在当今能源发展的大背景下,随着常规油气资源的储量日益减少,非常规油气资源受到越来越多的关注,且有望成为未来能源供应的重要组成部分。西部探区深层煤岩储层厚度大、储量规模大、平面分布稳定,但煤层气的开采需要通过大规模体积压裂来构建缝网体系,实现高产。而深层煤岩由于其脆性较大,裂缝在外力作用下形成复杂的裂缝,且裂缝扩展不规则。使用传统有限元方法对深层煤岩水力压裂裂缝扩展进行数值模拟存在裂缝追踪、网格再剖分等方面的局限性。因此,文本基于相场法,建立考虑损伤的深层煤岩裂缝扩展相场模型,通过数值模拟研究深层煤岩水力压裂过程中裂缝穿层扩展延伸规律,为水力压裂技术优化提供理论支持,提高煤层气开发效率。本文主要研究内容和成果如下: (1)对深层煤岩及其顶板开展不同围压下的三轴压缩试验和巴西劈裂试验。深层煤岩抗压强度为10.77~58.03MPa,杨氏模量为1.64~4.96GPa,内聚力为2.63MPa,内摩擦角为29.2°,抗拉强度3.41~4.17MPa;顶板抗压强度为35.07~133.16MPa,杨氏模量10.88~26.68GPa,内聚力为7.02MPa,内摩擦角为40.5°,抗拉强度为9.47~10.26MPa。通过三轴试验可以发现,煤岩破裂主要表现为压碎性破坏,呈X型共轭斜面剪切破坏,常规岩石破碎程度低,且能维持相对完整的块体形态。 (2)介绍了相场法的基本理论,阐述储层岩石的破坏机制。从能量变化的角度出发,通过考虑损伤变量的弹性能、耗散能和断裂能密度函数构建深层煤岩裂缝处的能量守恒方程,推导出考虑损伤的水力压裂裂缝扩展相场模型,并通过位移场模型对裂缝扩展相场模型进行优化,进一步推导了裂缝扩展控制方程。 (3)基于相场模型,进行了不同地层因素和工程参数下的深层煤岩裂缝穿层扩展的数值模拟。结果表明,应力差系数越大,界面强度越稳定,越有利于水力裂缝穿层扩展。随着排量增加,水力裂缝缝长和缝宽均增大;随着黏度增加,缝长逐渐变短但缝宽增大;注入点距离煤层越近越有利于裂缝穿层扩展沟通煤岩储层。工程中应选择合理的施工参数促进水力裂缝穿层扩展。