岩石水力压裂视电阻率演化规律及影响因素研究

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随着水力压裂技术在煤炭领域的推广与发展,水力压裂逐渐成为煤矿井下灾害防治的重要技术手段,尤其在回采工作面坚硬难垮顶板控制、高应力巷道围岩卸压、冲击地压防治和低渗透煤层增透弱化等方面应用最为广泛。但煤矿井下水压裂缝的起裂和发展较为复杂,受到应力、地质构造等天然因素和压裂工艺、参数等人为主观因素的影响,压裂范围和效果往往很难满足工程要求,因此,有效的监测压裂过程、压裂范围和压裂效果对煤炭资源安全开采具有重要意义。本文基于直流电法工作原理和实际工程应用为背景,重点研究了在真三轴状态下水力压裂视电阻率演化规律及关键影响因素作用机制,提出了利用视电阻率差值云图及配套解释来监测、评估水压裂缝的解决方法,不仅能判断水压裂缝起裂与扩展时刻,而且能直观地看出裂缝位置、转向和最终扩展形态和范围,进一步验证了直流电法对水力压裂监测的可行性和有效性。岩石真三轴水力压裂试验过程中高压水渗透作用、应力和裂缝是造成视电阻率变化的关键因素,为此利用假三轴流固耦合试验系统和真三轴加载试验系统开展了以岩石高压水渗透、应力和裂缝为重点的视电阻率响应试验。试验结果表明:(1)在高压水的作用下岩石前期吸水速率极快,并且通过渗透阶段视电阻率差值云图可清晰地看出岩石内部水的渗透路径和不同区域的渗水速度。(2)不同应力水平下,岩石导电能力会被改变,相应视电阻率和激励电流在整个试验过程中呈现规律性的变化,这是岩石内部原始孔隙闭合、新生裂隙形成发育和剪切裂缝作用的结果。(3)联合测线监测云图可以判断轴向应力对试样的影响程度和新生裂隙形成和发展过程,裂隙的形成和发展表现为带状分布的高阻区域的形成和发展,且不同方向上的联合测线对剪切裂缝的响应形式不同。利用真三轴水力压裂试验系统开展了视电阻率响应特征试验,结果表明:(1)裂缝中水的主导作用使视电阻率呈现规律性减小,并且通过应变、视电阻率和激发电流的变化可以判断水压裂缝的形成和发展所在的具体阶段。(2)受到裂缝面高压水渗透作用影响,水压裂缝的响应形式是低阻分布带,根据不同方向上的联合测线监测云图能清楚的看到水压裂缝的起裂位置和方向、水压裂缝的扩展发育和转向。(3)裂缝附近视电阻率突然大幅度的变化是水压裂缝起裂、扩展的重要信息。为更全面、准确的评估水压裂缝扩展过程与裂缝形态,开展了测线与水压裂缝的夹角对监测效果影响的试验。试验结果表明:(1)垂直于水压裂缝的联合测线对水压裂缝的监测结果是方向由内到外的低阻条带区域,平行与水压裂缝的联合测线对水压裂缝的监测结果是方向由内到外的低阻面状分布区域。(2)在竖直测线内选取垂直于水压裂缝的空间位置点,可根据位置点视电阻率变化特征判断水压裂缝扩展的长度;在水平测线内选取平行于水压裂缝的空间位置点,可根据位置点视电阻率变化特征判断水压裂缝分布的范围。本论文有图53幅,表9个,参考文献115篇。
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