本文關(guān)鍵詞：脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯微觀動(dòng)力學(xué)特性及液相滯留機(jī)制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國(guó)煤礦70%左右的高瓦斯突出煤層具有微孔隙、低滲透率、高吸附性的特征,導(dǎo)致大部分煤層抽采困難,瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。水力壓裂是提高煤層瓦斯抽采效率的有效技術(shù)措施之一,但是現(xiàn)有水力壓裂技術(shù)效果不穩(wěn)定、存在卸壓不充分等現(xiàn)象。脈動(dòng)水力壓裂是在常規(guī)水力壓裂的基礎(chǔ)上旨在提高煤層卸壓增透效果的新技術(shù)。但是,缺乏對(duì)其瓦斯解吸、擴(kuò)散等微觀動(dòng)力學(xué)特性、脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)機(jī)制等方面的深入探討,影響了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值擬合等方法,深入研究了脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯微觀動(dòng)力學(xué)特性及液相滯留機(jī)制,以優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及工藝,主要成果如下:采用壓汞法、液氮吸附法,增大孔徑測(cè)試范圍,對(duì)脈動(dòng)波作用煤孔隙度、孔徑分布等變化特性進(jìn)行定量分析;結(jié)合環(huán)境掃描電鏡測(cè)試和能量色散譜儀測(cè)試,研究煤樣表面各種礦物質(zhì)遷移變化規(guī)律。得出在脈動(dòng)載荷下對(duì)煤樣孔隙度的影響程度大于靜壓載荷;微孔體積隨著脈動(dòng)波頻率和峰值壓力的增加而減少,中孔和大孔體積隨著脈動(dòng)波頻率和峰值壓力的增加而增加。脈動(dòng)波作用影響煤樣主要出現(xiàn)兩類孔隙:擴(kuò)孔作用形成原有孔隙的擴(kuò)張和沖蝕作用使煤中鑲嵌的礦物質(zhì)晶體沖蝕出其占空間形成的新孔隙。建立基于脈動(dòng)水力壓裂的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),探討脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯解吸動(dòng)力學(xué)特性,分析脈動(dòng)壓裂協(xié)同控制條件下,前期置換-驅(qū)替瓦斯特性、后期瓦斯自然解吸特性,綜合分析脈動(dòng)壓裂影響瓦斯解吸效果。脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯置換-驅(qū)替量明顯大于靜壓壓裂,且置換-驅(qū)替量隨脈動(dòng)頻率的增加先呈線性增加,后呈對(duì)數(shù)增加趨勢(shì);隨脈動(dòng)峰值壓力呈對(duì)數(shù)形式增加。后期瓦斯自然解吸量及解吸速度均小于干燥煤樣瓦斯解吸量,瓦斯自然解吸衰減比例一般在20%~60%之間。靜壓壓裂和低壓-低頻的脈動(dòng)壓裂會(huì)抑制瓦斯綜合解吸效果;低壓-高頻、高壓-低頻和高壓-高頻的脈動(dòng)壓裂對(duì)瓦斯綜合解吸起促進(jìn)作用。運(yùn)用基于第三類邊界條件下的瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型,分析了脈動(dòng)參量協(xié)同控制條件下瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性。水分進(jìn)入煤樣內(nèi)部孔隙,會(huì)封堵瓦斯擴(kuò)散通道,阻礙瓦斯在煤中的擴(kuò)散。低壓或低頻條件下,脈動(dòng)壓裂使煤中瓦斯擴(kuò)散能力要小于靜壓壓裂,同時(shí),由于煤中瓦斯?jié)舛忍荻群屯咚箶U(kuò)散阻力的綜合作用,使脈動(dòng)壓裂后瓦斯在煤中的擴(kuò)散能力隨著脈動(dòng)頻率和峰值壓力的增加而增加,且應(yīng)存在一組臨界值,使脈動(dòng)壓裂后煤樣的擴(kuò)散能力大于原煤樣。揭示了毛細(xì)管力和粘度滯后效應(yīng)是脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)的兩大原因。煤孔隙特性、侵入深度、粘度、接觸角及表面張力是脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)的五大因素。其中,壓裂液的表面張力和接觸角是滯留效應(yīng)能否解除的決定因素。采用DSA型光學(xué)法液滴形態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)基于表面活性劑的清潔壓裂液臨界表面張力及接觸角等性能變化進(jìn)行研究,采用核磁共振設(shè)備對(duì)液相滯留效應(yīng)解除效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,得出陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉SDS為最優(yōu)的壓裂液添加劑,并確定了其合理濃度為0.022%�；谏鲜鲅芯砍晒�,提出了低透氣性煤層卸壓增透的“鉆”“壓”“抽”三位一體技術(shù)模型,并對(duì)脈動(dòng)水力壓裂進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。研究成果在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,優(yōu)化脈動(dòng)水力壓裂實(shí)施后,瓦斯抽采效果明顯。壓裂孔和導(dǎo)向孔瓦斯穩(wěn)定濃度分別為普通抽采孔的4倍和5倍左右,瓦斯純量是普通抽采孔的4~5倍,煤層透氣性系數(shù)增加了48~217倍。課題研究期間作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文6篇,其中SCI檢索一篇,EI檢索三篇,獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng),授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)。該論文有圖78幅,表38個(gè),參考文獻(xiàn)206篇。
【關(guān)鍵詞】：脈動(dòng)水力壓裂 孔隙特性 解吸 擴(kuò)散 液相滯留
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-25
• 變量注釋表25-27
• 1 緒論27-39
• 1.1 研究背景及意義27-29
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題29-35
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容35-36
• 1.4 總體研究思路36-37
• 1.5 主要研究進(jìn)展及成果37-39
• 2 脈動(dòng)波作用煤微觀孔隙特性變化研究39-57
• 2.1 脈動(dòng)波的產(chǎn)生與作用機(jī)制39-41
• 2.2 煤體孔隙分類41-42
• 2.3 脈動(dòng)波作用煤微觀孔隙特性實(shí)驗(yàn)42-44
• 2.4 脈動(dòng)波作用煤微觀孔隙特性變化規(guī)律44-48
• 2.5 不同煤種煤樣孔徑分布變化規(guī)律48-50
• 2.6 掃描電鏡圖片的煤孔隙特性變化定性分析50-56
• 2.7 本章小結(jié)56-57
• 3 脈動(dòng)水力壓裂影響煤中瓦斯解吸特性研究57-79
• 3.1 脈動(dòng)水力壓裂影響煤中瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)57-59
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)59-61
• 3.3 脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程瓦斯置換-驅(qū)替特性61-67
• 3.4 脈動(dòng)水力壓裂后期瓦斯自然解吸特性67-71
• 3.5 脈動(dòng)水力壓裂對(duì)瓦斯解吸綜合作用效果分析71-76
• 3.6 不同煤種瓦斯綜合解吸效果76-78
• 3.7 本章小結(jié)78-79
• 4 脈動(dòng)水力壓裂影響瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性研究79-95
• 4.1 瓦斯擴(kuò)散機(jī)理分析79-81
• 4.2 瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型及擬合分析81-88
• 4.3 脈動(dòng)壓裂對(duì)瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性的影響88-91
• 4.4 不同煤種條件下脈動(dòng)壓裂瓦斯擴(kuò)散特性91-93
• 4.5 本章小結(jié)93-95
• 5 脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)及解除機(jī)制95-115
• 5.1 滯留效應(yīng)機(jī)理及解除方法的選擇95-98
• 5.2 基于表面活性劑的清潔壓裂液性能實(shí)驗(yàn)研究98-108
• 5.3 清潔壓裂液解除滯留效應(yīng)評(píng)價(jià)分析108-113
• 5.4 本章小結(jié)113-115
• 6 脈動(dòng)水力壓裂工業(yè)性試驗(yàn)115-127
• 6.1 脈動(dòng)水力壓裂設(shè)備115-116
• 6.2 工作面概況116-117
• 6.3 脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)優(yōu)化117-118
• 6.4 脈動(dòng)水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施118-120
• 6.5 工業(yè)性試驗(yàn)效果考察及分析120-126
• 6.6 本章小結(jié)126-127
• 7 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)及展望127-131
• 7.1 主要結(jié)論127-129
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)129
• 7.3 研究展望129-131
• 參考文獻(xiàn)131-143
• 作者簡(jiǎn)歷143-146
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集146

  本文關(guān)鍵詞：脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯微觀動(dòng)力學(xué)特性及液相滯留機(jī)制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：385760