煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研究

发布时间：2018-11-10 12:07

【摘要】：低透气性是我国煤层瓦斯赋存的普遍特性，为合理高效的抽采煤层瓦斯必须对高瓦斯低渗透性煤层采取增透措施。水力压裂作为水力化措施中增加煤层透气性的一种有效方法，已在许多矿区获得了应用。本文采用相似材料模拟煤层的试验手段，结合理论分析和现场应用等研究方法，研究地应力对煤层水力压裂裂缝扩展规律的影响，同时提出了地应力作用下基于裂缝扩展规律的瓦斯抽采钻孔优化布置方法，为压裂后煤层瓦斯的高效抽采提供了借鉴。（1）采用MTS815电液伺服岩石力学试验系统对煤岩及顶底板的力学性质进行了测试，为煤岩和顶底板相似材料制作提供基础。通过压汞试验研究了M6-3煤层的孔隙裂隙特征，煤层为小孔、微孔结构，孔隙度为2.7793%，孔隙形态为开放孔，连通性较好，，有利于采取增透措施增加煤层渗透性。根据声发射的Kaiser效应测定了煤层的地应力分布规律，逢春煤矿为构造应力场型，垂向主应力为中间主应力，水平主应力为最大、最小主应力，最大水平主应力方向为北西向。（2）基于煤层钻孔水力压裂的憋压特征，提出了孔底憋压模型。根据水压裂缝与天然裂缝的力学关系，建立了水压裂缝与天然裂缝的遭遇模型，并分析了水压裂缝与天然裂缝遭遇后的扩展延伸条件，认为煤层水力压裂是水压主裂缝与分支裂缝交替扩展延伸的过程，最终共同形成主裂缝交叉分支裂缝的裂缝网络。根据水力压裂垂直裂缝扩展的拟三维模型，预测水压裂缝的扩展形态，给出了裂缝中流体的连续性方程、压降方程、缝宽方程和裂缝高度控制方程及模型的求解方法。（3）对模拟煤岩的相似材料进行研究，确定了煤岩及顶底板的相似材料配比。采用“顶板-煤层-底板”分层的相似材料浇筑方法，设计煤层水力压裂的物理模拟试验，应用大尺寸真三轴水力压裂试验系统进行了煤层水力压裂裂缝扩展规律的研究。结果表明，水压裂缝基本在煤层中扩展，总体形态为椭圆形，缝高随裂缝扩展而变化；裂缝沿垂直于最小水平主应力的方向扩展，沿平行于最大水平主应力的方向延伸。地应力是水压裂缝扩展延伸的决定性因素，随着水平最小、最大主应力比值由小到大，水压裂缝延伸方向与最大水平主应力方向夹角由大变小，裂缝发生偏转，裂缝破裂压力逐渐增大。在等围压条件下，水压裂缝的扩展是随机的，一旦形成裂缝面，裂缝将沿着优势破裂面扩展，沿其中一个水平主应力的方向延伸。水压裂缝与预制裂隙相交角度是决定水压裂缝能否穿过预制裂隙的重要因素，水压裂缝与预制裂隙接触角度小于45°时，水压裂缝将穿过预制裂隙继续扩展。在两个煤层的联合压裂过程中，水压裂缝可以在两个煤层中扩展延伸。煤层钻孔对水压裂缝延伸可起到一定的导向作用，钻孔的集中应力会局部影响水压裂缝的扩展方向，但在地应力作用下，水压裂缝依然会穿过钻孔继续扩展延伸。（4）在地应力场与煤层顶底板的共同作用下，根据水压裂缝最后的扩展形态总体为椭圆形特征，给出了椭圆形周围的塑性区计算公式，认为塑性区是煤层水压裂缝周围主要的卸压增透区，是瓦斯抽采钻孔优化布置的重点区域。根据煤层抽采钻孔无盲区的要求，建立了抽采钻孔布置的优化模型，得到了瓦斯有效抽采半径的孔间距为3R。依据地应力作用下的水压裂缝形态、扩展方向及裂缝周围的塑性区分布，对煤层压裂前后穿层抽采钻孔与顺层抽采钻孔的布置进行了优化设计；并提出了现场可通过钻孔单孔瓦斯抽采量考察水压裂缝的扩展延伸方向，以此实现瓦斯抽采钻孔的优化设计。根据地应力与地质构造特点，把水力压裂与瓦斯抽采相结合，提出一套地应力作用下的“选择-判断-压裂-钻孔-抽采”一体化的水力压裂与抽采瓦斯工艺体系。（5）水力压裂在逢春煤矿的工业应用表明，单一煤层的水力压裂提高了煤层透气性，增加了煤层的瓦斯抽采量，加快了煤层巷道的掘进速度；多煤层的联合压裂在石门揭煤中取得了较好效果，不但提高了瓦斯抽采浓度、抽采纯量，而且使石门揭煤的工期缩短，保证了煤矿的采掘接替和安全生产。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.6

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