Methan-Explosionsfracking in Schieferschichten, als eine neue wasserfreie Fracking-Technologie, weist ein Potenzial für transienten Hochdruckbruch und schnelle nahebrünne Modifikation auf. Unter realen Bohrlochausnutzungen und Berücksichtigung des Umgebungsdrucks sind die Wirkmechanismen verschiedener Perforationsmethoden auf die Freisetzung der Explosionsenergie, die Initiierung und Ausbreitung von Rissen sowie die Integrität des Mantels jedoch noch unklar. Zur Untersuchung dieses Problems basiert die Studie auf einer großmaßstäblichen realen dreiachsigen Fracking-physikalischen Simulationsplattform und errichtete ein integriertes physikalisches Simulationssystem „Mantel - Perforation - Lagerstätte - Explosion“. Es wurden Großmaßstabsversuche zur Methan-Explosionsfrakturierung in den Größen 2 m×2 m×1 m durchgeführt. Zwei typische Perforationsbedingungen wurden entworfen: 180° gerichtete Perforation und 60° spiralförmige Perforation. Die Explosionsdruckreaktion, der Zustand der Perforationslöcher, das Bruchmuster nach der Verpressung und die Mantelintegrität wurden unter verschiedenen Bedingungen verglichen analysiert. Die Ergebnisse zeigen: ① Methanexplosionen können in sehr kurzer Zeit hochamplitudigen transienten Druck erzeugen, die Spitzeninnendrücke in den Arbeitszylindern der beiden Versuchsgruppen erreichten jeweils 1219,00 bzw. 967,13 MPa, während der auf die Mantelwand übertragene Druck schnell auf 316,97 bzw. 256,63 MPa abfiel, mit einer Spitzenabnahmerate von ca. 74 % bzw. 73 %; ② Explosionsfracking kann die einseitige Kontrolle des horizontalen Spannungssprungs auf die Rissrichtung bis zu einem gewissen Grad abschwächen und ermöglicht so die axiale Ausbreitung der Hauptfraktur entlang des Bohrlochzylinders; ③ Nach der Explosion zeigten die Mantelrohre beider Gruppen nur leichte Abnutzung an einigen Perforationsöffnungen, ohne deutliches Knicken, Aufweiten, Reißen oder plastische Verformung, was darauf hinweist, dass das P110-Mantelrohr unter den in diesem Experiment gegebenen Umgebungsdruck- und Perforationsparameterbedingungen eine gute Explosionsstoßfestigkeit aufweist; ④ Die Perforationsparameter sind Schlüsselfaktoren bei der Steuerung des Freisetzungspfads der Explosionsgase und der geometrischen Rissform. 180° gerichtete Perforation entwickelt ein komplexes Frakturnetzwerk „hauptsächlich longitudinal, sekundär transversal, mit mehreren Verzweigungen“, während 60° spiralförmige Perforation leicht hochvernetzte, langgestreckte und reguläre Hauptfrakturen erzeugt. Diese Studie enthüllt die regulierende Wirkung der Perforationsmethode unter Umgebungsdruckeinschränkung auf die Energiefreisetzung und Rissbildung bei der Methanexplosionsfrakturierung und liefert damit eine experimentelle Grundlage für die Optimierung von Methanexplosionsfrackparametern, die Bewertung der Bohrlochsicherheit und die Bewertung der Ingenieuranwendbarkeit.

Schieferschichten; Methan-Explosionsfrakturierung; großmaßstäbliche reale dreiachsige Frakturierung; Perforationsmethode; Rissausbreitung