秦 勇，李恒樂,2，張永民，趙有志，趙錦程，邱愛慈

基于地質–工程條件約束的可控沖擊波煤層致裂行為數值分析

秦 勇1，李恒樂1,2，張永民3，趙有志3，趙錦程1，邱愛慈3

(1. 中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2. 河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191；3. 西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

可控沖擊波(CSW)巖層致裂技術作為巖層改造領域的一項變革性技術，已在煤層改造等方面取得顯著應用效果，并在煤炭安全開采領域開展應用探索。然而，受實驗及現場監(jiān)測條件限制，前期對地質–工程因素約束下的CWS巖層致裂基本規(guī)律理解不足，制約了對致裂機理的探索及現場作業(yè)參數的優(yōu)化。鑒于此，在闡述CSW煤層改造及其面臨的工程科學問題基礎上，采用基于連續(xù)介質力學的離散元方法(CDEM)開展數值模擬，以進一步揭示地應力、煤巖力學性質、沖擊波加載條件約束下的CSW煤層致裂行為及其基本規(guī)律。結果顯示，CSW加載條件對致裂效果的影響存在最優(yōu)范圍，過度加載會導致近井地帶煤體崩解，煤粉產出率增加，造成煤儲層傷害；同時，煤體破碎導致波阻抗及沖擊波衰減速度增大，限制有效改造半徑擴展；地應力增大，破裂半徑、破裂度存在臨界值，水平主應力差對CSW沖擊裂隙形態(tài)、擴展方位及縫網連通程度存在顯著影響。研究揭示，CSW煤巖致裂效果對力學性質的響應存在選擇性：彈性模量與破裂半徑、破裂度之間存在拐點臨界值；黏聚力增大，煤巖脆性變小，致裂效果變差；抗拉強度似乎對CSW致裂效果沒有明顯影響。研究成果可為CSW作業(yè)煤層優(yōu)選及參數優(yōu)化措施提供參考。

可控沖擊波；煤層；改造效果；約束條件；數值模擬

低成本清潔高效破巖技術與非常規(guī)油氣儲層改造以及礦井安全生產保障密切相關，可控沖擊波(Controllable Shock Wave，縮寫為CSW)是該領域近年來發(fā)展起來的一項變革性技術。邱愛慈院士團隊率先提出了基于脈沖功率技術原理的CSW非常規(guī)天然氣儲層改造的設想[1-3]。通過十余年的不懈探索，發(fā)明了CSW科學實驗和現場作業(yè)儀器裝備，在CSW技術原理上形成了一系列認識[4-14]，煤層致裂改造作業(yè)工藝研究和現場試驗取得顯著效果[15-22]，帶動了CSW技術在頁巖氣儲層改造方向以及堅硬頂板可控放頂、沖擊地壓能量預釋等方向的積極探索。目前，CSW及其衍生技術已成為國內外化石能源礦產開采破巖領域的一個熱點研究方向[23-33]。然而，CSW巖層致裂效果是地質條件與沖擊波作業(yè)條件綜合作用的結果，物理實驗難以系統(tǒng)模擬，現場監(jiān)測條件目前尚不具備，致使對致裂基本規(guī)律及關鍵因素缺乏足夠理解。鑒于此，筆者運用CDEM軟件，以煤層為特定研究對象，考慮地應力、煤體力學性質及沖擊波加載條件，模擬了地質–工程條件綜合約束下SCW煤層致裂行為，進而探討了CSW作業(yè)煤層優(yōu)選及參數優(yōu)化措施。

1 CSW煤層改造及其工程科學問題

沖擊波是一種激波，以不連續(xù)峰形式在介質中的傳播，特點是波前的跳躍式變化，即產生一個鋒面，鋒面處介質物理性質(如壓強、溫度、密度等)發(fā)生跳躍式改變，對介質造成破壞和擾動[34]。沖擊波以介質運動軌跡為中心的一系列球面波方式向前推進，當波源以超波速的速度向前運動時，相對近源地帶運動介質本身的運動充當下一個球面波的波源，從而擾動或激起下一個球面波的產生。在固相、液相以及氣相介質中，強烈的沖擊作用會形成激波，如在等離子體中也會形成激波。

從波源到影響半徑末端，根據介質狀態(tài)變化時間(H)與介質靜態(tài)恢復時間(s)之間關系，沖擊波煤層傳播過程由三帶構成(圖1)[35]。第一帶為沖擊波應力帶，以幅值(強度)、沖擊次數、作用區(qū)可控的模式越過井壁，通過沖擊波的沖擊力直接破裂煤層，在近源地帶煤層中形成裂縫，溝通井眼與縱深煤層；第二帶為壓縮波作用帶，波源能量由于在第一帶的消耗而有所衰減，在幅值低于煤層抗壓強度但高于抗張、抗剪強度的區(qū)域衰減為壓縮應力波，再以剪切、拉伸方式撕裂煤層，形成裂隙網絡系統(tǒng)；第三帶為彈性波作用帶，沖擊波進一步衰減為高強彈性聲波(地震波)，以高頻正弦波方式在煤層內部不同界面上產生交變剪切力，剝離煤粉，疏通滲流通道，交變震蕩作用擾動和削弱了毛細管壓力及偶電層吸附滯留效應，同時伴生熱效應，從而促進煤層瓦斯解吸，改善流體可動性。

圖1 沖擊波傳播路徑及其與煤層改造效果關系[35]

根據上述基本原理，邱愛慈等[1]提出采用CSW來激勵非常規(guī)天然氣儲層的設想，以幅值、沖量、作用段、加載次數等可控為特點，在鉆孔中以“單點多次，多點連續(xù)”方式對煤層進行沖擊增滲[16]。置于井眼中裝備對飽和水巖層強功率釋放能量，將高功率電脈沖轉換為電子束能、激光能量、微波能量、熱能和等離子體能量，在巖層中生成高壓脈沖波，進而以機械能及材料疲勞效應作用于巖層，達到激勵和改造儲層的目的[2]。為了產生足以改造巖層的強沖擊波，沖擊波發(fā)生技術也在不斷地改進和創(chuàng)新，從早期的水中電擊穿發(fā)展到金屬絲電爆炸，目前再次進步到金屬絲電爆炸等離子體驅動含能混合物產生沖擊波的新技術[3]。目前，CSW技術已從探索性試驗轉變?yōu)橐豁棇嵱眉夹g，從地面井應用延伸到礦井，從原生結構巖層拓展到構造變形巖層，一項基于新原理的巖層改造技術正在發(fā)展。

與CSW作業(yè)裝備、技術發(fā)展及現場試驗相比，相關基礎研究相對滯后，制約了對CSW致裂機理的深入理解以及現場作業(yè)參數和工藝的優(yōu)化。煤層屬于“有機”地質體，受力變形破裂之前具有收縮膨脹性質[36]，導致與砂巖等“無機”巖層相比煤層對應力的響應更為敏感[37]。為此，CSW作用下波－流－煤耦合作用是面臨的第一個科學問題。沖擊波造成的巖石破碎度并非離波源越近就越大，破碎度大的地帶出現在不同位置或距離[38]。由此，沖擊波在煤層中非線性傳播與煤體致裂全過程及其動力學機理，構成第二個科學問題。影響煤層CSW改造效果的地質條件包括煤層本身屬性和地層環(huán)境兩個方面，如果煤層屬性相似，則不同CSW加載方式、參數組合等工程措施會產生不同改造效果。鑒于此，地質–工程條件耦合作用對煤層致裂行為影響的基本規(guī)律，是該技術發(fā)展面臨的第三個科學問題。

上述第三個科學問題正是本文關注的主要問題，可從物理模擬、數值模擬和現場監(jiān)測3個方面獲取信息。然而，物理模擬無法兼顧各種地質–工程條件，現場監(jiān)測成本高昂及作業(yè)條件苛刻。數值模擬不受實驗及現場條件限制，可以用來分析物理模擬實驗難以完成的內容，尤其是地質–工程條件綜合約束下可控沖擊波巖層致裂的過程、影響因素和最終效果。鑒于此，筆者以前期物理模擬實驗[4-5,7]為基礎，考慮地應力、煤體力學性質及沖擊波加載條件3個方面，開展地質–工程條件綜合約束下SCW煤層致裂行為的數值模擬與數值分析。

2 CSW煤層致裂數值模擬軟件及方法

建立二維煤層氣井數值模型，利用連續(xù)介質力學的離散元方法(Continuum-based Discrete Element Method，簡稱CDEM)軟件進行模擬，分析地質條件和工程條件對致裂效果的影響，明確相關因素的相對重要性。

2.1 數值模擬軟件及其特點

CDEM軟件適用于模擬地質體非連續(xù)變形及漸進破壞[39]。該軟件中計算模型包括塊體單元和接觸邊界(圖2)：塊體都被看作是彈性體，塊體內部根據力邊界條件用有限元(FEM)方法求取各點位移；接觸邊界引入法向和切向彈簧，通過彈簧斷裂實現塊體破裂滑移，采用離散元(DEM)方法計算，塊體間非連續(xù)變形通過彈簧斷裂予以實現[40-41]。

圖2 CDEM中的塊體和界面[41]

CDEM軟件在模擬材料彈塑性變形的同時，可模擬展示材料中裂縫的萌生、擴展及貫通過程[41-42]。同時，軟件采用結構面軟化模型，將結構面彈簧的黏聚力、抗拉強度與塑性應變聯(lián)系起來，避免傳統(tǒng)脆斷模型引起的模擬結果失真[41]。

CDEM軟件在模擬地質體連續(xù)漸進破壞方面具有某些優(yōu)勢：可以模擬地質體由連續(xù)體到非連續(xù)體的漸進破壞過程，并用顯式裂紋實現過程描述；含有適用于地質體損傷破裂過程分析的應變強度分布準則，可獲得模擬體的平均拉伸及剪切破損度；采用單元內部切割細化模型，實現地質體裂紋萌生、擴展過程模擬，弱化了裂紋擴展的網格依賴問題；有半彈簧–半棱耦合、觸棱兩類高效接觸檢索及接觸力計算模型，可用于三維凸多面體接觸碰撞過程的快速分析；塊體破裂模型可以使單元自身發(fā)生破裂，且存在多個潛在破裂方向，降低了地質體破裂過程分析的網格依賴性。

在CSW作用下，煤層中新生裂隙的萌生擴展是一個累計疊加的過程。CDEM軟件通過單點重復施加半周期正弦載荷方式代替重復沖擊載荷，適合進行CSW煤層致裂行為數值分析。

2.2 數值模擬條件與參數

2.2.1 計算模型及參數選取

1) 基本假設

將煤巖體視為均質各向同性的線彈性介質，重力為零，暫不考慮流體壓力、溫度與地應力的耦合效應對致裂效果的影響。

CSW作用下煤巖體的破裂滿足Mohr-Coulomb準則和最大拉應力準則，破裂主要發(fā)生在接觸界面上，塊體單元本身只發(fā)生彈性變形。

煤巖體破裂前按連續(xù)介質計算，破裂后按非連續(xù)介質計算。

2) 計算模型

CSW現場致裂條件多樣，煤礦井下采用裸眼致裂方式[16-18,21]；地面井多是對傳統(tǒng)方法效果不理想井進行作業(yè)，相當于套管+射孔+水力壓裂條件[2-3,14-15,22]。為此，利用ANSYS軟件建立邊長100 m的二維數值模型(圖3)，在模型中心設置套管和固井水泥環(huán)(圖4)。依據DZ/T 0250—2010《煤層氣鉆井作業(yè)規(guī)范》和NB/T 10003—2014《煤層氣鉆井工程質量驗收評級標準》，設定生產套管直徑139.7 mm，壁厚7.72 mm；按煤層段井徑擴大率優(yōu)良級別下限值25%計算，固井水泥環(huán)厚度設為65.1 mm。

圖3 數值計算模型

圖4 數值計算模型網格剖分

3) 巖石物性參數

模擬需要的巖石物性參數及其取值見表1。相關參數取值來自兩個方面，一是本文作者前期完成的煤巖力學實驗[5]，二是前人關于固井水泥環(huán)、套管力學參數的測試結果[43-46]。

2.2.2 初始條件與邊值條件

1) 靜態(tài)初始及邊值條件

位移邊界以坐標方式在模型4個邊界設置、兩個方向上的位移量，即在模型四周施加位移約束。

靜力邊界在方向上施加最大主應力H，在方向上施加最小主應力h(圖3)。通過改變最大、最小主應力值以及兩者相對大小，模擬分析地應力場對CSW煤層致裂效果的影響。

2) 動態(tài)邊界條件

動態(tài)邊界條件設置需解決兩個問題：一是反射邊界，為了消除反射波對模擬結果的影響，計算過程中在模型四周施加無反射邊界條件；二是CSW加載方式，現有的一次性爆炸沖擊波加載模型無法直接利用，需要尋求一個具有反復加載且加載間隔可控的加載模型。

煤層非均質性和各向異性強，其力學性質十分復雜，利用恒定的力學參數勢必造成模擬結果的局限性。為了盡可能真實反映煤巖力學性質，模擬參數設計以表1數據為基礎，密度、泊松比、彈性模量采用平均值，黏聚力、抗拉強度、內摩擦角、剪脹角等采用概率均勻分布模式，通過各參數的上下限進行控制，但其平均值與表1中數據保持一致。也就是說，數值模擬過程中各塊體單元具有服從均勻分布的不同強度，但其均質性保持不變。

如圖1所示的基本原理，沖擊波呈正弦波形式傳播，CSW加載間隔遠大于沖擊波在巖層中傳播的衰減消失時間。一個無限大巖體當受到沖擊波作用時，其破裂程度主要取決于峰值壓力和正壓作用時間?；诖?，利用半正弦應力波來代替爆炸沖擊波中對巖體破裂起主導作用的應力波，同時疊加反復加載以及峰值壓力、脈寬(正壓作用時間)可調等功能。需要指出的是，盡管沖擊波脈寬與正壓作用時間并非一個嚴格對等的概念，但采用半正弦波脈寬來代替正壓作用時間仍然具有一定合理性。

表1 數值模擬材料力學參數

注：0.5~20.0/5.0表示最小值~最大值/平均值，其他數據同。

2.3 煤巖體破裂程度表征方法

采用破裂半徑和破裂度來描述CSW作用下煤巖體的破裂程度。破裂度是用來度量地質體破裂程度的物理量，定義為模型中統(tǒng)計區(qū)域內已破裂的界面數與統(tǒng)計區(qū)域內總界面數的比值[40-41]：

b＝100×b/(1)

式中：b為破裂度；b為統(tǒng)計區(qū)域內破裂的界面數；為統(tǒng)計區(qū)域內的總界面數。其中，b的分布區(qū)間為[0,100]，b=0表示無破裂，b=100表示完全破裂。

2.4 數值模擬交叉實驗方案

根據上述討論，考慮地質、工程兩個方面，制定了參數交叉約束的3套8個數值模擬方案(表2)。

地質條件考慮地應力和煤巖力學性質兩類參數，工程條件涉及井筒設計(圖4b)和CSW加載兩類參數。在力學性質方面：抗拉強度、黏聚力、彈性模量3個參數在加載條件和地應力模擬方案中恒定，僅在煤巖力學性質中為變量；泊松比、密度、內摩擦角、剪脹角4個參數設為恒定值，在各個模擬方案中保持不變。在工程條件方面：固井水泥環(huán)和套管參數在模擬過程中保持不變，即工程參數變量只考慮CSW加載條件，包括峰值壓力、沖擊次數和脈寬3個具體參數。

所有方案均采用小能量(約相當于5 g含能彈的能量)多加載次數方式進行模擬，以便放大煤層致裂過程，觀測致裂演化的細節(jié)。

3 地質–工程條件與CSW煤層致裂

所有模擬方案對套管及水泥環(huán)均采用同樣設計，同時不同模擬條件下套管及水泥環(huán)對沖擊波傳導的影響目前無法剝離。為此，地質–工程條件與CSW煤層致裂行為的關系按表2方案模擬結果展開討論。

表2 CSW煤層致裂數值模擬參數及交叉模擬方案

3.1 CSW加載條件與煤層裂隙擴展規(guī)律

設定煤巖力學參數保持不變，地應力場各向同性，改變加載參數，分別模擬脈寬、加載次數和峰值壓力對CSW煤層致裂行為的影響(表2)。

第一，脈寬對煤層致裂半徑的影響。恒定加載次數、峰值壓力和煤巖力學性質，無地應力約束；目前現場作業(yè)脈寬一般大于50 μs，為放大致裂過程以觀測致裂演化細節(jié)，模擬脈寬設為100、200、400、800、1 200、1 600 μs六級(表2)。結果顯示，脈寬增大，CSW煤層裂隙以等半徑方式(圓形)向外擴展，裂縫之間有所交聯(lián)并構成裂縫網絡。破裂半徑呈非線性增大，以200 μs為界呈現為破裂半徑快速增大與緩慢增大2個演化階段(圖5)。在模擬脈寬范圍內，脈寬200 μs時破裂半徑增大率占最終增大率的57%，脈寬1 200 μs處破裂半徑增大率達到最終增大率的95%。為此，CSW現場作業(yè)參數優(yōu)化在不考慮校正系數前提下，脈寬優(yōu)化范圍介于200~1 200 μs。

圖5 CSW脈寬與煤層破裂半徑之間關系

第二，加載次數對煤層致裂效果的影響。恒定峰值壓力和煤巖力學性質，地應力各向同性(H＝h＝ 5 MPa)，加載次數設為1、5、10、25、50、75和100次7級(表2)。加載次數增加，破裂程度以等半徑方式非線性增大，裂縫之間相互交聯(lián)程度增強(圖6)。分別以25、50次為界，破裂半徑擴展呈現快速增長、緩慢增長、趨于穩(wěn)定3個階段，兩個分界點處破裂半徑增長率分別占最終增長率的86%和98%(圖7a)。同時，破裂度分別以10、50次為界，呈現3個相似的擴展階段，分界點破裂度增長率分別占最終增長率的67%和96%(圖7b)。由此，給出了數值模擬條件下的加載次數優(yōu)化范圍，上限和下限閾值與物理模擬實驗結果[5]基本一致。需要指出的是，本文模擬獲得的致裂半徑相對較小，原因在于模擬采用小當量(5 g含能彈)能量，而現場作業(yè)采用25 g含能彈激發(fā)沖擊波，煤層有效致裂半徑可達40 m[17,21-22]。

圖6 CSW加載次數對煤層裂隙擴展行為的影響

第三，峰值壓力對煤層致裂效果的影響。恒定煤巖力學性質和脈寬，無地應力約束，加載次數設定為1次和10次兩級。目前現場作業(yè)峰值壓力一般在120 MPa左右，故模擬峰值壓力設為九級，即5、10、25、50、75、100、125、150和200 MPa(表2)。無地應力約束相當于H＝h＝0 MPa。在此條件下，煤層破裂行為隨峰值壓力增大呈現出兩個演化規(guī)律，一是破裂半徑隨之呈非線性增大，二為以井眼為中心裂縫等半徑向外輻射擴展且相互之間幾乎沒有交聯(lián)(圖8)。以加載10次為例，破裂半徑和破裂度均以峰值壓力50、100 MPa為界，經歷了3個發(fā)展階段，50 MPa時兩個參數增長率均占對應最終增長率的65%；100 MPa時兩個參數增長率分別占對應最終增長率的86%和82%(圖9)。換言之，模擬條件下的峰值壓力50~100 MPa，是可考慮的峰值壓力優(yōu)化范圍。

圖7 CSW加載次數與煤層破裂效果之間關系

圖8 CSW峰值壓力對煤層裂隙擴展行為的影響

圖9 CSW峰值壓力與煤層破裂效果之間關系

3.2 地應力條件與CSW煤層致裂行為

固定煤巖力學參數以及脈寬和加載次數，改變或恒定峰值壓力，改變應力狀態(tài)，模擬地應力變化與CSW煤層裂隙擴展行為之間關系(表2)。

首先，考察各向同性地應力場情況。即：H=h，按1、2、5、10、15、20、25和30 MPa八級設置；峰值壓力設為50、100、200 MPa三級。無論地應力大小如何，破裂半徑均以等半徑形式變化，裂縫間存在程度不一的相互交聯(lián)。若地應力不變，破裂半徑和破裂度隨峰值壓力升高而增大；地應力增大，破裂半徑和破裂度均隨之呈冪指數形式減小；地應力增大到一定程度，破裂度減小速率顯著變緩；地應力一旦大于10 MPa，不同峰值壓力破裂半徑之差隨地應力增大而減小，破裂度之差基本保持穩(wěn)定(圖10)。因此，煤層致裂行為對峰值壓力的響應在低地應力情況下更為敏感，高地應力狀態(tài)則需加大CSW能量。

其次，考察各向異性地應力場情況。恒定峰值壓力和加載次數；將H固定為10 MPa，h設為4、6和8 MPa三級，相應的最大水平主應力差Δ依次為2、4和6 MPa(表2)。結果顯示，各向異性地應力場對煤層裂縫擴展行為影響的最顯著特征，表現為對裂隙優(yōu)勢發(fā)育方向的控制(圖11)。Δ越大，越容易產生平行于最大水平主應力方向的長裂縫，裂縫網絡化程度隨之增高；水平主應力差越小，越容易產生放射狀裂縫。換言之，地應力場各向異性越大，煤層裂縫擴展方向性越強。對于這種情況，可發(fā)揮CSW加載方位可控的優(yōu)勢，考慮單點多方位作業(yè)，促進井筒四周沖擊裂縫均衡發(fā)育。

圖10 地應力與煤層破裂效果之間關系

3.3 煤巖力學性質與CSW煤層致裂行為

考察上述數值模擬結果，結合物理模擬相關認識[4-5]，CSW煤層致裂行為在峰值壓力100 MPa、加載25次、地應力10 MPa等處具有拐點效應。為此，將這些參數設為固定值。在此基礎上，分別改變彈性模量(8級)、抗張強度(6級)和黏聚力(6級)，其他力學參數不變(表2)。

模擬結果揭示，彈性模量對CSW煤層致裂效果具有重要影響，在5 GPa處出現一個改造效果的峰值，無論破裂半徑還是破裂度均是如此(圖12)。彈性模量小于5 GPa時，煤層破裂半徑和破裂度隨彈性模量的增高而增大，大于5 GPa則反之。這一現象反映了煤巖脆性與強度之間關系及其對CSW作用的響應。彈性模量較小或脆性較大時，CSW加載下煤體較易破碎，致使沖擊波衰減快，破裂半徑小；彈性模量增加到一定程度，煤巖脆性達到最大，裂隙半徑擴展到最大值，出現最佳致裂效果；彈性模量繼續(xù)增大，煤巖強度過高，致裂難度增大，致裂效果降低?；蛘哒f，彈性模量對CSW致裂效果的影響存在一個閾值，低于此閾值時，致裂效果隨彈性模量的增大而增強，反之則變弱。

圖11 各向異性地應力場對煤層裂隙擴展行為的影響

進一步考察發(fā)現，煤層致裂效果隨黏聚力的增高而快速減弱，但隨抗張強度增大而僅有微弱增大趨勢，未見實質性影響(圖13)。造成前一現象的原因，可能在于煤巖黏聚力越大，韌性越強，脆性則越弱，煤層致裂效果越差。后一現象的原因可能與沖擊波呈球面波形式向前推進的傳播方式有關，值得今后進一步探討。然而，目前認識至少揭示CSW煤層改造應關注兩個問題：一是脆性越大的煤層可改造性越強，這與水力壓裂等改造措施所遵循的原則一致；二是常規(guī)改造措施中必須考慮的某些巖石力學參數，如抗張強度，對CSW選層可能沒有那么重要。

圖13 抗拉強度和黏聚力與煤層破裂效果之間關系

4 煤層優(yōu)選及參數優(yōu)化的思考

分析上述結果，就數值模擬條件范圍內CSW作業(yè)煤層優(yōu)選及加載參數優(yōu)化提出三方面建議。

第一，CSW加載條件對煤層致裂效果的影響存在最優(yōu)范圍。若沖擊次數過多，近井地帶煤體崩解，波阻抗增大，沖擊波衰減速度增大。也就是說，過度加載作業(yè)可能導致煤體破碎，煤粉產出率增加，造成煤層傷害；把握CSW峰值壓力閾值范圍，控制加載能量，是CSW煤層致裂效果“可控”的重要舉措。脈寬優(yōu)化范圍介于200~1 200 μs；最佳峰值壓力為50~100 MPa，考慮地層中某些不可模擬的沖擊能量衰減因素，峰值壓力可考慮一個適當的放大系數；加載次數優(yōu)化范圍為25~50次，加大沖擊能量則可適當下調單點加載次數，如20 g含能彈條件下最佳加載次數在6~8次[5]。此外，主應力大于一定閾值之后，如15 MPa，在保證足夠沖擊能量基礎上可降低對脈沖壓力重要性的考慮。

地應力對CSW煤層致裂效果存在正負兩方面影響。一是具有明顯促進作用，較強各向異性地應力場有利于裂縫之間相互交聯(lián)而形成裂縫網絡，水平主應力差小的地應力場有利于形成環(huán)井眼周邊擴展的縫網體系。二是具有強烈抑制效應，地應力場各向異性過低會造成裂縫之間連通性變差，過強則導致裂縫擴展方向性過強而不利于井眼周邊裂縫均衡發(fā)育。為此，高地應力情況下，CSW煤層致裂需要加載大的沖擊能量；對于較強各向異性地應力場，建議至少在單點兩個相互垂直方位上實施CSW作業(yè)，促進井筒四周煤層改造裂隙均衡發(fā)育。

CSW煤巖致裂效果對力學性質響應存在選擇性。地層條件下存在煤層致裂的最佳彈性模量范圍，彈性模量與破裂半徑、破裂度之間關系的拐點臨界值，可作為優(yōu)選煤巖力學性質的閾值上限，CSW改造對象優(yōu)選應考慮閾值之下適當范圍的煤層。煤層致裂效果隨黏聚力增大而降低，過大的黏聚力可能成為影響CSW改造效果的一個重要因素。抗拉強度似乎對CSW致裂效果沒有實質性影響，其權重在CSW作業(yè)選層和參數優(yōu)化中可適當降低。

5 結論

a. CSW加載條件對煤層致裂效果的影響存在最優(yōu)范圍。過度加載作業(yè)可能造成煤層傷害，把握CSW峰值壓力閾值范圍是保證煤層致裂效果“可控”的重要措施。在模擬條件范圍內，脈寬優(yōu)化范圍介于200~1 200 μs，最佳峰值壓力為50~100 MPa，加載次數優(yōu)化范圍為25~50次，加大沖擊能量則可適當下調單點加載次數。地應力大于一定閾值之后，在保證足夠沖擊能量前提下可降低對脈沖壓力重要性的考慮。

b. 地應力對CSW煤層致裂效果存在正負兩方面影響。一方面具有明顯促進作用，較強各向異性地應力場可促進縫網擴展發(fā)育，水平主應力差小則有利于井眼周邊縫網體系的均衡擴展。另一方面具有強烈抑制效應，地應力場各向異性過低會造成裂縫連通性變差，過強則導致裂縫定向性擴展。為此，CSW煤層致裂在高地應力情況下需要加大沖擊能量，在較強各向異性地應力場條件下可對單點實施多方位作業(yè)，以促進改造裂隙均衡發(fā)育。

c. CSW煤巖致裂效果對力學性質響應存在選擇性。煤層致裂存在一個最佳彈性模量范圍，彈性模量與破裂半徑、破裂度之間關系的拐點可作為優(yōu)選煤巖力學性質的閾值上限。過大的煤層黏聚力可能顯著影響CSW改造效果，抗拉強度權重在CSW作業(yè)選層和參數優(yōu)化中可適當降低。

d.需要說明的是，本文相關討論局限于數值模擬實驗結果，下一步將在CSW工程試驗中配套致裂效果現場監(jiān)測手段，根據監(jiān)測結果驗證數值模擬認識，完善數值模擬模型和參數，力求使數值模擬成為一種可用于現場作業(yè)設計的輔助手段。

[1] 邱愛慈，張永民，蒯斌，等. 高功率脈沖技術在非常規(guī)天然氣開發(fā)中應用的設想[C]//謝克昌，黃其勵. 中國工程院/國家能源局第二屆能源論壇論文集. 北京：2012：22–24. QIU Aici，ZHANG Yongmin，KUAI Bin，et al. Application assumption of high power pulse technology in unconventional natural gas development[C]//XIE Kechang，HUANG Qili. Proceedings of the second energy forum of Chinese Academy of Engineering and National Energy Administration. Beijing：2012：22–24.

[2] 秦勇，邱愛慈，張永民. 高聚能重復強脈沖波煤儲層增滲新技術試驗與探索[J]. 煤炭科學技術，2014，42(6)：1–7. QIN Yong，QIU Aici，ZHANG Yongmin. Experiment and discovery on permeability improved technology of coal reservoir based on repeated strong pulse waves of high energy accumulation[J]. Coal Science and Technology，2014，42(6)：1–7.

[3] 張永民，邱愛慈，周海濱，等. 面向化石能源開發(fā)的電爆炸沖擊波技術研究進展[J]. 高壓電技術，2016，42(4)：1009–1017. ZHANG Yongmin，QIU Aici，ZHOU Haibin，et al. Research progress in electrical explosion shockwave technology for developing fossil energy[J]. High Voltage Engineering，2016，42(4)：1009–1017.

[4] 趙麗娟. 煤巖波動致裂增滲物理模擬[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2014. ZHAO Lijuan. Physical simulation of fracturing and permeability enhancement of coals under wave action[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2014.

[5] 李恒樂. 煤巖電脈沖應力波致裂增滲行為與機理[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2015. LI Hengle. Behavior and mechanism of fracturing and enhanced-permeability of coals with electric pulse stress waves[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[6] 李恒樂，秦勇，張永民，等. 重復脈沖強沖擊波對肥煤孔隙結構影響的實驗研究[J]. 煤炭學報，2015，40(4)：915–921. LI Hengle，QIN Yong，ZHANG Yongmin，et al. Experimental study on the effect of strong repetitive pulse shockwave on the pore structure of fat coal[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(4)：915–921.

[7] 周曉亭，秦勇，李恒樂，等. 電脈沖應力波作用下煤體微裂隙形成與發(fā)展過程[J]. 煤炭科學技術，2015，43(2)：127–130. ZHOU Xiaoting，QIN Yong，LI Hengle，et al. Formation and development of coal micro-fractures under stress wave induced by electrical impulses[J]. Coal Science and Technology，2015，43(2)：127–130.

[8] 盧紅奇. 高壓電脈沖對煤體致裂作用實驗研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(北京)，2015. LU Hongqi. Experimental research on fracturing coal with high-voltage electrical pulse[D]. Beijing：China University of Mining & Technology(Beijing)，2015.

[9] SHI Qingmin，QIN Yong，LI Hengle，et al. Response of pores in coal to repeated strong impulse waves[J]. Journal of Natural Gas Science & Engineering，2016，34：298–304.

[10] 周曉亭. 重復電脈沖波煤巖致裂增滲效果巖石學分析[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2016. ZHOU Xiaoting. Coal petrology analysis of effect for enhancing coal reservoir permeability with repetitive electric pulses wave[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2016.

[11] 隋義勇，張永民，李加強，等. 脈沖沖擊波有效作用距離影響因素模擬分析[J]. 中國石油大學學報(自然科學版)，2016，40(5)：118–122. SUI Yiyong，ZHANG Yongmin，LI Jiaqiang，et al. Numerical simulation study on parameters impacting effective influence distance of pulse shock waves for well stimulation[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2016，40(5)：118–122.

[12] 周海濱，劉巧玨，趙有志，等. 脈沖大電流放電引爆含能材料產生沖擊波的儲層改造[J]. 強激光與粒子束，2016，28(4)：196–200. ZHOU Haibin，LIU Qiaojue，ZHAO Youzhi，et al. Transformation of oil-and-gas reservoir with shock waves by high current pulsed discharge ignited energetic materials explosion[J]. High Power Laser and Particle Beams，2016，28(4)：196–200.

[13] 鮑先凱，楊東偉，段東明，等. 高壓電脈沖水力壓裂法煤層氣增透的試驗與數值模擬[J]. 巖石力學與工程學報，2017，36(10)：2415–2423. BAO Xiankai，YANG Dongwei，DUAN Dongming，et al. The experiment and numerical simulation of penetration of coalbed methane upon hydraulic fracturing under high-voltage electric pulse[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36(10)：2415–2423.

[14] 張永民，邱愛慈，秦勇，等. 電脈沖可控沖擊波煤儲層增透原理與工程實踐[J]. 煤炭科學技術，2017，45(9)：79–85. ZHANG Yongmin，QIU Aici，QIN Yong，et al. Principle and engineering practices on coal reservoir permeability improved with electric pulse controllable shock waves[J]. Coal Science and Technology，2017，45(9)：79–85.

[15] 白建梅，程浩，祖世強，等. 大功率脈沖技術對低產煤層氣井增產可行性探討[J]. 中國煤層氣，2010，7(6)：24–26. BAI Jianmei，CHENG Hao，ZU Shiqiang，et al. Discussion on feasibility of enhancing production of low：Production CBM wells by using powerful pulse techniques[J]. China Coalbed Methane，2010，7(6)：24–26.

[16] 張永民，邱愛慈，秦勇. 可控沖擊波增透松軟煤層的工程實踐[J]. 山西焦煤科技，2017 (8/9)：116–121. ZHANG Yongmin，QIU Aici，QIN Yong. Engineering practice on controllable shock wave reinforcement on soft coal seam[J]. Shanxi Coking Coal Science ＆ Technology，2017(8/9)：116–121.

[17] 張永民，蒙祖智，秦勇，等. 松軟煤層可控沖擊波增透瓦斯抽采創(chuàng)新實踐：以貴州水城礦區(qū)中井煤礦為例[J]. 煤炭學報，2019，44(8)：2388–2400. ZHANG Yongmin，MENG Zuzhi，QIN Yong，et al. Innovative engineering practice of soft coal seam permeability enhancement by controllable shock wave for mine gas extraction：A case of Zhongjing Mine，Shuicheng，Guizhou Province，China[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(8)：2388–2400.

[18] 張永民，安世崗，陳殿賦，等. 可控沖擊波增透保德煤礦8#煤層的先導性試驗[J]. 煤礦安全，2019，50(10)：14–17. ZHANG Yongmin，AN Shigang，CHEN Dianfu，et al. Preliminary tests of coal reservoir permeability enhancement by controllable shock waves in Baode Coal Mine 8#coal seam[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(10)：14–17.

[19] 郭智棟，曾雯婷，方惠軍，等. 重復脈沖強沖擊波技術在煤儲層改造中的初步應用[J]. 中國石油勘探，2019，24(3)：397–402. GUO Zhidong，ZENG Wenting，FANG Huijun，et al. Initial application of intense repeated pulse wave for stimulating CBM reservoirs[J]. China Petroleum Exploration，2019，24(3)：397–402.

[20] 王向東，李文剛. 吉寧煤礦可控沖擊波增透技術應用分析[J]. 山西焦煤科技，2019(2)：4–7. WANG Xiangdong，LI Wengang. Application analysis of controlled shock wave penetration enhancement technology in Jining Coal Mine[J]. Shanxi Coking Coal Science & Technology，2019(2)：4–7.

[21] 蘇士龍. 堅硬厚煤層可控沖擊波增透技術應用[J]. 煤炭工程，2019，52(9)：71–75. SU Shilong. Application of controllable shock wave for permeability enhancement in hard thick coal seam[J]. Coal Engineering，2019，52(9)：71–75.

[22] 王喆. 可控沖擊波解堵增透技術在延川南煤層氣田中的應用[J]. 油氣藏評價與開發(fā)，2020，10(4)：87–92. WANG Zhe. Application of controllable shock wave plugging removal and permeability improvement technology in CBM gas field of southern Yanchuan[J]. Reservoir Evaluation and Development，2020，10(4)：87–92.

[23] DROGHEI R，SALUSTI E. A comparison of a fractional derivative model with an empirical model for non-linear shock waves in swelling shales[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2015，125：181–188.

[24] 崔曉杰. 等離子脈沖諧振壓裂技術[J]. 石油鉆探技術，2015(4)：82. CUI Xiaojie. Plasma pulse resonance fracturing technology[J]. Petroleum Drilling Techniques，2015(4)：82.

[25] 付榮耀，孫鷂鴻，樊愛龍，等. 高壓電脈沖頁巖氣開采中的壓裂實驗研究[J]. 強激光與粒子束，2016，28(7)：1–5. FU Rongyao，SUN Yaohong，FAN Ailong，et al. Research of rock fracturing based on high voltage pulse in shale gas drilling[J]. High Power Laser and Particle Beams，2016，28(7)：1–5.

[26] 閆發(fā)志. 基于電破碎效應的脈沖致裂煤體增滲實驗研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學，2017. YAN Fazhi. Experimental study on pulses induced fracturing and permeability enhancing of coal blocks based on the electrical fragmentation effect[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2017.

[27] FEI Ren，LEI Ge，THOMAS E R，et al. Permeability enhancement of coal by chemical-free fracturing using high-voltage electrohydraulic discharge[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2018，57：1–10.

[28] 王濤. 金屬絲電爆炸對巖石損傷的數值模擬研究[D]. 北京：中國石油大學(北京)，2018. WANG Tao. Numerical simulation of damage of rock caused by electrical explosion of wire[D]. Beijing：China University of Petroleum(Beijing)，2018.

[29] 卞德存. 靜水壓下脈沖放電沖擊波特性及其巖體致裂研究[D]. 太原：太原理工大學，2018. BIAN Decun. Research on the shock wave characteristics of pulsed discharge under hydrostatic pressure and its fracturing effect on rock mass[D]：Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2018.

[30] FEI Ren，LEI Ge，VITALIY S，et al. Characterisation and evaluation of shock wave generation in water conditions for coal fracturing[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2019，66：255–264.

[31] FEI Ren，LEI Ge，ARASH A，et al. Gas storage potential and electrohydraulic discharge(EHD) stimulation of coal seam interburden from the Surat Basin[J]. International Journal of Coal Geology，2019，208：24–36.

[32] 秦爽，趙金昌，卞德存. 水中高壓脈沖放電致裂巖體實驗研究[J]. 爆破，2020，37(1)：94–101. QIN Shuang，ZHAO Jinchang，BIAN Decun. Study on fractured rock mass caused by high pressure pulse discharge in water[J]. Blasting，2020，37(1)：94–101.

[33] 張輝，蔡志翔，陳安明，等. 液相放電等離子體破巖室內實驗與破巖機理[J]. 石油學報，2020，41(5)：615–628. ZHANG Hui，CAI Zhixiang，CHEN Anming，et al. Experiments and mechanism of rock breaking by the plasma shock wave generated by underwater discharge[J]. Acta Petrolei Sinica，2020，41(5)：615–628.

[34] 聶玉昕. 中國大百科全書74卷，(第二版)：物理學詞條：能量[M]. 北京：中國大百科全書出版社，2009：50. NIE Yuxin. Encyclopedia of China，74 volumes, The second edition，Physics entry：Energy[M]. Beijing：Encyclopedia of China Publishing House，2009：50.

[35] 秦勇，邱愛慈，張永民，等. 高聚能重復脈沖強沖擊波煤層增滲新技術基礎[R]. 成都：國家自然科學基金重點項目結題驗收會議，2018-05-28. QIN Yong，QIU Aici，ZHANG Yongmin，et al. New technology foundation of high-energy repetitive pulse strong shock wave coal seam seepage enhancement[R]. Chengdu：Final Acceptance Meeting for Key Projects of National Natural Science Foundation of China，2018-05-28.

[36] QIN Yong，FU Xuehai，WU Caifang，et al. Self-adjusted elastic action and its CBM pool-forming effect of the high rank coal reservoir [J]. Science Bulletin，2005，50(1)：99–103.

[37] 秦勇，傅雪海，韋重韜，等. 煤層氣成藏動力條件及其控藏效應[M]. 北京：科學出版社，2012. QIN Yong，FU Xuehai，WEI Chongtao，et al. Dynamic conditions of coalbed methane accumulation and its controlling effect[M]. Beijing：Science Press，2012.

[38] 曾雄飛. 大油氣田的勘探方向與沖擊波理論[J]. 廣東科技，2009(2)：30–34. ZENG Xiongfei. Exploration direction and shock wave theory of large oil and gas fields[J]. Guangdong Science and Technology，2019(2)：30–34.

[39] LI Shihai，ZHAO Manhong，WANG Yuannian，et al. A new numerical method for dem-block and particle model[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(3)：436.

[40] FENG Chun，LI Shihai，LIU Xiaoyu，et al. A semi-spring and semi-edge combined contact model in CDEM and its application to analysis of Jiweishan landslide[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2014，6(1)：26–35.

[41] 馮春，李世海，周東，等. 爆炸載荷作用下巖石損傷破裂過程的數值分析[J]. 巖土工程學報，2014，36(7)：1262–1270. FENG Chun，LI Shihai，ZHOU Dong，et al. Numerical analysis of damage and crack process of rock under explosive loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，36(7)：1262–1270.

[42] 萬曦超. 油氣井固井水泥環(huán)力學研究[D]. 成都：西南石油大學，2006. WAN Xichao. Research on cement ring mechanics of oil and gas well cementing[D]. Chengdu：Southwest Petroleum University，2006.

[43] 楊智光. 固井封固理論與應用技術[D]. 大慶：大慶石油學院，2007. YANG Zhiguang. Theory on cementing & channeling resisting and application technology[D]. Daqing：Daqing Petroleum Institute，2007.

[44] 李勇，劉碩瓊，王兆會. 水泥環(huán)厚度及力學參數對其應力的影響[J]. 石油鉆采工藝，2010，32(4)：37–40.LI Yong，LIU Shuoqiong，WANG Zhaohui. Effect of cement thickness and its mechanical parameters on cement stress[J]. Oil Drilling & Production Technology，2010，32(4)：37–40.

[45] 練章華，沙磊，陳世春，等. 巖石力學性能實驗與水泥環(huán)膠結強度評價[J]. 鉆采工藝，2011，34(1)：101–103. LIAN Zhanghua，SHA Lei，CHEN Shichun，et al. Rock mechanical performance experiment and cement ring bonding strength evaluation[J]. Drilling & Production Technology，2011，34(1)：101–103.

Numerical analysis on CSW fracturing behavior of coal seam under constraint of geological and engineering conditions

QIN Yong1, LI Hengle1,2, ZHANG Yongmin3, ZHAO Youzhi3, ZHAO Jincheng1, QIU Aici3

(1. Key Laboratory of CBM Resources and Reservoiring Process, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2. Department of Resources and Safety Engineering, Henan Engineering College, Zhengzhou 451191, China; 3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

As a revolutionary technology for rock stratum reformation, the controllable shock wave(CSW) fracturing technology has achieved remarkable effect in coal seam reconstruction, and application exploration in the field of coal safety mining has been carried out. However, the previous understanding of the basic CWS fracturing rules under the constraints of geological engineering factors is insufficient due to the limitation of experimental and field monitoring conditions, which restricts the exploration of the fracturing mechanism and the optimization of the field operation parameters. In view of this, based on the description of CSW coal seam reformation and its engineering scientific problems, the CDEM method is used to carry out numerical simulation in order to further reveal the behavior and basic rules of CSW coal seam fracturing under the constraints of geo-stress, mechanical properties of coal and rock, and shock wave loading conditions. The results show that the influence of CSW loading conditions on the fracturing effect has an optimal range, and excessive loading will lead to coal disintegration near the wellbore, which increases the yield of pulverized coal and cause coal reservoir damage. At the same time, the wave impedance and shock wave attenuation increase due to coal fragmentation, which limits the expansion of fracturing radius. There are critical values of fracturing radius and fracturing degree with the increase of geo-stress and the horizontal principal stress difference significant effects on the morphology, expansion direction and connectivity of CSW-induced fractures. It is revealed that the fracturing effect has a selective response to the mechanical properties of coal: there is a critical value of inflection point in the plots of the elastic modulus to fracturing radius and fracturing degree; with the increase of cohesion, the brittleness of coal becomes smaller, and the fracturing effect becomes worse; the tensile strength seems to have no obvious effect on the CSW fracturing effect. Based on the above, there will be good references for the coal seam optimization and parameter optimization measures of CSW operation.

controllable shock wave; coal seam; reformation effect; constraint conditions; numerical simulation

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語音講解

P618.11

A

1001-1986(2021)01-0108-11

2020-10-21；

2020-12-10

國家自然科學基金重點項目(U13612031)；國家科技重大專項課題(2016ZX05066-01)

秦勇，1957年生，男，重慶人，博士，教授，博士生導師，從事煤系礦產資源與開發(fā)地質研究工作. E-mail：yongqin@cumt.edu.cn

秦勇，李恒樂，張永民，等. 基于地質–工程條件約束的可控沖擊波煤層致裂行為數值分析[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(1)：108–118. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.011

QIN Yong，LI Hengle，ZHANG Yongmin，et al. Numerical analysis on CSW fracturing behavior of coal seam under constraint of geological and engineering conditions[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：108–118. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.011

(責任編輯 范章群)