中文摘要：

煤储层的渗透率低是中国煤层气开发面临的主要困难之一，采用直井水力压裂方法是目前我国煤层气开发的主要途径。影响煤储层水力压裂裂缝发育的主要因素包括客观地质条件和压裂施工工艺两个方面。本项目拟通过一系列模拟实验和数值模拟分析，研究不同地质条件下煤储层水力压裂裂缝的起裂、扩展及延伸规律，耦合分析煤储层岩石力学性质、地应力状态、煤储层原生裂隙系统等地质因素对压裂裂缝发育的控制作用，揭示我国煤储层特殊地质条件下的水力压裂裂缝的发育规律，初步建立适合我国煤储层特点和地质条件的水力压裂裂缝发育模型，为完善我国煤层气的压裂增产技术提供支持。该项成果对于我国煤层气工业的发展具有一定的理论和实际意义。

结论摘要：

水力压裂方法是目前我国煤层气开发增产的主要途径之一。本项目通过开展煤储层岩石力学性质、地应力状态、原生裂隙系统等地质因素对压裂裂缝发育的控制作用研究，初步揭示了煤储层水力压裂裂缝的起裂、扩展及延伸发育规律，建立了适合我国煤储层特点和地质条件的水力压裂裂缝发育模型，对于完善我国煤层气压裂增产技术提供了重要理论支持。主要研究成果包括 ①煤岩力学性质总体表现为低强度、低弹性模量、高泊松比的特性以及较强的各向异性。煤储层割理发育程度是影响煤岩弹性模量的重要因素，垂直面割理方向和平行面割理方向的煤岩力学特征差异显著；煤岩的三轴抗压强度与围压之间呈线性关系；随围压增大，煤岩抗压强度的各向异性特征增强，而弹性模量和泊松比的各向异性减弱。 ②实验表明，饱和含水煤岩在单轴压缩条件下首先产生变形，然后出现裂隙，直到最后破坏。根据声发射和应力-应变曲线特征将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型三大类。当煤岩试件轴向平行面割理时，破裂过程出现迸裂型、破裂型，而无稳定型；当试件轴向垂直面割理时，破裂过程出现破裂型、稳定型，而无迸裂型。 ③以晋城矿区西部3号煤层的煤岩力学性质和地应力参数为基础，采用数值模拟方法计算了不同地应力条件下井壁处及天然裂缝缝端的破裂压力，分析了地应力对水力压裂起裂压力、起裂位置的影响。研究发现，起裂压力和起裂位置不但与地应力方位有关，而且与地应力大小有关，随水平主应力差系数增大，天然裂缝与最大水平主应力间的夹角对破裂压力的影响程度增大。对于晋城矿区西部3 号煤层，当水平主应力差系数大于0.84时，易产生较为平直的水力主缝；小于0.47时，易于产生网状裂缝；在0.47~0.84之间时，起裂方位与天然裂缝的分布有关。 ④基于晋城矿区西部3号煤层力学性质和地应力参数，利用ANSYS软件模拟了水力压裂过程中地应力场和储层弹性模量对裂缝起裂压力和裂缝扩展形态的影响。结果表明，裂缝的起裂压力与最大水平主应力无关，随最小水平主应力的增大而线性增大，变化范围为10～25 MPa；裂缝的最大缝长和最大缝宽不随最大水平主应力的变化而变化，随最小水平主应力和煤岩弹性模量的增大而减小，其中最大缝长介于36～83 m范围内的概率最高。模拟结果和现场数据基本吻合，说明该模型具有一定的合理性，研究成果对于沁水盆地南部地区煤层气井水力压裂设计具有重要的参考价值。