高壓電脈沖水壓壓裂煤體機理及實驗研究

發(fā)布時間：2020-09-21 15:04

　　我國煤層氣儲量豐富,若能有效開發(fā)利用煤層氣,既可以減少煤礦安全事故,又可以增加新的潔凈能源,改善能源結構,減少溫室氣體排放,保護大氣環(huán)境。當前如何提高低滲透煤層氣的抽采率一直是業(yè)界的難點,其理論和技術尚未實現(xiàn)突破。水力壓裂增透煤層抽采煤層氣是當前學術界的研究熱點,為了進一步改善傳統(tǒng)水力壓裂效果,探索新型煤層增透技術,本課題提出一種新型水力壓裂技術—水中高壓脈沖放電增透技術,以探索一種易操作、低成本、高效率的煤層氣增透、增產技術。本文基于巖石力學、流體力學、損傷力學、斷裂力學、沖擊動力學、液相放電技術、超聲波檢測及CT掃描技術等多學科理論,通過實驗室實驗、理論分析、數(shù)值模擬等研究方法和手段,對水中高壓脈沖放電的力學機理和裂紋斷裂機理、高壓電脈沖水壓壓裂煤體裂紋效果評價理論及煤層氣電-固-液耦合機制及規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究。本文主要研究成果如下:(1)自主研制了一套水中高壓放電加壓實驗系統(tǒng),在模擬地應力條件下,能實現(xiàn)煤樣尺寸最大為300 mm×300 mm×300 mm的模擬實驗,設計了能夠多次重復放電的水中放電電極。(2)水中高壓脈沖放電液電效應壓裂煤體機理研究。水中高壓放電后,液體內部能產生高溫、高能和高壓的沖擊波(水激波)和脈動氣泡。沖擊波的壓力與波頭壓力、沖擊波速和靜水壓力有關,在靜水壓力基礎上,沖擊波壓力易使煤體中原有裂紋或缺陷起裂、延展、貫通或者形成新的裂紋。(3)高壓電脈沖水壓作用下煤體裂紋起裂、擴展和止裂機理研究。研究結果表明:沖擊荷載作用下裂紋尖端應力強度因子受地應力差、靜水壓力、沖擊波壓力和作用時間影響顯著,并且煤體內裂紋起始擴展遵循最大拉應力準則。(4)應用高壓電脈沖放電系統(tǒng)和承壓管道系統(tǒng),開展了水激波傳播規(guī)律研究。實驗結果表明:沖擊波波形上升前沿較陡,經最大峰值后近e指數(shù)衰減,然后以幾個連續(xù)的衰減脈沖形式重復;放電擊穿延時越長,放電能量的轉化率越低;沖擊波第一峰值壓力隨著電壓的增大而增大,隨著水壓的增加呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。(5)應用水中高壓電脈沖壓裂實驗平臺,模擬地應力條件下,電-固-液耦合作用下煤體結構破壞研究。在水中高壓放電、水激波傳播規(guī)律研究的基礎上,基于巖石力學、流體力學、超聲波檢測、聲發(fā)射監(jiān)測及CT掃描技術和理論,研究了不同靜水壓力、不同放電電壓的組合條件下大尺寸煤樣試件產生宏觀與微觀裂隙的效果及水壓、電壓的耦合效應。實驗結果表明:1)在靜水壓力不變的情況下,隨著放電電壓的增加,徑向主裂紋的數(shù)量、寬度和長度增加明顯,形態(tài)變化較大。環(huán)向分支裂隙主要以隨機分叉的方式向前延展,分布范圍呈擴大趨勢,并與其它裂隙相互貫通,逐漸形成網絡。2)當放電電壓不變時,煤樣的主裂紋、分支裂紋的數(shù)量、開度、延展度隨著靜水壓力有一定的變化,但不是十分明顯。3)相比單一的靜水壓力,水中高壓脈沖放電壓裂煤樣產生的微觀、宏觀裂紋數(shù)量更多,延展度、開度更好,分布范圍更廣,裂紋密度更大。實驗證明:水中高壓脈沖放電壓裂煤體是一種增加裂縫數(shù)目、密度和范圍,改變裂紋形態(tài)的有效方法。(6)基于LS-DYNA軟件,建立與試驗煤樣相同條件下的數(shù)值模型,通過大量的參數(shù)組合進一步分析靜水壓力、放電電壓對煤體裂紋發(fā)生、發(fā)展的影響,結果表明在靜水壓力不變的情況下,隨著放電電壓的增大,煤體易生成粗大的徑向主裂紋;相同的放電電壓條件下,較低的水壓在鉆孔周圍易生成細小的環(huán)向分支裂紋,隨著水壓的升高,鉆孔周圍分支裂紋的數(shù)量有一定的增加,分布范圍不斷擴大,主裂紋的長度增加緩慢。(7)水中高壓脈沖放電工程現(xiàn)場壓裂煤層數(shù)值模擬研究。為進一步探索水中電脈沖沖擊波對工業(yè)現(xiàn)場煤體的致裂效果,利用LS-DYNA建立了邊長為50m的二維數(shù)值模型,在模型中建立了5個水中高壓脈沖放電試驗井,并進行了數(shù)值計算。模擬結果表明:彈性模量是影響致裂效果的主要力學參數(shù),隨著彈性模量的增加,煤體越容易形成寬度窄、長度短、放射狀的環(huán)向細小裂紋,不易形成大裂紋,煤體破裂半徑、破裂面積和破裂度都在減少;在3MPa靜水壓力不變的情況下,隨著放電電壓增加,試驗鉆井周邊破裂半徑、破裂面積、破裂度增加較大,裂紋的數(shù)量、長度、開裂度都有明顯的提高,在放電電壓達到200k V時,鉆井周邊的裂紋已經互相貫通、交織成網,煤層氣滲流通道已經形成,達到了增透煤層的目的。
【學位單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712.6
【部分圖文】：

示意圖,多分支井,示意圖,分支井

分支井一般是由一個主井和兩個或兩個以上的分支井構成�？煞譃轼f式分支井、鷗翅式分支、羽狀分支水平井（如圖 1-1 所示）、井音叉式分支井等類型。多分支井的原理是通過分支井筒穿過較多的煤層孔隙串聯(lián)形成瓦斯流動的通道，增加泄氣面積，從而提高煤層氣的滲透率產量，縮短煤層氣采氣時間。Clarkson C R[35]以及鮮保安，高德利等[平井開采機理和應用進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)定向羽狀水平井的主要機眼在煤層中形成網狀通道，促進了微裂隙的擴展和連通，降低了煤層流阻力，提高氣液兩相流的流動速度，提高了煤層氣產量。易新斌，37]對煤層氣完井方式進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)地質導向在煤層氣勘探開重要的作用。劉大偉，王益山，虞海法等[38,39]對煤層多分支水平井安了研究，發(fā)現(xiàn)了煤層損害和井壁失穩(wěn)的原因，并提出了保護煤層的有多分支水平井安全鉆井提出了有效的建議。

技術路線圖,技術路線