酸性压裂液对无烟煤动态断裂行为及能量耗散规律影响研究

摘要：

为探究冲击荷载作用下酸性压裂液对无烟煤断裂行为及能量耗散规律的影响,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击加载系统对酸性压裂液和水基压裂液处理后的直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样开展不同冲击气压下Ⅰ型动态断裂韧性试验,采用高速摄像装置记录煤样裂纹扩展过程,结合Image J图像分析软件及PCAS图像识别系统定量分析煤样宏观裂纹扩展轨迹特征及断面细观孔隙概率熵值.通过对比不同冲击气压和压裂液作用下无烟煤样的入射能、吸收能、断裂能和残余动能,得出冲击荷载下酸蚀煤样动态断裂过程的能量耗散规律.研究表明:自然状态煤样的动态断裂韧度最大,酸性压裂液作用煤样在冲击气压高于0.35 MPa后表现出较水基压裂液更低的断裂韧度值,在更高加载气压条件下酸性压裂液处理后煤样的预制裂纹更易起裂.酸性压裂液处理后煤样所需断裂能与水基压裂液组煤样所需断裂能的差值随加载气压的增大不断增加,加载气压越高,酸性压裂液处理后煤样所需断裂能较水基压裂液更少.煤样断面孔隙概率熵值随冲击气压增加而不断增大,酸性压裂液作用使得煤样的断面形貌由致密整齐向疏松多孔转变.针对不同加载速率下压裂液对煤岩断裂行为的弱化和增强双重作用机制进行探讨,基于压裂液的双重性质与线弹性断裂力学理论,建立考虑加载速率的细观断裂力学模型.研究成果可为酸化压裂无烟煤裂纹起裂与扩展机制研究提供试验支撑,为煤层酸化压裂设计及压裂改造中复杂缝网形成机制及调控方法提供理论指导.

关键词：岩石力学、无烟煤、断裂韧度、酸性压裂液、裂纹扩展、能量耗散

所属期刊栏目：43

分类号：TU45(土力学、地基基础工程)

在线出版日期：2024-06-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共24页

页码：1152-1175