阶梯状导向槽倾斜角度对低渗透煤层气开采裂缝演化及井筒稳定性的影响研究

《Scientific Reports》：Inclination-dependent fracture evolution and critical instability of echelon-grooved boreholes for coalbed methane recovery in low-permeability coal

　　

摘要

要从低渗透性煤层中提高煤层气的开采效率，就需要使用能够增强渗透性的结构来促进裂缝的连通性，同时不损害井筒的稳定性。阶梯状导向槽能够提供一个可控的缺陷分布，从而引导煤层气开采井周围的定向裂隙形成；然而，裂缝演化过程以及导致关键不稳定性的机制至今仍不明确。在本研究中，制备了含有中央煤层气开采井和阶梯状导向槽的模拟煤样，这些导向槽的倾斜角度分别为0°、30°、45°、60°和90°。通过单轴压缩试验，并利用VIC-3D数字图像相关技术监测了全场应变分布、裂缝起始、裂缝扩展以及井筒变形情况。实验结果表明：当导向槽的倾斜角度从0°增加到45°时，材料的峰值强度、残余强度和变形模量显著降低；当倾斜角度进一步增加到90°时，这些力学参数逐渐恢复。裂缝演化分析显示：在小倾斜角度下，裂缝主要从井筒壁开始生成并表现为反向翼状裂缝；而在45°至90°的倾斜角度范围内，裂缝主要从导向槽的尖端开始生成并表现为正向翼状裂缝。倾斜角度为45°的煤样表现出最多的裂缝数量、最宽的主裂缝以及最严重的周向损伤。此外，随着导向槽倾斜角度的增加，井筒损伤程度先增大后减小，在45°时达到最大值，这说明在当前测试条件下，45°是五种倾斜角度中最不利于井筒完整的角度。这些发现揭示了阶梯状导向槽在增强裂缝连通性和削弱井筒完整性方面的双重作用，为优化低渗透性煤层气开采的定向开槽参数提供了定量依据。