本文關(guān)鍵詞：余吾煤業(yè)豎井水力壓裂煤層增透技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究

  更多相關(guān)文章： 豎井水力壓裂 鉆井穩(wěn)定性 含水率 滲流 瓦斯抽采

【摘要】：礦井瓦斯既是安全生產(chǎn)的主要隱患,又是一種高效清潔能源,瓦斯治理一直是各個煤炭企業(yè)和科研院所的研究重點。瓦斯抽采方法發(fā)展愈加成熟,煤層瓦斯抽采效果的優(yōu)劣主要取決于兩點,一是內(nèi)部或外部提供瓦斯分子掙脫煤體基質(zhì)吸附所需要的能量,二是利用外部力學(xué)作用促進煤體裂隙發(fā)育,與原生裂隙形成發(fā)育的裂隙網(wǎng)絡(luò),為瓦斯運移提供流通通道�；谶@兩點,比較可行的技術(shù)就是水力壓裂,其原理是將壓裂液注入煤體,并保證壓裂液流動速率大于煤層濾失速率、壓力大于最小弱面撕裂所需應(yīng)力,且用石英砂等支撐劑持續(xù)支撐裂隙通道,保證裂隙網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)育。本課題所研究的地面豎井壓裂技術(shù)更強化了這種增透效果,地面鉆井壓裂和水力壓裂相互配合,不僅可以采前卸壓增透、提高煤層滲透性能、防治工作面沖擊地壓,而且在采中抽采、采后采空區(qū)瓦斯抽采中都起到很好效果,從而達到一井三用、綜合利用的目的。本課題基于潞安集團余吾煤業(yè)有限公司S2107豎井水力壓裂工程實踐,結(jié)合相關(guān)理論研究、數(shù)值模擬、實驗室驗證等手段,進行基于豎井水力壓裂的瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究,具體研究工作包括以下幾個方面:(1)分析地面鉆井的破壞類型,分析地表移動盆地主斷面的移動變化規(guī)律。對產(chǎn)氣效果影響最大的剪切破壞重點研究,從水平位移角度和巖層應(yīng)力角度解釋井身的“S”形變形機理。從水平移動角度分析,井身上下巖層水平移動的啟動時間、速率變化速度、水平位移最大量的不同是“S”形井身形成的根本原因。從應(yīng)力角度分析,建立井身剪切破壞的網(wǎng)絡(luò)梁模型,讓地層中復(fù)雜的力學(xué)分析歸于簡單的巖梁結(jié)構(gòu)分析,根據(jù)隨機介質(zhì)和概率積分法原理,分析層交面處鉆井破壞機理,給出鉆井微段的位移方程式,分析了界面上下巖層的厚度、彈性模量、強度對層交面水平滑移的影響。利用數(shù)值模擬軟件midas對“s”形井身形成過程進行了模擬,并對層交面上下巖層厚度、彈性模量對水平位移的影響進行了模擬,模擬結(jié)果和理論結(jié)果一致。最后對鉆井穩(wěn)定性進行初步分析,并給出套筒加固措施。(2)分析豎井水力壓裂增透的機理。對水力壓裂的起裂和擴展機理進行分析,當(dāng)起裂總應(yīng)力大于起裂弱面處的抗拉強度時開始起裂,起裂方向和地應(yīng)力大小有關(guān)。定性分析了壓裂水在煤層中的運移特征。水力壓裂使瓦斯運移通道充分發(fā)育,并改變瓦斯流態(tài)的趨勢,對瓦斯運移表現(xiàn)為正效應(yīng)。當(dāng)流體的流態(tài)為非線性非達西流時,壓裂液中水分可以增加瓦斯流動的啟動壓力梯度、抑制瓦斯解吸、占據(jù)瓦斯分子擴散通道,對瓦斯運移表現(xiàn)出負效應(yīng)。(3)利用電液伺服三軸瓦斯?jié)B流試驗裝置研究了不同含水率煤樣在應(yīng)力環(huán)境下的滲流規(guī)律。不同含水率煤樣在變圍壓條件下滲透率和滲流速度的變化規(guī)律都呈非線性遞減,與二次多項式有較高的擬合度。其中低含水率煤樣(1%)的下降趨勢隨著煤體含水率的增加,與負冪函數(shù)表示也有較高的擬合度,表現(xiàn)為k=a2-,其中a、b為擬合系數(shù)。隨著有效應(yīng)力的增大,煤樣的滲透率和滲流速度具有非線性遞減的趨勢,變化趨勢與二次函數(shù)有較高的擬合度,擬合曲線方程為y=a2++,其中a、b、c為擬合系數(shù)。增加相同有效應(yīng)力情況下,低含水率煤樣的滲透率和滲流速度的下降幅度較大,即低含水率煤樣滲透率對有效應(yīng)力的敏感性較高。滲透率隨含水率呈非線性遞減趨勢,且遞減速度逐漸降低,總體與二次函數(shù)具有較高的擬合度。驗證了煤體中水分對瓦斯運移的負效應(yīng)。(4)對余吾煤業(yè)S2107工作面進行豎井水力壓裂工程實踐,給出水力壓裂設(shè)計和施工方案,給出豎井水力壓裂效果評估方案,通過井下壓裂區(qū)和未壓裂區(qū)順層鉆孔抽采數(shù)據(jù),分析豎井水力壓裂增透效果。(5)對余吾煤業(yè)S2107工作面豎井水力壓裂效果進行評估,以期為余吾煤業(yè)其他工作面壓裂施工提供標準化方案。分析壓裂區(qū)1-52、1-54范圍和未壓裂區(qū)范圍內(nèi)鉆孔的單孔瓦斯流量,分析表明在1-52影響范圍內(nèi)的鉆孔抽采速率比未壓裂區(qū)顯著提高,最大提高7.3倍,最小提高3.7倍。1-54壓裂影響區(qū)域中,距離1-54壓裂井87m和42m的測點抽采效果沒有明顯改變,其他測點抽采效果明顯,最大提高9.2倍,最小提高2倍。余吾煤業(yè)S2107工作面總體壓裂效果明顯。通過分析整個觀測期間單孔瓦斯流量隨延伸距離的變化情況,判斷在整個50天觀測期間兩個壓裂井對不同測點的影響程度,分析得出壓裂井1-52的影響半徑85-100m之間,壓裂井1-54的影響半徑為39-42m。
【關(guān)鍵詞】：豎井水力壓裂 鉆井穩(wěn)定性 含水率 滲流 瓦斯抽采
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.6
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 選題背景及研究意義13-17
• 1.1.1 選題背景13-16
• 1.1.2 研究意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-22
• 1.2.1 地面鉆井抽采瓦斯17-20
• 1.2.2 煤層采前增透及固流耦合理論與技術(shù)研究20-22
• 1.3 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線22-25
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容22-23
• 1.3.2 技術(shù)路線23-25
• 第二章 采動影響下地面鉆井破壞機理25-53
• 2.1 引言25
• 2.2 地面鉆井破壞類型25-28
• 2.3 地下開采引起上覆巖層的移動破壞28-30
• 2.4 地表移動盆地內(nèi)主斷面的移動變化規(guī)律30-32
• 2.5 用概率積分法分析巖層移動規(guī)律32-33
• 2.6 “S”形鉆井形成機理33-40
• 2.6.1 巖層水平移動速率差引起“S”形鉆井的形成33-35
• 2.6.2 層狀網(wǎng)絡(luò)梁模型及層交面剪切破壞研究35-40
• 2.6.2.4 層交面位移影響因素及對策39-40
• 2.7 數(shù)值模擬及工程驗證40-50
• 2.7.1 數(shù)值模擬40-50
• 2.7.2 工程驗證50
• 2.7.3 套管加固措施50
• 2.8. 本章小結(jié)50-53
• 第三章 豎井水力壓裂技術(shù)對煤層瓦斯運移的正負效應(yīng)53-87
• 3.1 引言53-56
• 3.2 水力壓裂增透機理研究56-61
• 3.2.1 壓裂水在煤層中的運移特征56-58
• 3.2.2 水力壓裂過程定性描述58-59
• 3.2.3 水力壓裂起裂與擴展特征59-61
• 3.3 水力壓裂對煤層瓦斯運移的正效應(yīng)61-63
• 3.4 水力壓裂對煤層瓦斯運移的負效應(yīng)63-65
• 3.5 水分對瓦斯運移負效應(yīng)的實驗研究65-84
• 3.5.1 實驗背景和目的65
• 3.5.2 實驗設(shè)備介紹65-68
• 3.5.3 實驗方案68-74
• 3.5.4. 數(shù)據(jù)結(jié)果分析74-84
• 3.6 本章小結(jié)84-87
• 第四章 余吾S2107工作面豎井壓裂工程實踐87-101
• 4.1 S2107工作面區(qū)域概況87-89
• 4.1.1 工作面概況87
• 4.1.2 煤層賦存特征87
• 4.1.3 地質(zhì)構(gòu)造情況87-88
• 4.1.4 圍巖及其特征88
• 4.1.5 水文情況88-89
• 4.1.6 采煤方法及生產(chǎn)工藝89
• 4.2 S2107地面鉆井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)89-92
• 4.2.1 壓裂井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)90-91
• 4.2.2 套管基本數(shù)據(jù)91
• 4.2.3 煤層射孔數(shù)據(jù)91-92
• 4.3 S2107豎井水力壓裂設(shè)計及施工92-98
• 4.3.1 壓裂的設(shè)計方案92-96
• 4.3.2 壓裂前的各項準備96-97
• 4.3.3 壓裂施工步驟97-98
• 4.4 S2107豎井水力壓裂效果評估方案98-99
• 4.5 本章小結(jié)99-101
• 第五章 余吾煤業(yè)豎井水力壓裂效果分析101-117
• 5.1 壓裂井單孔瓦斯流量分析101-112
• 5.1.1 壓裂井 1-52影響范圍內(nèi)鉆場數(shù)據(jù)分析101-105
• 5.1.2 壓裂井 1-54影響范圍內(nèi)鉆場數(shù)據(jù)分析105-110
• 5.1.3 未壓裂區(qū)測點數(shù)據(jù)分析110-112
• 5.2 壓裂井影響半徑分析112-115
• 5.3 本章小結(jié)115-117
• 第六章 結(jié)論與展望117-121
• 6.1 主要結(jié)論117-119
• 6.2 研究展望119-121
• 參考文獻121-129
• 致謝129-131
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄131

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本文編號：679701