水力壓裂煤岩體非飽和滲流氣-水界面作用機理研究

《水力壓裂煤岩體非飽和滲流氣-水界面作用機理研究》是依託西南交通大學，由陳仕闊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水力壓裂煤岩體非飽和滲流氣-水界面作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳仕闊
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

煤層氣作為高效清潔能源和重要的原料，其開發利用前景廣闊，而低滲緻密儲層的賦存環境限制了其套用。水力壓裂增透措施已廣泛套用於低滲儲層的開採，但對致裂新增裂隙與煤岩體原生裂隙間的本源機制認識模糊，相關的非飽和滲流機理研究也有待進一步深入。申請者在前期研究中發現對氣-水界面穩定性的探索有助於明確瓦斯抽采和煤層氣開發中的非飽和滲流機理，對煤儲層開發具有重要的科學意義。鑒於此，本研究以裂隙面參數掃描和結構特徵測試為基礎，對裂隙結構進行高精度表征和力學解譯；同時藉助裂隙分形分維表征方法，採用三維裂隙ECV(Extrusion Coupling Variables)重構技術建立跨尺度裂隙煤岩體分析模型；以變格線法研究裂隙的擴展演化規律為主線，揭示水-氣-岩耦合作用下裂隙結構內非飽和滲流互動式界面的非定常變化及其運移機制。本研究旨在為煤儲層煤、氣資源的安全高效開採奠定一定的理論基礎，進而加速其開發利用。

結題摘要

煤層氣是一種重要的高效、清潔能源，有著巨大的套用潛力，然而低滲透性儲層限制了其套用。水力壓裂法作為一種新的技術在低滲透性煤層氣勘探開採廣泛套用，用以防止煤礦瓦斯災害的發生。裂隙是流體聚集和運移的主要通道，某種程度上控制著岩體的穩定性。但對致裂新增裂隙與煤岩體原生裂隙間的本源機制認識模糊，相關的非飽和滲流機理的研究也有待進一步深入。在採礦和地下工程中,有效控制破裂發展來防止災害發生和誘導進一步損傷破壞來更易地實現勘探和開採，都至關重要。基於安全高效的考量，破裂的產生-發展-最終破壞的整個過程在岩石工程中對確保高安全生產至關重要。三維條件下其耦合機理和破壞模式對充分認識破壞和穩定性問題尤其重要。 本研究以裂隙面參數掃描和結構特徵測試為基礎，對裂隙結構進行高精度表征和力學解譯，同時藉助裂隙分形分維表征方法，採用三維裂隙ECV重構技術建立跨尺度裂隙煤岩體分析模型，揭示水-氣-岩耦合作用下裂隙結構內非飽和滲流互動式界面的非定常變化及其運移機制。深入研究注水條件下充分考慮吸附和解吸以及應力滲流耦合特性的裂隙煤岩體的滲透性演化機理。裂隙開度、面積接觸率和應力對滲透率的影響和裂縫發育情況對滲透率變化和滲流路徑強烈影響，進而控制了注水有效影響半徑。這些因素都應該在研究岩體的結構特徵中適當考慮。 在單一裂隙滲流研究驗證分析模型有效性的基礎上，結合兩相流層流的相場方法，對水力壓裂縫中的煤層氣水界面問題進行了模擬分析。煤層氣在水力壓裂縫中的擴散運移數學模型採用廣義傳導方程的變形式，水相流動採用N-S方程。結果表明裂隙滲流受其張開、閉合情況的影響，並且對於氣水兩相流體，其界面的移動依賴裂隙面的連續情況。 考慮到受載條件下的三維破壞問題，建立基於孔隙彈性的三維應力-滲流-損傷破壞耦合模型，在損傷理論的基礎上，側重研究非均質岩石的應力-滲流-損傷破壞耦合特徵。不同非均質度，載入速率，殘餘強度係數以及破壞準則都會影響損傷的發展，並且可以用來解釋一些力學機理和對應不同的岩石類型。進行了相應的室內試驗測試，用以驗證理論方法和分析滲透性演化和破壞機理。研究結果表明：不同均質度和殘餘強度可以描述不同岩性的岩岩石，載入速率和和破壞準則對應力/應變級別也有一定的影響，應力-滲透率關係可以確定岩體水力學參數。研究水力學條件下的岩石的破裂機理對解決岩石力學工程問題具有重要意義。