煤炭作为我国能源主要供给资源,担负着国家能源安全“兜底”的重任,是我国工业发展的粮食。但长期以来,随着开采深度增加,煤炭赋存环境也愈加复杂化,存在着煤储层瓦斯含量大、渗透率低和应力大等问题束缚着煤炭工业高质量发展。此外,煤储层具有各向异性及煤层厚度薄、纵向间距小的特点,导致瓦斯抽采效率难以达到理想状态。为此,水力压裂增透成为有效改善储层渗透性和提高瓦斯抽采效果的方法之一。水力压裂是一种对环境友好、成本较低和易于施工的储层渗透性改造工艺,在储层渗透性改造方面已被证实效果显著有效。鉴于此,本课题以贵州黔北地区二叠系龙潭组煤系储层非均质和薄煤群赋存态势为研究对象,以探究储层非均质对水力裂缝跨界面扩展规律及增渗影响机制为目标,对非均质储层和薄煤层群合层压裂规律及增渗机制等科学问题展开深入研究,为工程实践提供理论参考。本文研究结论主要如下: (1)探究了煤体强度非均质对水力裂缝跨界面扩展影响机制。采用相似材料制备煤体强度非均质储层模型,基于示踪剂原理及注水压力曲线反演储层体积改造范围及裂缝扩展规律展开深入分析。结果表明:当注液流量恒定时,煤体强度突变增大,体积改造范围变小,产生次级裂缝增多,裂缝宽度变小。同时注水压力与煤体强度呈正相关,煤体强度越大,裂缝扩展所需能量越大,煤体强度突变增大对裂缝扩展形成“阻碍”效应。受裂缝扩展尖端效应影响,当裂缝由煤体强度小的区域向煤层强度大的区域穿界扩展时,孔隙压力增加,煤体位移量降低、刚度下降率增加。· (2)揭示了煤储层地应力非均质对水力裂缝扩展规律影响。研究表明:裂缝宽度与垂直地应力呈反比,当垂直地应力为定值时,距压裂孔越近,裂缝宽度越大。当垂直地应力突变系数4)>1时,煤层孔隙断裂张开量随着垂直地应力减小而增大,位移量也增大。煤储层初始起裂压力随着水平地应力差异系数增大而减小,但对裂缝宽度影响极小。裂缝扩展偏转角与水平地应力差系数呈正相关,应力差系数变小区域穿界扩展时,起裂压力增大,裂缝扩展受到阻挡,孔隙流体有效速度增大,裂缝扩展应力增大,应力达到煤体破坏值时穿界扩展。 (3)获得了薄煤-岩互层群协同压裂裂缝分布形态规律。制备薄煤-岩互层群试验试件,基于裸眼孔憋压原理对煤层群实现合层压裂。试验表明:煤层改造体积明显大于岩层,岩层对煤储层裂缝扩展有抑制效应,裂缝不易越界扩展至岩层。与距`1离憋压孔越近,水力裂缝的数量越多及宽度越大,裂缝发育丰富度与憋压孔的距离呈负相关。薄煤层群合层压裂中,两层煤和三层煤合层压裂时水力裂缝分布呈“工”字形和“王”字形,三层煤压裂与两层煤压裂相比,压裂液消耗量明显增加,注水压力变化幅度大。煤层群中煤层性质存在差异导致各煤层的应力、注水压力、煤体位移、孔隙断裂张开量等存在差异,煤层群发生破坏从煤体强度最弱产生,煤层破坏时序、演变路径与煤体性质相关。 (4)阐明了煤-岩协同水力压裂增渗机制。水力压裂增透主要是不断向憋压孔内注入压裂液使其压力持续增加,当孔压达到煤体破裂强度时,孔壁产生裂隙并延伸扩展,产生裂缝为水分子与甲烷分子接触创造条件并为解吸的瓦斯运移提供通道。同时大量的水分子进入储层深部,水分子将吸附态的甲烷分子大量驱替解吸,占据甲烷分子原位置,解吸为游离态,从而提高瓦斯抽采效率,降低开采过程中瓦斯突出风险,增加煤层气的资源化利用及避免温室气体(甲烷)直接排放。大量水进入煤层内部,具有润湿煤体的作用,能够有效降低粉尘和温度,减少职业病伤害。提高瓦斯抽采效率,预防瓦斯突出,保障煤矿生产安全。 本文研究结果可为高瓦斯非均质煤储层及薄煤层群矿井高效抽采提供工程施工参考,减少储层非均质性对体积改造效果的影响,促进高瓦斯矿井水力压裂增透效率,预防瓦斯突出事故发生,提高煤矿开采安全。