摘要
近年来，我国对于煤系气资源的开发和利用，主要集中在地下800m-1000m范围左右，随着浅部煤系气资源的不断开发利用和日益消耗，对于超过1000m的深部煤系气资源量的开发利用，逐渐成为煤系气开发科研学者研究的焦点。目前已经有很多学者对于浅部靠近地表的岩石力学做了相当多的研究，并且已经建立了比较完整的理论体系框架，然而对地下深部储层的岩石力学研究仍然比较少，通过目前仅有的深部研究资料对比来看，深部与浅部的岩石力学特征在某些方面有着较大的差异性，因此需要重新考虑浅部岩石理论的适用性。 本文以榆社-武乡区块的深部煤系气储层为背景，采用数值模拟试验和实验室试验相结合的方式来对深部储层进行研究，运用离散元软件3DEC对典型岩性的单一及组合试样进行单轴抗压数值模拟试验；通过精密三轴渗流实验仪器对单一和组合样品进行不同条件下的渗透率试验，设置了三个影响因素：三维应力、孔隙压力和含水率，对三维应力和孔隙压力耦合作用影响下干燥样品和非干燥样品的渗透率进行了分析；以预制裂缝样品代替水力压裂后的样品，运用COMSOL数值模拟软件模拟水力压裂前后开采情况，对比了压裂前后的渗透率情况来研究水力压裂的裂缝对于渗透率的大小变化影响情况；研究了四种不同裂缝模型对瓦斯开采过程中渗透率的影响，以及钻孔应力分布和瓦斯压力变化分布情况；分析了水力压裂的机理；解释了压裂设备的工作流程；分析了流体的运移和高压水的双重作用。主要得到的结论如下： 在实验室试验结果的应力-应变曲线中，峰值强度前的曲线变化与理论比较接近，而峰值强度后几乎没有残余强度；在数值模拟试验条件下的应力-应变曲线变化中，峰值强度前的曲线变化与理论有一定的差异，而峰值强度后具有残余强度，与理论比较接近。单一岩样试件的破坏类型大多是属于第二类破坏类型，而组合岩样试件的破裂是以煤破裂为主体。对于干燥样品而言，随着孔隙压力的不断增大，三维应力对单一及组合岩样是渗透率影响也越来越大；随着三维应力的增大，孔隙压力对单一及组合岩样的渗透率影响也越来越大。对于不同含水率的岩样而言，随着煤岩含水率的增大，无论三维应力与孔隙压力为多少，煤岩和组合体的渗透率都有一定程度上的降低。 单一试样和组合试样的应变变化趋势有很大的相似性，在每一级应力施加的过程中，可以看到在初始阶段轴向应变和体积应变曲线均会有剧烈增大的现象，而后逐渐趋于平缓。对于渗透率变化情况而言，渗透率在施加每级应力的开始阶段剧烈减小，之后仍不断减小但速率逐渐变慢，最后趋于平稳，造成这一现象的原因主要是施加应力等级的变化。整体上来看，在样品的蠕变过程中，无论是轴向应变还是体积应变，都和渗透率变化呈现出较好的一致性。采用Origin软件内嵌公式以及Leveberg-Marquardt算法进行拟合分析，拟合的曲线与试验值吻合良好，体积应变的拟合优度R2大部分均在0.95以上，轴向应变的拟合优度R2大部分均在0.90以上，总体上的拟合程度是比较好的，这说明是可以用来表示在不同施加应力等级条件下，单一及组合岩样的应变与时间的变化关系。 运用COMSOL对单一及组合岩样的裂缝处和无裂缝处渗透率大小进行对比研究，发现一开始裂缝处的流速较大，而随着三维应力的不断增大，裂缝处的流速最终略小于无裂缝处的流速。对比分析了有预制裂缝和无预制裂缝组合岩样的渗透率变化情况，在水力压裂后，渗透率能够提高2-3个数量级左右；相同条件下，裂缝样品由于裂缝的闭合程度高于完整样品的，所以渗透率随应力增加而降低的百分比要大于完整样品。运用COMSOL对于含瓦斯煤层钻孔进行负压抽采，对于三种不同预制裂缝模型与无裂缝模型的渗透率变化作对比，发现裂缝在一定程度上提高了瓦斯的抽采效率，总结了不同裂缝情况下的钻孔周围应力分布情况以及开采过程中瓦斯压力变化情况。分析了水力压裂的机理，是通过破坏储层内聚力，将其分割，形成裂缝，连接内部孔、裂隙形成裂缝网而实现的；在深部储层中，水的运移也分为三阶段，在此机理的基础上得出要提高压裂效果可从提高注水压力和增大注水占比两方面来入手；水的影响有正反两面，有利的一方面在于增加渗流通道，扩展裂缝，提高渗透性，另一面则体现在随着含水饱和度的不断增加，启动压力梯度也会逐渐变大。
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