煤礦井下多孔聯(lián)合壓裂裂縫控制方法研究.pdf

1、高效抽采煤層氣（瓦斯）是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略和煤炭安全生產(chǎn)的重大需求。我國(guó)煤礦區(qū)煤層氣資源豐富，煤層氣含量高，但大部分賦存條件復(fù)雜，煤層透氣性極低，而傳統(tǒng)技術(shù)增透效果有限，導(dǎo)致煤層氣難以高效抽采和利用，同時(shí)煤炭開(kāi)采時(shí)易發(fā)生瓦斯事故。
　　近年來(lái)，水力壓裂作為油氣開(kāi)采中一種重要的增產(chǎn)措施，被借鑒到煤礦井下強(qiáng)化煤層氣抽采。但由于煤系地層的地質(zhì)條件與常規(guī)油氣地層差異很大，采用油氣地層壓裂理論不能完全解釋煤系地層的起裂及擴(kuò)展問(wèn)題。同時(shí)，在深部

2、復(fù)雜煤層中，煤層具有高地應(yīng)力、節(jié)理裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，造成井下水力壓裂時(shí)起裂壓力大幅增加，水壓裂縫擴(kuò)展過(guò)程中極易受到干擾，致使煤層頂?shù)装遄冃纹茐?，增透范圍有限?br>　　因此，針對(duì)目前煤礦井下壓裂理論研究及技術(shù)存在的上述問(wèn)題。本論文在對(duì)煤體結(jié)構(gòu)特征研究的基礎(chǔ)上，建立了不同結(jié)構(gòu)煤體的水壓致裂起裂準(zhǔn)則；通過(guò)分析煤巖層力學(xué)參數(shù)對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的影響，揭示了水壓裂縫擴(kuò)展至天然裂縫、煤巖交界面等非連續(xù)結(jié)構(gòu)面時(shí)的擴(kuò)展規(guī)律；通過(guò)研究孔隙壓力對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展

3、的影響，提出了基于非均勻孔隙壓力場(chǎng)的多孔聯(lián)合壓裂裂縫控制方法；研發(fā)了多孔聯(lián)合壓裂技術(shù)工藝，優(yōu)化了相關(guān)壓裂參數(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。主要研究成果如下：
　　①建立了不同結(jié)構(gòu)煤體的起裂準(zhǔn)則。針對(duì)目前在研究煤層水力壓裂起裂問(wèn)題時(shí)，單一假設(shè)煤體是彈塑性、均質(zhì)和各向同性，未考慮煤體結(jié)構(gòu)的多樣性，無(wú)法反映不同結(jié)構(gòu)煤體的起裂機(jī)理。本研究根據(jù)煤體宏觀和微觀結(jié)構(gòu)特征，及在水壓作用下的起裂特點(diǎn)，以原焦作礦業(yè)學(xué)院對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的劃分方法為依據(jù)，將壓裂煤體分為三

4、類(lèi)：原生結(jié)構(gòu)煤體、碎裂結(jié)構(gòu)煤體、碎粒及糜棱結(jié)構(gòu)煤體。分別采用彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)和土力學(xué)揭示了這三類(lèi)結(jié)構(gòu)煤體的起裂機(jī)理，并建立了相應(yīng)煤體的起裂壓力計(jì)算模型。
　?、诮沂玖嗣簬r體中非連續(xù)結(jié)構(gòu)面對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法，分別了研究天然裂縫、煤巖交界面這兩種具有代表性的非連續(xù)結(jié)構(gòu)面對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的干擾機(jī)制。研究認(rèn)為：對(duì)于天然裂縫對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的影響，主要由壓裂裂縫與天然裂縫的相交角度、水平主應(yīng)力差及天然裂縫

5、的發(fā)育情況等因素決定。隨著相交角或水平主應(yīng)力差的增加,水壓裂縫直接穿過(guò)天然裂縫擴(kuò)展的趨勢(shì)增大；天然裂縫尺寸越長(zhǎng)，壓裂裂縫越易沿天然裂縫擴(kuò)展。而煤巖交界面對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的影響，主要由煤巖交界面與水平剖面的相交角度、水平主應(yīng)力差、煤巖層彈性模量差異以及煤巖交界面的抗剪強(qiáng)度等因素決定。隨著相交角或水平主應(yīng)力差的增加，裂縫直接穿過(guò)煤巖交界面擴(kuò)展的可能性增大；巖層彈性模量越大或煤層交界面的抗剪強(qiáng)度越小，水壓裂縫沿煤巖交界面擴(kuò)展的趨勢(shì)越明顯。

6、>　　③揭示了孔隙壓力場(chǎng)對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的控制機(jī)理?；诙嗫讖椥粤W(xué)和Griffith應(yīng)變能釋放理論，理論研究了孔隙壓力場(chǎng)對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展壓力和方向的影響，并利用 RFPA2D-Flow數(shù)值模擬軟件進(jìn)一步分析了孔隙壓力對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的誘導(dǎo)機(jī)制，研究認(rèn)為：孔隙壓力可以減小煤體中的有效應(yīng)力，降低煤巖體的擴(kuò)展壓力；同時(shí)，孔隙壓力梯度會(huì)直接影響水壓裂縫擴(kuò)展所需的能量，孔隙壓力越大，水壓裂縫擴(kuò)展所需的能量越小，從而誘導(dǎo)水壓裂縫沿高孔隙壓力方向擴(kuò)展。<

7、br>　?、芴岢隽嘶诳紫秹毫?chǎng)的多孔聯(lián)合壓裂裂縫控制方法。研發(fā)出了多孔聯(lián)合壓裂工藝，該工藝主要由布孔工藝、封孔工藝及水力壓裂工藝組成，研制了適用于煤礦井下工礦條件的水力壓裂封孔設(shè)備。基于 Darcy滲流理論，對(duì)多孔聯(lián)合壓裂工藝中鉆孔間距與保壓注水壓力、時(shí)間參數(shù)的匹配關(guān)系開(kāi)展了研究，建立了關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法及步驟。在重慶松藻礦區(qū)逢春煤礦張獅壩擴(kuò)區(qū)S11203下順槽進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在2小時(shí)的壓裂時(shí)間，煤礦井下多孔聯(lián)合壓裂技術(shù)較