【摘要】：作為煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),我國(guó)煤層氣(煤層瓦斯)資源十分豐富,但瓦斯災(zāi)害卻也是煤礦安全生產(chǎn)的“第一殺手”,此外,瓦斯排空對(duì)生態(tài)環(huán)境亦造成了極強(qiáng)的破壞。近年來(lái),用于油氣儲(chǔ)層改造的水力壓裂技術(shù)被引入到煤礦井下煤層增透工程中,取得了一定成效,但由于煤層增透與油氣儲(chǔ)層改造之間存在的諸多差異,導(dǎo)致煤礦井下水力壓裂難以直接援用油氣井水力壓裂理論與裝備。在工程實(shí)踐中,水壓裂縫擴(kuò)展形態(tài)不理想和閉合過(guò)早,大幅降低了煤層增透效果和瓦斯抽采效率,同時(shí)還給壓裂和采掘作業(yè)帶來(lái)了重大安全隱患,嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)在煤礦井下的推廣應(yīng)用。為此,本文提出了煤礦井下射孔引導(dǎo)水壓裂縫起裂及擴(kuò)展,再沿主裂縫方向遵循壓降傳遞時(shí)空規(guī)律依次布設(shè)多級(jí)鉆孔實(shí)施排采,延緩裂縫閉合,促進(jìn)瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出的新方法。該方法實(shí)現(xiàn)高效抽采煤層瓦斯的關(guān)鍵在于裂縫定向起裂、有序擴(kuò)展及排采作業(yè)時(shí)空銜接合理,為此本文擬開展以下研究:①射孔導(dǎo)向壓裂裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律;②射孔導(dǎo)向壓裂瓦斯運(yùn)移規(guī)律及遞進(jìn)排采;③煤礦井下射孔導(dǎo)向壓裂與遞進(jìn)排采系統(tǒng);④煤礦井下射孔導(dǎo)向壓裂與遞進(jìn)排采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。主要取得以下成果:(1)在分析了煤礦井下水力壓裂特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了射孔引導(dǎo)水壓裂縫定向起裂、有序擴(kuò)展的方法;考慮了地應(yīng)力場(chǎng)、瓦斯壓力、鉆孔內(nèi)水壓力及高壓水向煤層濾失等多個(gè)因素,采用疊加原理和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則,構(gòu)建了射孔導(dǎo)向作用下裂縫起裂壓力、起裂角的力學(xué)模型及計(jì)算步驟;采用拉剪復(fù)合型破壞判據(jù)和最大周向應(yīng)力理論,建立了裂縫擴(kuò)展臨界水壓和裂縫延伸角的力學(xué)模型及計(jì)算步驟,并通過(guò)工程實(shí)例計(jì)算和數(shù)值模擬驗(yàn)證了模型的正確性。(2)揭示了射孔導(dǎo)向下水壓裂縫的起裂及擴(kuò)展規(guī)律:射孔導(dǎo)向下的煤體起裂壓力較常規(guī)水力壓裂下降30%,各射孔參數(shù)對(duì)起裂壓力影響程度不一:射孔孔徑對(duì)其影響較小,起裂壓力隨射孔深度在0～1.5倍孔徑范圍內(nèi)增長(zhǎng)而大幅下降,射孔方位角對(duì)其影響則呈現(xiàn)出明顯的階段性。射孔導(dǎo)向壓裂經(jīng)歷了應(yīng)力累積、裂縫起裂及沿射孔方向擴(kuò)展、裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展和裂縫沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展四個(gè)階段。裂縫起裂位置及擴(kuò)展形態(tài)取決于垂直于最大主應(yīng)力平面上兩個(gè)主應(yīng)力的差值(△σ)和射孔方位角(θ),任意△σ條件下均存在一臨界射孔方位角(θC),當(dāng)θθC時(shí),裂縫在射孔孔眼尖端起裂并沿射孔方向擴(kuò)展,但會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向到最大主應(yīng)力方向,轉(zhuǎn)向距離隨θ增大而增大;當(dāng)θθC時(shí),裂縫在鉆孔壁面上起裂并沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展形成一條規(guī)則的雙翼平直裂縫;當(dāng)θ=θC時(shí),裂縫在射孔孔眼尖端和鉆孔壁面上同時(shí)起裂,在鉆孔兩側(cè)分別形成單翼彎曲裂縫和沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展的單翼平直裂縫,Aσ越大,θC越小,更容易形成多裂縫形態(tài)。(3)射孔導(dǎo)向壓裂形成了包括宏觀裂隙區(qū)、微裂隙貫通區(qū)和微裂隙產(chǎn)生區(qū)的橢圓形有效影響范圍,分析了瓦斯在此空間內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律:注水過(guò)程中高壓水進(jìn)入煤基質(zhì)使煤層含水率增大,鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和吸附常數(shù)a隨之呈對(duì)數(shù)函數(shù)減小,抑制了吸附瓦斯的解吸,而且注水時(shí)間越長(zhǎng)該抑制效果越明顯,同時(shí)高壓水隨裂縫擴(kuò)展驅(qū)趕游離瓦斯逐步向煤層深部運(yùn)移,在壓裂有效影響范圍至其外推約5m的環(huán)形空間形成瓦斯富集帶;排水過(guò)程中煤層壓力不斷下降,沿主裂縫方向壓降傳遞最有效,優(yōu)先降至臨界瓦斯解吸壓力啟動(dòng)解吸,瓦斯?jié)B透率提升最為明顯。在此基礎(chǔ)上提出了沿主裂縫方向遵循壓降傳遞時(shí)空規(guī)律遞進(jìn)布置多級(jí)鉆孔實(shí)施排采,延緩裂縫閉合,促進(jìn)瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出的排采方法。(4)研發(fā)出適用于煤礦井下的輪式車載定位鉆機(jī)、高壓泵組、水力射孔器、高承壓膠囊封隔器、氣體射流泵排采裝置及抽采孔帶壓快速密封裝置等射孔導(dǎo)向壓裂與排采系統(tǒng)裝備;構(gòu)建了回采工作面和石門揭煤壓裂巖柱最小安全厚度模型及壓裂孔最優(yōu)布置間距模型d=2kcρL(1+m2/ρL4+2m/ρL2+cos 2θ)1/2,優(yōu)化了布孔、射孔、封孔、壓裂、裂縫監(jiān)測(cè)及排采等核心工藝,構(gòu)建了包括壓裂區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)、巖柱注漿加固、孔口防反沖及安全監(jiān)測(cè)等的安全防控體系。(5)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:與常規(guī)水力壓裂和抽采相比,采用新工藝后煤體起裂壓力明顯降低,裂縫起裂及擴(kuò)展受射孔導(dǎo)向顯著,并有效弱化了高壓水對(duì)頂?shù)装宓膿p傷破壞,壓裂有效影響范圍擴(kuò)大了 35%以上,瓦斯抽采濃度提高了 15～20個(gè)百分點(diǎn),平均單孔瓦斯抽采純量提高2.73倍,煤層瓦斯抽采率提高14.2個(gè)百分點(diǎn),鉆孔工程量節(jié)省40%,大幅縮短了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間,并基本杜絕了噴孔和瓦斯超限等現(xiàn)象。將該技術(shù)推廣應(yīng)用至西南地區(qū)三十余座礦井和瓦斯隧道的低透氣性煤層增透工程中,保障了煤礦安全生產(chǎn),提高了煤層氣開發(fā)利用率,減少了對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE37
【圖文】：

圖 2.2 任意角度壓裂孔坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Fig.2.2 The diagram of coordinate conversion of fracture drilling at any angle2.2.2 常規(guī)水力壓裂鉆孔應(yīng)力分布水壓裂縫的起裂由鉆孔壁上的應(yīng)力狀態(tài)所決定，因此，需先分析鉆孔周圍的應(yīng)力分布。鉆孔應(yīng)力分布模型中，三個(gè)主應(yīng)力分別為最大水平主應(yīng)力H 、最小水平主應(yīng)力h 和垂向應(yīng)力V 。假設(shè)在大地坐標(biāo)下（ , ,H h V ）所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系為（1, 2, 3），而任意角度下的鉆孔截面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為（x, y ,z），OX 軸與 OY 軸在鉆孔徑向平面內(nèi)，OZ 軸與鉆孔軸向一致， 和 分別為鉆孔方位角和鉆孔傾角。兩坐標(biāo)系中的應(yīng)力分量之間的關(guān)系可用矩陣形式表達(dá)：0 00 00 0xx xy xz HTyz yy yz hzx zy zz vL L （2.1）cos cos cos sin sinsin cos 0L （2.2）

2 煤礦井下射孔導(dǎo)向壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律2 2 2 22 22 2 2 22 2( cos sin ) cos sinsin cos( cos sin )sin cos1( )sin 2 cos21( cos sin )sin 221( )sin 2 sin2xx H h vyy H hzz H h vxy h Hxz H h vyz h H 孔周圍煤巖體可看作是無(wú)限小變形的多孔彈性介質(zhì)孔內(nèi)流體壓力、瓦斯壓力和壓裂液濾失效應(yīng)共同作徑為 R。采用疊加原理對(duì)距鉆孔中心 r 處煤巖體

圖 2.4 起裂方位和起裂角.2.4 The crack initiation and initiation a射孔導(dǎo)向壓裂工程，原始地層應(yīng)分布模型中可知變量只有流體wp 的函數(shù)。根據(jù)裂縫起裂準(zhǔn)則wp 不斷增大，當(dāng)鉆孔壁面 -Z，即：max( )w t p 和z 并非一定就是鉆孔壁面向局部坐標(biāo) -Z存在一定夾角，最大拉伸應(yīng)力的極值函數(shù)：1 1( ) ( )cos 2 2 2 z z

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764491