煤层液态CO2相变定向射孔致裂优势方向判断方法与流程

本发明属于煤矿钻孔致裂施工技术领域，具体涉及一种煤层液态co2相变定向射孔致裂优势方向判断方法。

背景技术：

矿井瓦斯是影响我国煤矿安全生产的主要因素，在我国煤矿事故导致死亡人员中，瓦斯事故所占比重较大，重特大事故尤其突出。根据对2000-2009年的煤矿事故分析，瓦斯事故死亡人数占煤矿事故死亡总量的36.4％，一次死亡3-9人(重大事故)的占63.1％，一次死亡10人(特大事故)以上的占79.9％。同时，煤层气又是一种潜在的洁净的能源，在当前能源紧张的局势下，加快煤层气开发利用，对改善我国能源结构、能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。研究表明：我国50％以上的煤层为高瓦斯煤层，埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.81万亿立方米，居世界第三位，瓦斯储量相对丰富，因此有效开采和利用煤层瓦斯对保障我国能源安全和煤炭企业安全生产都具有重要意义。

由于我国煤层气赋存条件复杂，煤层渗透率一般在(0.1～0.001)×10^-3μm²范围内，比美国低2～3个数量级，造成我国煤层瓦斯含量高、煤矿安全生产形势严峻。”由于我国煤层地质条件差，煤层渗透率低，造成矿井瓦斯抽采率低，瓦斯抽采效率低，因此需要对煤层进行人工强化增透，相关学者提出了采用水力压裂、深孔预裂增透等措施取得了一定的效果，但在应用过程中还存在种种不足。

经过实验室试验及现场研究，发明者提出了“液态二氧化碳定向爆破致裂装置(zl201610634343.2)”“co2定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法(zl201610632790.4)”等，经过后期实践，我们发现该技术在实际应用过程中，由于地应力的影响，不同方位角、倾角的钻孔，具有不同的起裂压力，而起裂压力的大小对二氧化碳相变致裂过程中裂隙发展具有重要影响。因此，如何获得在三维地应力作用下煤岩体液态co2相变定向射孔致裂的优势起裂方向，以指导现场钻孔施工是一项亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种煤层液态co2相变定向射孔致裂优势方向判断方法，以得到煤层液态co2相变定向射孔致裂优势方向，减少钻孔施工工程量，提高射孔致裂效率。

本发明技术方案如下：

一种煤层液态co2相变定向射孔致裂优势方向判断方法，包括以下主要步骤：

(一)推算出孔壁破裂压力p与钻孔方位角α、倾角β和射孔角θ之间的理论对应关系，

具体为，采用弹性力学理论建立地应力作用下射孔致裂孔壁破裂压力计算模型，采用式(1)，将三维地应力换算到钻孔笛卡尔坐标系，

式中：σh、σh、σv分别为钻孔笛卡尔坐标系x,y,z方向的应力分量，单位为mpa；τxy、τxz、τyz为剪应力分量，单位为mpa；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力，单位为mpa；α、β分别为钻孔方位角及倾角，单位为°，

考虑地应力及射孔应力的叠加作用，获得钻孔孔壁围岩r处应力分布为：

式中：r、r分别为钻孔直径和极坐标半径，m；pwf为孔内射孔压力，mpa；σr、σθ、σzz、σrθ、σθz、σzr分别为距离钻孔轴心r且与σh呈θ角处的径向、切向、轴向正应力及剪应力分量，mpa，由(2)式可以得到钻孔孔壁(r＝r)处应力分布为：

钻孔孔壁上任意点的主应力满足，由此结合式(3)可以得到钻孔孔壁上任意点的主应力为：

式中：σ1′、σ2′、σ3′分别为钻孔孔壁上任意点最大、中间、最小主应力，mpa，

根据弹性力学理论结合式(4)，可以得出钻孔孔壁最大拉应力为：

射孔致裂过程中，钻孔孔壁破裂的条件为孔壁最大拉应力σmax(θ)大于孔壁围岩的最大抗拉强度σt，则射孔致裂孔壁破裂的临界条件为：

将式(3)带入式(6)可以得到孔壁破裂压力和地应力、孔壁抗拉强度、岩石泊松比及钻孔方位角、倾角、射孔角度之间的关系为：

(二)应用地点三维地应力参数测试；

(三)岩石泊松比及孔壁抗拉强度参数测试；

(四)计算不同钻孔方位角、倾角、射孔角条件下孔壁破裂压力值；

(五)不同钻孔方位角、倾角条件下最小孔壁破裂压力确定；

(六)绘制不同钻孔方位角、倾角条件下最小孔壁破裂压力分布云图及关系曲线图；

(七)根据最小孔壁破裂压力分布云图及关系曲线图分析确定液态co2相变定向射孔致裂优势方向。

作为优选，所述步骤(二)采用声发射法三维地应力测试方法进行地应力参数测试，具体为，在将要进行煤层瓦斯抽采的工作面现场钻孔提取岩石试件，将试件加工成圆柱体试件，径高比为1:2～1:3，为了确定测点三维应力状态，在该点的岩样中沿六个不同方向制备试件，设局部坐标系为oxyz，则三个方向取坐标轴方向，另外三个方向取oxy、oyz、ozx平面内的轴角平分线方向，每个方向取样15～25块，将岩石试件带回实验室进行单轴加载条件下的声发射测试，根据实验结果绘制应力-累计声发射振铃计数-时间曲线，根据上述曲线判断kaiser效应点，得到各个方向岩石试件的kaiser效应点的时间及与之对应的应力大小，即σx、σy、σz、σxθy、σxγz、σyψz，并记录，之后采用下式(8)计算地应力测点三维应力状态，

式中σ1、σ2、σ3分别为三维地应力的最大主应力、中间主应力、最小主应力，单位mpa；w、p、q为计算参数，w为反余弦函数计算结果，无单位；p单位为mpa²；q单位为mpa³，w、p、q采用下式(9)和(10)计算得到：

式中i1、i2、i3为应力张量的第一、第二、第三不变量，单位分别为：mpa，mpa²，mpa³，为计算参数；

σx、σy、σz为现场x、y、z取样方向岩石试件kaiser点对应的应力值，单位为mpa，

τxy、τxz、τyz分别为测点o所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为mpa，通过下式(11)计算得到，

λ、γ、ψ分别为xy、xz、yz平面内取样角度，单位为度；

σxλy、σxγz、σyψz、σx、σy、σz为现场取样方向各个岩石试件kaiser点对应的应力值，单位为mpa，测点三维主应力方向由下式(12)计算得到：

主应力矢量相对y轴、z轴的方向余弦为：

其中：

主应力σi的倾角、方位角由式(14)计算：

式中为主应力与xoy平面的夹角，即倾角，单位为度，为仰角，为俯角；ξi为主应力在xoy面上投影与x轴的夹角，单位为度，ξi＞0为反时针旋转角度，ξi＜0为逆时针旋转角度，计算后根据取样现场测定的x轴方位角换算为主应力的方位角。

作为优选，所述步骤(三)中岩石泊松比参数测试采用岩石弹性力学参数原位测试仪进行测试，该测试方法主要利用岩体内超声的纵、横波时差数据，按照下式(15)理论计算得到煤岩体的动态泊松比：

式中：tc为声波纵波时差，us/m；ts为声波横波时差us/m，岩石弹性力学参数原位测试，可采用：纵横波直接测试方法、纵横波单孔测试方法或纵横波跨孔测试方法。

作为优选，所述步骤(三)中孔壁抗拉强度力学参数测试采用巴西劈裂法，试验结束后采用下式(16)计算，

式中σt为岩石的抗拉强度，mpa；p为试验的破坏荷载，n；d为试件直径，mm；h为试件厚度，mm，计算取三位有效数字。

作为优选，所述步骤(四)具体为，

(41)将测试得到的地应力参数σ1、σ2、σ3带入式(1)得到地应力条件下孔壁应力分量(σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz)与钻孔相对方位角、倾角之间的力学关系，其中σ1、σ2、σ3为已知参数，α属于0°-360°，β属于0°-90°；

(42)将孔壁应力分量(σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz)及动态泊松比v带入(3)式得到孔壁σr、σθ、σz、σθz、σrθ与钻孔方位角、倾角、射孔角之间的力学关系，式中：v为动态泊松比；σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz为关于α、β的方程式；θ为射孔角，取值为0°-360°；

(43)将σθ、σz、σθz及测试得到的岩石抗拉强度σt带入式(6)，最终可得到式(7)孔壁破裂压力p与钻孔方位角、倾角、射孔角之间的力学关系，然后输入任意的钻孔的方位角、倾角及射孔角，即可获得该钻孔在该射孔角度的破裂压力。

作为优选，所述步骤(五)具体为在上述获得孔壁破裂压力p与钻孔方位角α、倾角β、射孔角θ之间的力学关系后，依次进行钻孔方位角αi(i＝1,2,3,…360)(其中αi(i＝1,2,3,…360)依次取值1°,2°,3°.......360°)、倾角(其中依次取值1°,2°,3°.......90°)、射孔角(依次取值1°,2°,3°.......360°)的循环计算，并保存和比较计算结果，保留破裂压力较小值，直至获得最小破裂压力pmin。

作为优选，所述步骤(六)采用matlab数学计算软件进行分析计算，获得不同钻孔方位角、倾角及射孔角条件下孔壁破裂压力数据，根据计算得到的不同钻孔方位角、倾角、射孔角、孔壁破裂压力数组，绘制极坐标条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化云图、绘制直角坐标系条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化云图、绘制直角坐标系条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化曲线。

有益效果：本发明采用声发射三维地应力测试方法测试得到煤层三维地应力大小及方向，得到三维地应力条件下孔壁破裂压力与钻孔方位角、倾角之间的力学方程式及其极坐标条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化云图，直角坐标系条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化云图，直角坐标系条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化曲线等，并根据该结果分析得到煤层液态co2相变定向射孔致裂优势方向，可以为液态co2相变致裂增透技术应用过程中钻孔布置方式提供数据支持，对增大液态co2相变射孔致裂裂隙扩展尺寸具有重要作用，该技术可有效增大致裂孔影响半径，减少钻孔工程量，提高了施工效率，安全性和可靠性均较高。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的一具体实施例在极坐标下不同方位角、倾角条件下破裂压裂云图；

图3为本发明的一具体实施例在方位角一定、钻孔倾角不同条件下破裂压裂变化规律图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如附图1所示的煤层液态co2相变定向射孔致裂优势方向判断方法，具体包括以下步骤：(一)推算出孔壁破裂压力p与钻孔方位角α、倾角β和射孔角θ之间的理论对应关系，

具体为，采用弹性力学理论建立地应力作用下射孔致裂孔壁破裂压力计算模型，采用式(1)，将三维地应力换算到钻孔笛卡尔坐标系，

式中：σh、σh、σv分别为钻孔笛卡尔坐标系x,y,z方向的应力分量，单位为mpa；τxy、τxz、τyz为剪应力分量，单位为mpa；σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力，单位为mpa；α、β分别为钻孔方位角及倾角，单位为°，

考虑地应力及射孔应力的叠加作用，获得钻孔孔壁围岩r处应力分布为：

式中：r、r分别为钻孔直径和极坐标半径，m；pwf为孔内射孔压力，mpa；σr、σθ、σzz、σrθ、σθz、σzr分别为距离钻孔轴心r且与σh呈θ角处的径向、切向、轴向正应力及剪应力分量，mpa，由(2)式可以得到钻孔孔壁(r＝r)处应力分布为：

钻孔孔壁上任意点的主应力满足，由此结合式(3)可以得到钻孔孔壁上任意点的主应力为：

式中：σ1′、σ2′、σ3′分别为钻孔孔壁上任意点最大、中间、最小主应力，mpa，

根据弹性力学理论结合式(4)，可以得出钻孔孔壁最大拉应力为：

射孔致裂过程中，钻孔孔壁破裂的条件为孔壁最大拉应力σmax(θ)大于孔壁围岩的最大抗拉强度σt，则射孔致裂孔壁破裂的临界条件为：

将式(3)带入式(6)可以得到孔壁破裂压力和地应力、孔壁抗拉强度、岩石泊松比及钻孔方位角、倾角、射孔角度之间的关系为：

由式(1)、(7)可以看出孔壁破裂压力和地应力大小、孔壁抗拉强度、泊松比及钻孔方位角、倾角等有关；确定地点的孔壁破裂压力受方位角、倾角控制，且在特定方位及倾角的孔内，射孔角度不同起裂应力也具有一定差异；

(二)应用地点三维地应力参数测试，采用声发射法三维地应力测试方法进行地应力参数测试，在将要进行煤层瓦斯抽采的工作面现场钻孔提取岩石试件，将试件加工成圆柱体试件，径高比为1:2～1:3，为了确定测点三维应力状态，必须在该点的岩样中沿六个不同方向制备试件，设局部坐标系为oxyz，则三个方向取坐标轴方向，另外三个方向取oxy、oyz、ozx平面内的轴角平分线方向，每个方向取样15～25块，将岩石试件带回实验室进行单轴加载条件下的声发射测试，根据实验结果绘制应力-累计声发射振铃计数-时间曲线，根据上述曲线判断kaiser效应点的，得到各个方向岩石试件的kaiser效应点的时间及与之对应的应力大小，即σx、σy、σz、σxθy、σxγz、σyψz，并记录；之后采用下式(8)计算地应力测点三维应力状态，

式中：σ1、σ2、σ3分别为三维地应力的最大主应力、中间主应力、最小主应力，单位mpa；

w、p、q为计算参数，w为反余弦函数计算结果，无单位；p单位为mpa²；q单位为mpa³，w、p、q采用下式(9)和(10)计算得到，

式中：

i1、i2、i3为应力张量的第一、第二、第三不变量，单位分别为：mpa，mpa²，mpa³，为计算参数；

τxy、τxz、τyz分别为测点o所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为mpa，通过下式(11)计算得到。

σx、σy、σz为现场x、y、z取样方向岩石试件kaiser点对应的应力值，单位为mpa，

λ、γ、ψ分别为xy、xz、yz平面内取样角度，单位为度；

σxλy、σxγz、σyψz、σx、σy、σz为现场取样方向各个岩石试件kaiser点对应的应力值，单位为mpa

测点三维主应力方向由下式(12)计算得到：

主应力矢量相对y轴、z轴的方向余弦为：

其中：

主应力σi的倾角、方位角由式(14)计算：

式中：为主应力与xoy平面的夹角，即倾角，单位为度，为仰角，为俯角；ξi为主应力在xoy面上投影与x轴的夹角，单位为度，ξi＞0为反时针旋转角度，ξi＜0为逆时针旋转角度，计算后根据取样现场测定的x轴方位角换算为主应力的方位角；

(三)岩石动态泊松比及抗拉强度参数测试

1、岩石动态泊松比参数测试

采用岩石弹性力学参数原位测试仪进行测试，该测试方法主要利用岩体内超声的纵、横波时差数据，按照下式(15)理论计算得到煤岩体的动态泊松比：

式中：tc为声波纵波时差，us/m；ts为声波横波时差us/m。岩石弹性力学参数原位测试，可采用：纵横波直接测试方法、纵横波单孔测试方法、纵横波跨孔测试方法；

2、岩石抗拉强度力学参数测试

岩石在单轴拉伸条件下达到破坏时所能承受的最大拉应力，称为岩石的单轴抗拉强度，一般简称为抗拉强度，对岩石抗拉强度的测试可采用直接拉伸法、巴西劈裂法、点荷载法等，由于直接拉伸法试件制备困难，试验技术复杂，点荷载法离散性很大，巴西劈裂法试件易于加工，耗时及费用少，能够满足工程需要，因此本实施例采用巴西劈裂法进行，巴西劈裂法的原理是在φ50×25mm的圆盘试件直径方向上施加线性载荷，使试件沿径向产生拉应力破坏，根据弹性力学原理：岩石试件在单位面积上所能承受的最大应力称为岩石的单轴抗拉强度，即岩石试件破坏过程中的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比，

试验步骤如下：

①将试件编号，使用游标卡尺分别测量待测试件的直径d及高度h，同一试件测量三次取平均值并做好记录；

②将劈裂法试验夹具放置于试验机承压板中心，将待测试件沿直径垂直放入劈裂法试验夹具内，调整压力机加载压头，使得压头与夹具接触，通过调整巴西劈裂法球形座，使得岩石试件均匀受力；

③通过计算机控制程序，以应力加载方式，采用0.1mpa每秒的应力加载速率直至试件破坏；

④观察试件在受载过程中的破坏发展过程，并记录试样破坏荷载及破坏后的形态；

将上述试验结果整理后采用下式计算岩石单轴抗拉强度：

式中：σt为岩石的单轴抗拉强度，mpa；p为试验的破坏荷载，n；d为试件直径，mm；h为试件厚度，mm，计算取三位有效数字；

(四)计算不同钻孔方位角、倾角、射孔角条件下孔壁破裂压力值

具体包括(41)将步骤(二)测试得到的地应力参数σ1、σ2、σ3带入式(1)得到地应力条件下孔壁应力分量(σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz)与钻孔相对方位角、倾角之间的力学关系，

式中：σ1、σ2、σ3为已知参数，α属于0°-360°，β属于0°-90°；

(42)接着将孔壁应力分量(σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz)及动态泊松比v带入(3)式得到孔壁径向力、周向力、切向力、轴向力等(σr、σθ、σz、σθz、σrθ)与钻孔相对方位角、倾角、射孔角之间的力学关系，

式中：v为动态泊松比；σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz为关于α、β的方程式；θ为射孔角，取值为0°-360°，

(43)再将σθ、σz、σθz及测试得到的岩石单轴抗拉强度σt带入式(6)，即可得到式(7)孔壁破裂压力p与钻孔相对方位角、倾角、射孔角之间的力学关系，

其中：σh、σh、σv、τxy、τxz、τyz为关于α、β、θ的方程式；v、σt为已知参数，

因此，输入任意的钻孔的相对方位角、倾角及射孔角，即可获得该钻孔在该射孔角度的破裂压力。

(五)不同钻孔方位角、倾角条件下最小孔壁破裂压力确定

为了确定煤层液态co2相变定向射孔致裂的优势方向，在获得孔壁破裂压力p与钻孔相对方位角α、倾角β、射孔角θ之间的力学关系后，依次进行钻孔相对方位角αi(i＝1,2,3,…360)(其中αi(i＝1,2,3,…360)依次取值1°,2°,3°.......360°)、倾角(其中依次取值1°,2°,3°.......90°)、射孔角(依次取值1°,2°,3°.......360°)的循环计算，并保存和比较计算结果，保留破裂压力较小值，直至获得最小破裂压力pmin。

举例为：取相对方位角为α1＝1°，β11＝1°,依次计算θ11k(k＝1,2,3...360)为1°至360°时孔壁破裂压力，并保存计算结果，对计算结果进行比较得到相对方位角为α1＝1°，β11＝1°时孔壁破裂压力取最小值时的射孔角度及最小破裂压力。同理另α1＝1°，依次循环β1j及θ1jk计算得到相对方位角为1°时，不同倾角的钻孔在不同射孔角的破裂压力，对比得到最小破裂压力时对应的钻孔倾角。最后，计算αi(i＝1,2,3,…360)分别取值1°,2°,3°.......360°时，不同倾角，不同射孔角的破裂压力值，并对比得到最小破裂压力。

(六)不同钻孔方位角、倾角条件下最小孔壁破裂压力分布云图及关系曲线图绘制

实际计算过程中采用matlab数学计算软件进行分析计算，根据计算得到的不同钻孔方位角、倾角、射孔角、孔壁破裂压力数组，获得不同钻孔方位角、倾角及射孔角条件下孔壁破裂压力数据，绘制极坐标条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化云图，绘制直角坐标系条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化曲线。

(七)根据最小孔壁破裂压力分布云图及关系曲线图分析确定液态co2相变定向射孔致裂优势方向。

下面以一个具体实施例来说明本发明的步骤方法。

该实施例以白皎煤矿应用地点为例，采用步骤(二)中三维地应力测试方法，获得应用地点地应力参数，如下表所示：

表1白皎矿地应力参数(单位：mpa)

采用步骤(三)方法，测试获得应用地点取煤岩泊松比为0.25，孔壁煤岩抗拉强度为5mpa。

采用步骤(四)，应用matlab计算方法，获得不同钻孔方位角、倾角、射孔角、孔壁破裂压力数组，并绘制成极坐标条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化云图，直角坐标系条件下孔壁破裂压力随钻孔方位角、倾角变化曲线，具体如图2、图3所示；

由图2可以看出：孔壁的最小破裂压力pmin随钻孔相对方位角α、孔倾角β的变化而表现出较大的差异性，在(α，β)为(271，56)时pmin＝26.7mpa，而在(α，β)为(180,30)时pmin＝6mpa，前者为后者的4.45倍。且由图2可以看出在钻孔相对方位角α为[0,30]、[150,210]、[330,360]时，pmin相对较低。由图3可以看出在方位角α一定的条件下，倾角在[0,45]和[135,180]破裂压力pmin取值相对较小，在倾角为30、150时pmin取得最小值，在倾角为54、125时pmin取得最大值。

综合上述分析可以看出，钻孔致裂增透过程中，孔壁起裂应力随钻孔方位角及倾角的改变而改变，因此在上述液态co2相变定向射孔优势方向确定过程中，应结合现场巷道与煤层位置关系进行优化布置。且孔壁起裂首先从相对方位角α为[0,30]、[150,210]、[330,360]区间段，即最大主应力近似平行的方向；获得白皎煤矿试验区域液态co2相变定向射孔最优方向区间为α∈[0,30]∪[150,210]∪[330,360]，若受应用现场巷道与煤层位置关系或其他特殊因素影响钻孔相对方位角须布置在α∈[30,150]∪[210,330]时，钻孔倾角β应设置为[25,45]区间内。该结果可以为白皎煤矿液态co2相变致裂增透过程钻孔布置提供数据支持。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。