CN104807702A - 一种煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，通过在压裂钻孔的裸孔段侧壁上粘贴应变片，实时监测水力压裂过程的孔壁应变信息和水压变化信息，得到孔壁应变-水压曲线，进而从细观角度分析煤岩体水力压裂的动态发展过程。

Description

一种煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，尤其适用于实验室开展的煤体、页岩体及含瓦斯煤水力压裂试验。

背景技术

井下水力压裂强化煤层瓦斯抽采是低透气煤层瓦斯治理的一种有效手段，由于压裂范围大、增透效果好，在我国多个矿区得到应用。同时，由于我国多数矿区已进入深部开采，深部煤层透气性更低，瓦斯抽采的难度更大。结合我国当前技术经济条件，水力压裂提高煤层透气性是最经济的瓦斯治理技术措施之一。而且对于单一赋存煤层，水力压裂技术也是提高渗透率和水、气导流能力最为重要的技术措施之一。

在水力压裂的实验研究方面，国内已有的装置及方法主要侧重于煤岩体水力压裂的起裂压力、裂纹扩展等起裂规律方面的研究。所采用的方法主要有声发射监测、水压监测或电阻率监测等。但是，声发射监测的是煤体出现裂隙的信息，是煤体发生损伤后的表现；而水压监测的信息虽然能够反映出钻孔的起裂、裂纹扩展等行为，但反映的是钻孔宏观变形行为，不能反映煤岩体起裂过程的细观行为；电阻率监测方法则由于很难同步实时采集数据，会遗漏大量有用信息。

以上的几种方法虽然在国内大量应用，但这些方法监测的信息都是煤岩体损伤的宏观表现，都是损伤的一种外在表现形式，没有涉及到煤岩体自身的细观发展过程，特别是钻孔起裂过程的变形、损伤过程，因而难以深入分析煤岩体起裂的动态发展机制。

在水力压裂过程中，钻孔孔壁是最直接受到水压作用的，而目前国内的相关实验中，并没有专门留设裸孔段，因此也就难以实现对孔壁变形的监测。但是，水力压裂工作是高压水直接作用在钻孔的孔壁上，孔壁受力变形才逐步形成损伤，形成微裂隙，进而导致孔壁的破坏，从而出现初始裂隙。对孔内应变监测能够很好地弥补现有实验方法的不足，从细观角度得到煤岩体起裂和裂缝扩展的过程，并能反映出钻孔起裂及扩展的剧烈程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可从细观角度分析煤岩体起裂及裂缝扩展过程的实验方法。通过在压裂钻孔的裸孔段侧壁上粘贴应变片，实时监测水力压裂过程的孔壁应变信息和水压变化信息，得到孔壁应变-水压曲线，进而从细观角度分析煤岩体水力压裂的动态发展过程。

本发明技术方案如下：

一种煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将采集的大块煤体或岩体加工成为立方体或圆柱体煤岩试样；

b、在煤岩试样正中位置施工一个压裂钻孔，在钻孔裸孔段侧壁上粘贴1-2个应变片，并用引线将应变片与应变采集仪连接；

c、将压裂管伸入压裂钻孔中，使压裂钻孔最内端留有一端裸孔段，采用密封胶将压裂钻孔密封，将压裂管通过三通分别与压力记录仪和水泵连接；

d、当密封胶完全凝固后，开启应变采集仪和压力记录仪；

e、开启水泵，向压裂钻孔注入高压水对试样进行压裂，直至试样破坏，停止压裂，并关闭水泵；

f、关闭应变采集仪和压力记录仪，导出应变和水压数据，运用数据分析软件生成孔壁应变-水压-时间曲线；

g、根据孔壁应变-水压-时间曲线，分析压裂钻孔的起裂行为特征。

所述压裂钻孔的长度为试样宽度的二分之一，直径为8-10mm；钻孔裸孔段的长度为10-15mm。

所述粘贴在孔壁上的应变片方向垂直于压裂钻孔，应变片的长度为压裂钻孔直径的二分之一。

所述圆柱体煤岩试样施工压裂钻孔的位置为试样的侧表面。

所述的方法用于拟三轴和真三轴应力条件下的水力压裂实验时，应变片的方向须垂直于钻孔方向的同时也要平行于最大主应力的方向。

所述的孔壁应变曲线中，孔壁应变率和应变极值适用于分析钻孔的起裂剧烈程度，孔壁应变最终值和初始值的差适用于分析钻孔破裂行为的可恢复性。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，能实现水力压裂过程孔壁变形的监测，并通过与水压的对比分析得到压裂过程的细观过程，其方法简单，易于操作。

附图说明

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1—煤岩试样，2—压裂钻孔，3—裸孔段，4—应变片，5—引线，6—应变采集仪，7—压裂管，8—密封胶，9—三通，10—压力记录仪，11—水泵

图2、图3为本发明在拟三轴条件下立方体试样的应用示意图及孔壁应变-水压测试结果。

图4为本发明在拟三轴条件下圆柱体煤岩试样的孔壁应变-水压测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

本发明的煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，包含以下步骤：

a、将采集的大块煤体或岩体加工成为立方体或圆柱体煤岩试样1；

b、在煤岩试样1正中位置施工一个直径为8-10mm的压裂钻孔2，如果采用的是圆柱体则在其侧面施工一个压裂钻孔2，压裂钻孔2的长度为试样1宽度的二分之一，在钻孔裸孔段3侧壁上粘贴1-2个应变片4，应变片4的方向垂直于钻孔，并用引线5将应变片4与应变采集仪6连接；

c、将压裂管7伸入压裂钻孔2中，使压裂钻孔2最内端留有一端裸孔段，裸孔段的长度为10-15mm，采用密封胶8将压裂钻孔2密封，将压裂管7通过三通9分别与压力记录仪10和水泵11连接；

d、当密封胶8完全凝固后，开启应变采集仪6和压力记录仪10；

e、开启水泵11，向压裂钻孔2注入高压水对试样1进行压裂，直至试样破坏，停止压裂，并关闭水泵11；

f、关闭应变采集仪6和压力记录仪10，导出应变和水压数据，运用数据分析软件生成孔壁应变-水压曲线；

g、根据孔壁应变-水压-时间曲线，分析压裂钻孔2的起裂行为特征，其中孔壁应变率和孔壁应变极值可反映出钻孔的起裂剧烈程度，而孔壁应变最终值和初始值的差可以反映钻孔破裂行为的可恢复性。

图2为本发明在拟三轴条件下立方体试样的孔壁应变-水压-时间测试结果。此时的应力状态为，围压为1MPa，竖向应力为3MPa。此时应变片粘贴时，平行于竖向应力的施加方向，同时垂直于钻孔的方向。从图中可以看出，水力压裂过程孔壁应变曲线呈现较强的规律性，分为四个阶段，初始阶段(管路排气对孔壁初始损伤)、水压上升阶段(孔壁应变在176s内迅速增大到极值：-600微应变)、水压下降阶段(孔壁应变缓慢得到恢复)和停泵阶段(孔壁应变得到较大程度恢复)。孔壁应变表现出孔壁的变化规律，反映了钻孔从受到损伤、逐步破裂、裂缝延伸的整个过程。其中，初始阶段和水压上升阶段是压裂钻孔的起裂阶段，水压下降阶段是裂缝的扩展阶段。

图3为本发明在拟三轴条件下圆柱体煤岩试样的孔壁应变-水压-时间测试结果。此时的应力状态为，围压为1MPa，竖向应力为3MPa。此时应变片平行于竖向应力且垂直于钻孔。从图中可以看出，圆柱体煤岩试样也呈现出较强的规律性，孔壁应变曲线呈现四个阶段，水压上升阶段中孔壁应变在72s内迅速增大到极值(-743微应变)。孔壁应变极值、孔壁应变速率反映了压裂过程的能量积累和释放强度。其中，初始阶段和水压上升阶段是压裂钻孔的起裂阶段，水压下降阶段是裂缝的扩展阶段。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将采集的大块煤体或岩体加工成为立方体或圆柱体煤岩试样；

b、在煤岩试样正中位置施工一个压裂钻孔，在钻孔裸孔段侧壁上粘贴1-2个应变片，并用引线将应变片与应变采集仪连接；

c、将压裂管伸入压裂钻孔中，使压裂钻孔最内端留有一端裸孔段，采用密封胶将压裂钻孔密封，将压裂管通过三通分别与压力记录仪和水泵连接；

d、当密封胶完全凝固后，开启应变采集仪和压力记录仪；

e、开启水泵，向压裂钻孔注入高压水对试样进行压裂，直至试样破坏，停止压裂，并关闭水泵；

f、关闭应变采集仪和压力记录仪，导出应变和水压数据，运用数据分析软件生成孔壁应变-水压-时间曲线；

g、根据孔壁应变-水压-时间曲线，分析压裂钻孔的起裂行为特征。

2.根据权利要求1所述的煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于：所述压裂钻孔的长度为试样宽度的二分之一，直径为8-10mm；钻孔裸孔段的长度为10-15mm。

3.根据权利要求2所述的煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于：所述粘贴在孔壁上的应变片方向垂直于压裂钻孔，应变片的长度为压裂钻孔直径的二分之一。

4.根据权利要求3所述的煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于：所述圆柱体煤岩试样施工压裂钻孔的位置为试样的侧表面。

5.根据权利要求1-4其中之一所述的煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于：所述的方法用于拟三轴和真三轴应力条件下的水力压裂实验时，应变片的方向须垂直于钻孔方向的同时也要平行于最大主应力的方向。

6.根据权利要求5所述的煤岩体水力压裂起裂行为的实验测试方法，其特征在于：所述的孔壁应变曲线中，孔壁应变率和应变极值适用于分析钻孔的起裂剧烈程度，孔壁应变最终值和初始值的差适用于分析钻孔破裂行为的可恢复性。