我國煤層低滲透性的特點(diǎn)嚴(yán)重制約了煤層甲烷抽采的效果,增加低滲透煤層的滲透性是提高煤層甲烷抽采效率的關(guān)鍵。采用二氧化碳壓裂煤層不僅可以增加煤層滲透性,還可以驅(qū)替煤層甲烷,強(qiáng)化甲烷抽采。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場運(yùn)用相結(jié)合的方法,系統(tǒng)分析了二氧化碳壓裂增透煤層的機(jī)理以及二氧化碳驅(qū)替煤層甲烷的規(guī)律。通過理論分析研究了二氧化碳物理性質(zhì)對流體壓裂破裂壓力的影響;利用自主研制的多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng),開展了流體壓裂(二氧化碳壓裂和水力壓裂)原煤、頁巖和砂巖的試驗(yàn)研究,揭示了二氧化碳壓裂煤層的裂縫擴(kuò)展規(guī)律以及壓裂裂縫的特征;提出了不卸壓條件下流體壓裂儲層巖石增透效果的評價(jià)方法,并利用該方法研究了二氧化碳壓裂原煤的增透效果;針對壓裂后裂縫原煤的滲流規(guī)律,探討了適用于煤層增透的流體壓裂方法;建立了流固耦合多組分氣體多孔滲流模型,并采用該模型分析了二氧化碳驅(qū)替煤層甲烷的規(guī)律;最后在煤礦現(xiàn)場進(jìn)行了氣液兩相聯(lián)合致裂增透煤層的試驗(yàn)研究。本文的主要研究成果如下:(1)流體壓裂中,巖石的起裂壓力受原始孔隙壓力和巖石滲透性的影響;裂縫的擴(kuò)展壓力受原生裂隙和流體滯后帶的影響。由于水和二氧化碳的...

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【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
中文摘要
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1 緒論
    1.1 研究意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 高瓦斯低滲透煤層增透技術(shù)的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 流體壓裂儲層研究現(xiàn)狀
        1.2.3 裂隙儲層巖石的滲透特性研究現(xiàn)狀
        1.2.4 二氧化碳驅(qū)替煤層甲烷研究現(xiàn)狀
    1.3 論文主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線
        1.3.1 主要研究內(nèi)容
        1.3.2 技術(shù)路線
2 儲層巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)特征
    2.1 概述
    2.2 儲層巖石的物理力學(xué)性質(zhì)
        2.2.1 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度
        2.2.2 巖石的抗拉強(qiáng)度
        2.2.3 巖石的斷裂韌度
    2.3 儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征
        2.3.1 壓汞法分析巖石的孔隙結(jié)構(gòu)
        2.3.2 核磁共振法分析巖石的孔隙結(jié)構(gòu)
    2.4 儲層巖石脆性分析
    2.5 本章小結(jié)
3 二氧化碳壓裂煤層破裂機(jī)理的研究
    3.1 概述
    3.2 二氧化碳壓裂煤層起裂準(zhǔn)則
        3.2.1 二氧化碳壓裂煤層起裂壓力計(jì)算模型
        3.2.2 鉆孔或壓裂井的應(yīng)力狀態(tài)分析
    3.3 二氧化碳壓裂煤層裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則
        3.3.1 二氧化碳壓裂煤層裂縫擴(kuò)展壓力計(jì)算模型
        3.3.2 流體滯后帶對裂縫擴(kuò)展壓力的影響
    3.4 起裂壓力及裂縫擴(kuò)展壓力的變化規(guī)律
        3.4.1 煤層滲透性對起裂壓力的影響
        3.4.2 原始孔隙壓力對起裂壓力的影響
        3.4.3 原生裂隙長度和角度對裂縫擴(kuò)展壓力的影響
        3.4.4 流體滯后帶長度對裂縫擴(kuò)展壓力的影響
    3.5 本章小結(jié)
4 真三軸應(yīng)力條件下二氧化碳壓裂煤層試驗(yàn)研究
    4.1 概述
    4.2 真三軸應(yīng)力條件下流體壓裂儲層巖石試驗(yàn)
        4.2.1 試驗(yàn)裝置
        4.2.2 試驗(yàn)方法
        4.2.3 試驗(yàn)試件
        4.2.4 試驗(yàn)方案
    4.3 二氧化碳壓裂儲層巖石的破裂壓力
        4.3.1 壓裂流體的性質(zhì)
        4.3.2 流體壓裂試驗(yàn)過程中流體壓力的變化
        4.3.3 水力壓裂和二氧化碳壓裂破裂壓力差異的分析
    4.4 二氧化碳壓裂煤層裂縫擴(kuò)展的規(guī)律
        4.4.1 壓裂流體對煤層裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響
        4.4.2 水平主應(yīng)力比對煤層裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響
        4.4.3 注入速度對煤層裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響
        4.4.4 儲層類型對二氧化碳壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響
    4.5 二氧化碳壓裂裂縫的特征
        4.5.1 流體壓裂刺激裂縫擴(kuò)展的方向
        4.5.2 流體壓裂刺激裂縫擴(kuò)展的應(yīng)力
        4.5.3 二氧化碳壓裂中傾斜裂縫與翼裂紋的關(guān)系
    4.6 二氧化碳壓裂過程中的聲發(fā)射響應(yīng)特征
        4.6.1 聲發(fā)射系統(tǒng)介紹
        4.6.2 流體壓裂過程中聲發(fā)射計(jì)數(shù)的特征
    4.7 流體壓裂儲層刺激方式
        4.7.1 流體壓裂刺激儲層方式的分類
        4.7.2 儲層原生裂隙與人工裂縫的互相作用
        4.7.3 多因素對流體壓裂刺激方式和裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響
    4.8 本章小結(jié)
5 真三軸應(yīng)力條件下流體壓裂后裂縫巖石的滲流規(guī)律
    5.1 概述
    5.2 流體壓裂前后儲層巖石的滲透率變化規(guī)律
        5.2.1 流體壓裂儲層巖石增透效果的評價(jià)方法
        5.2.2 流體壓裂不同類型儲層的效果
        5.2.3 影響流體壓裂增透效果的因素
    5.3 真三軸應(yīng)力條件下裂縫儲層巖石滲透率對應(yīng)力的響應(yīng)
        5.3.1 裂縫儲層巖石的滲流試驗(yàn)
        5.3.2 裂縫儲層巖石滲透率對應(yīng)力的響應(yīng)特性
        5.3.3 儲層類型對其裂縫巖石滲流規(guī)律的影響
        5.3.4 適應(yīng)煤層的流體壓裂刺激方式
    5.4 真三軸應(yīng)力條件下裂縫儲層巖石的滲透率模型
        5.4.1 儲層巖石滲透率模型研究現(xiàn)狀
        5.4.2 裂縫巖石真三軸滲透率模型的建立
        5.4.3 裂縫巖石真三軸滲透率模型的驗(yàn)證
    5.5 本章小結(jié)
6 二氧化碳壓裂煤層中多組分氣體的運(yùn)移規(guī)律
    6.1 概述
    6.2 注二氧化碳驅(qū)替煤層甲烷的試驗(yàn)研究
        6.2.1 煤巖芯驅(qū)替試驗(yàn)設(shè)備和方案
        6.2.2 試驗(yàn)試件
        6.2.3 試驗(yàn)結(jié)果
    6.3 流固耦合多組分氣體多孔滲流模型
        6.3.1 基本假設(shè)
        6.3.2 煤體應(yīng)力場方程
        6.3.3 煤體中多組分氣體滲流場方程
        6.3.4 定解條件
        6.3.5 流固耦合多組分氣體多孔滲流模型的求解
    6.4 流固耦合多組分氣體多孔滲流模型對煤巖芯驅(qū)替試驗(yàn)的模擬
        6.4.1 煤巖芯驅(qū)替試驗(yàn)的幾何模型與定解條件
        6.4.2 三孔滲流模型
        6.4.3 煤巖芯驅(qū)替試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果
        6.4.4 驅(qū)替氣體吸附性對驅(qū)替效果的影響
    6.5 二氧化碳壓裂過程中煤層甲烷富集圈的形成
        6.5.1 二氧化碳壓裂過程中驅(qū)替煤層甲烷的幾何模型和定解條件
        6.5.2 煤層基質(zhì)和裂隙中甲烷濃度的變化規(guī)律
        6.5.3 流動參數(shù)對甲烷富集圈的影響
        6.5.4 甲烷富集圈對抽采鉆孔布置的指導(dǎo)
    6.6 本章小結(jié)
7 氣液兩相聯(lián)合致裂增透煤層技術(shù)現(xiàn)場運(yùn)用研究
    7.1 概述
    7.2 水力壓裂技術(shù)增透煤層的運(yùn)用
        7.2.1 水力壓裂地點(diǎn)概況
        7.2.2 水力壓裂裝備
        7.2.3 水力壓裂煤層試驗(yàn)方案
        7.2.4 水力壓裂煤層基本現(xiàn)象
    7.3 水力壓裂效果評估及影響因素分析
        7.3.1 水力壓裂后鉆孔甲烷抽采情況
        7.3.2 穿層鉆孔水力壓裂甲烷富集圈
        7.3.3 影響水力壓裂效果的因素
    7.4 氣液兩相聯(lián)合致裂增透煤層技術(shù)
        7.4.1 液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)介紹
        7.4.2 氣液兩相聯(lián)合致裂增透煤層技術(shù)的原理及優(yōu)勢
        7.4.3 氣液兩相聯(lián)合致裂增透煤層技術(shù)的運(yùn)用
    7.5 本章小結(jié)
8 結(jié)論與展望
    8.1 本文的研究成果及結(jié)論
    8.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    8.3 后續(xù)研究工作及展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄
    A 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
    B 作者在攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目
    C 作者在攻讀博士學(xué)位期間公開和授權(quán)的專利
    D 作者在攻讀博士學(xué)位期間所獲獎(jiǎng)勵(lì)



本文編號：3803321