煤炭学报

作者：朱帝杰, 梁卫国, 牛栋, 落弘业, 任森涛, 胡善为,

关键词：碎软煤层, 间接压裂, 破裂压力, 声发射响应, 裂缝面特征,

顶板水平井间接压裂是一种碎软低渗煤层煤层气高效开采的有效技术，确保压裂穿层并在煤层中形成导流能力良好、形态复杂的压裂缝网是该技术的关键。为探究碎软煤层间接压裂不同射孔深度条件下破裂压力和水力裂缝形态的演化规律，开展了不钻孔深度煤–砂质泥岩组合体真三轴压裂试验，结合声发射技术监测水力裂缝扩展动态响应，利用三维形貌扫描技术刻画煤体水力裂缝面形貌特征，并系统分析了钻孔深度对破裂压力、穿层效果与裂缝面形貌的影响机理。试验结果表明：随着钻孔深度增大，砂质泥岩破裂压力和破裂时间显著减小，水力裂缝面更曲折粗糙。钻孔深度由25 mm增至45 mm时，破裂压力降低1.57 MPa，破裂时间减少7 s，水力裂缝由直接穿层转变为先沿界面扩展一段距离后再穿层，注入压力曲线出现“二次峰值”，对应稳定渗流的注入压力更高，煤体水力裂缝面粗糙度系数增加12.5，表明增大钻孔深度可促进砂质泥岩破裂，有助于在煤体内形成形态复杂、表面粗糙、导流能力良好的水力裂缝。钻孔深度越小，水力裂缝起裂扩展释放的能量和声发射事件数越多。相较于45 mm深钻孔，25 mm深钻孔对应声发射累积能量多0.81 nJ，对应煤岩组合体声发射事件数多70个，对应煤体声发射事件数多40个，对应水力裂缝形态因砂质泥岩断裂导致的高能冲击效应而更为平直，表明减小钻孔深度有助于水力裂缝由砂质泥岩穿层进入煤体。煤–砂质泥岩组合体的无量纲弹性参数值为0.38，明显小于应力在岩石内部均匀传递所需的0.5，导致砂质泥岩内产生张拉型内应力。该内应力是钻孔深度影响砂质泥岩破裂压力的重要原因。间接压裂顶板水平井距煤岩界面越远或射孔深度越小，水力裂缝越容易由顶板扩展至煤层，但同时在煤层内的水力裂缝形态更平直，不利于形成复杂压裂缝网。因此，间接压裂顶板水平井钻进层位和射孔深度理论上存在一个最优值，该值的确定需综合考虑穿层效果、煤层压裂缝网复杂程度及其导流能力。研究结果可为间接压裂顶板水平井层位和射孔深度优化提供理论指导。

来源：2025年第4期

《煤炭学报》期刊编辑部

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