(gòu)為碎粒煤至糜棱煤，在煤層中鉆進(jìn)難度大，因此，采用煤層頂板分段壓裂水平井技術(shù)抽采下部煤層中煤層氣。

根據(jù)測(cè)井和試井結(jié)果，煤層埋深為723.92~ 732.61 m，煤層孔隙壓力6.0 MPa，為欠壓儲(chǔ)層。煤層頂板砂質(zhì)泥巖彈性模量2.60 GPa，泊松比0.27，垂向應(yīng)力16.95 MPa，最小水平主應(yīng)力8.97 MPa，目標(biāo)煤層彈性模量0.72 GPa，泊松比0.40，煤層垂向應(yīng)力17.09 MPa，最小水平主應(yīng)力7.81 MPa。

首先采用本文的數(shù)值模擬方法，研究水力壓裂施工時(shí)裂縫穿層延伸溝通煤層的可行性。結(jié)果表明，在井筒距煤層頂部2 m、施工排量10 m3/min的條件下，當(dāng)界面摩擦因數(shù)大于等于0.15時(shí)，裂縫從頂板起裂后可穿層擴(kuò)展溝通井筒與下部煤層。并且對(duì)于界面摩擦因數(shù)較小(小于0.10)的情況，只要射孔孔眼能夠穿過(guò)界面進(jìn)入煤層，水力壓裂過(guò)程中裂縫起裂后也可穿層擴(kuò)展溝通下部煤層。

L井水平段鉆進(jìn)時(shí)采用精確地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，井眼軌跡控制在距煤層頂面0.5~1.5 m以?xún)?nèi)，水平段長(zhǎng)度590 m，應(yīng)用橋塞–射孔聯(lián)作水平井分段壓裂工藝，分7段壓裂，射孔時(shí)采用深穿透向下定向射孔誘導(dǎo)裂縫向下延伸，射孔位置選擇距煤層頂部較近且界面較為穩(wěn)定的井段。壓裂施工累計(jì)注入壓裂液6 627 m3，累計(jì)加砂543 m3。第一段壓裂的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，壓裂裂縫產(chǎn)狀為垂直縫，裂縫高度為20.5 m，證明裂縫在縱向上實(shí)現(xiàn)了穿層擴(kuò)展溝通了下部煤層。該井產(chǎn)氣效果如圖9所示，自2015年1月投產(chǎn)后，日產(chǎn)氣在1萬(wàn) m3以上超過(guò)100 d，截至目前，累計(jì)產(chǎn)氣超過(guò)600萬(wàn)m3，取得了良好的煤層氣開(kāi)發(fā)效果，再次證明水力壓裂形成的裂縫能夠?yàn)槊簩託饬鲃?dòng)提供有效通道。

圖9 L井產(chǎn)氣效果

5 結(jié)論

a.采用黏結(jié)單元法模擬煤巖界面處裂縫從頂板起裂后的穿層延伸情況，分析了相關(guān)地質(zhì)參數(shù)和施工參數(shù)對(duì)裂縫穿層延伸的影響。

b.對(duì)于地質(zhì)參數(shù)，垂向應(yīng)力差異系數(shù)越大、界面抗剪切強(qiáng)度越大，越有利于裂縫穿層擴(kuò)展溝通煤層，對(duì)于煤層與頂板界面，煤層與頂板間彈性模量差異、抗拉強(qiáng)度差異對(duì)裂縫穿層延伸為有利因素。

c.現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂施工應(yīng)根據(jù)地層條件選擇合適的施工參數(shù)(排量、注入點(diǎn)與界面的距離)，尤其是對(duì)于界面強(qiáng)度較低的情況，建議控制注入排量和注入點(diǎn)距離。

d.后期可結(jié)合工程實(shí)踐，進(jìn)一步驗(yàn)證不同地層條件下相關(guān)因素對(duì)裂縫穿層延伸的影響規(guī)律。

請(qǐng)聽(tīng)作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

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Numerical simulation of layer-crossing propagation behavior of hydraulic fractures at coal-rock interface

LI Haozhe1, JIANG Zaibing1, SHU Jiansheng1, FAN Yao1,2, DU Tianlin1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China;2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Based on the analysis of coal-rock interface, the vertical propagation behavior of hydraulic fractures at coal-roof interface was studied by using finite element method. The influence of some geological and engineering factors on fracture layer-crossing behavior was analyzed. Results have shown that in-situ stress and shear strength of coal-rock interface are the two main factors affecting the fracture propagation at the coal-rock interface. Greater vertical stress difference coefficient and interfacial shear strength make fractures more easier for crossing the interface. Meanwhile, the difference of elastic modulus and tensile strength between coal and rock has less effect on the fracture vertical propagation behavior. Besides, proper engineering parameters(mainly pump rate and the distance between injection point and interface) can promote fracture to cross the interface. Research results can provide a reference for the application of “multi-stage hydraulic fracturing horizontal well in roof” technology in surface CBM extraction.

hydraulic fracture; coal-rock interface; layer-crossing fracturing; fracture propagation behavior; numerical simulation

TE35

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.017

1001-1986(2020)02-0106-08

2019-08-15；

2019-12-11

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2016ZX05045-002)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51874349)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYZD10-1)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2018-TD-QN049)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002)；National Natural Science Foundation of China(51874349)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD10-1)；Science and Technology Innovation Special Fund of Tiandi Technology Co. Ltd.(2018-TD-QN049)

李浩哲，1990年生，男，河南洛陽(yáng)人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槊簩託忾_(kāi)發(fā)與儲(chǔ)層改造.E-mail：lihaozhe2012@126.com

李浩哲，姜在炳，舒建生，等. 水力裂縫在煤巖界面處穿層擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：106–113.

LI Haozhe，JIANG Zaibing，SHU Jiansheng，et al. Numerical simulation of layer-crossing propagation behavior of hydraulic fractures at coal-rock interface[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：106–113.

(責(zé)任編輯 范章群)