含瓦斯煤层水力致裂的驱赶瓦斯规律研究

发布时间：2020-05-03 17:03

【摘要】：含瓦斯煤层水力致裂存在驱赶瓦斯效应,该效应在工程中具有正反两面性,而对煤层水力致裂驱赶瓦斯规律的认识仍需补充完善。本文以煤层水力致裂的驱赶瓦斯效应为研究对象,采用实验室实验、理论分析、数值模拟和现场试验方法,对水力致裂的驱赶瓦斯规律进行了较为系统的研究,具有重要的理论意义和广泛的工程应用前景。运用自行研制的假三轴水力(致裂)驱替瓦斯模拟实验系统进行了水力驱替瓦斯的作用机制实验研究,结果表明:(1)水和瓦斯的竞争吸附效应会促使吸附瓦斯变成游离瓦斯,而压力水进入煤体后,孔隙(瓦斯)压力升高会使游离瓦斯转变成吸附瓦斯。置换解吸产生的游离瓦斯量大于瓦斯压力增大所消耗的游离瓦斯量,二者综合作用所产生的净增游离瓦斯成为注水驱替瓦斯效应的气源之一。(2)随着注水量的增加,驱替瓦斯量逐渐增加,而驱替瓦斯速率则呈现出先增加后减小的趋势;水力驱替瓦斯具有时间效应,驱替出来的瓦斯气体滞后于注水作用。(3)水力驱替瓦斯过程中,存在着启动孔隙压力梯度和极限孔隙压力。当孔隙压力梯度小于启动孔隙压力梯度时,煤岩体内存在着游离瓦斯,但无法被驱替出来;当孔隙压力梯度大于启动孔隙压力梯度,且孔隙压力小于极限孔隙压力时,能够驱替出游离瓦斯;当孔隙压力大于极限孔隙压力时,煤岩体内瓦斯几乎全部处于吸附态,水力无法驱替出游离瓦斯。借助COMSOL Multiphysics软件对煤岩细观孔道内水驱瓦斯过程中的两相界面形状、位置和水驱效率随时间的变化规律进行了数值模拟实验,结果表明:(1)孔道内水驱瓦斯过程中,在边界层效应、界面张力和孔径变化的共同作用下,水气界面会从“舌”形向“U”形凹液面转变,中间会经历“活塞”形、“指”形、“W”形、“Ω”形等一系列形状的过渡界面;孔道内的水相面积关于孔轴线不对称,孔轴线下侧水相面积大于孔轴线上侧水相面积。(2)孔喉比是影响水气界面形状、位置和驱替效率的重要因素,表征着储层孔道特性对相态分布的影响。从小孔道向大孔道驱替时,孔喉比越小,相同时间内的水驱效率越高;从大孔道向小孔道驱替时,孔喉比越大,相同时间内的水驱效率越高。建立并验证了含瓦斯孔隙煤岩内水力驱赶瓦斯的流固耦合数学模型,数值模拟结果表明:(1)水相饱和度沿着驱赶的方向呈递减分布,且煤岩内的水相饱和度随时间不断增加,而瓦斯相饱和度变化规律与之相反。水气两相饱和度的变化(递增或递减)速率都在减小。(2)孔隙压力沿驱赶方向逐渐降低。煤体内存在着孔隙压力升高区和孔隙压力降低区,且孔隙压力升高区在逐渐减小,孔隙压力降低区在逐渐增大。(3)孔隙压力梯度沿驱赶方向先降低后升高,且孔隙压力梯度降低区位于孔隙压力升高区内,孔隙压力梯度升高区位于孔隙压力降低区内。运用水力(致裂)驱替瓦斯实验系统和高分辨三维X射线显微成像系统进行了水力致裂的驱赶瓦斯实验,结果表明:(1)水压裂缝成为致裂驱赶瓦斯过程中的优势路径,为水对瓦斯的驱赶作用提供运移通道,且水压裂缝越宽,越容易成为优势路径;水压裂缝的数目越多,煤体内存在的优势路径也越多,但随时间的推移优势路径会逐渐减弱或消失。(2)水力致裂驱赶瓦斯主要通过2个途径来实现:一是高压水与应力场耦合产生水压裂缝能够为瓦斯运移提供优势路径;二是压力水在煤体渗流通道中流动时,沿水压裂缝面向其两侧渗透,水渗流前端沿孔隙水运移方向形成由高到低的孔隙压力梯度。该孔隙压力梯度是水力致裂驱赶瓦斯的动力源。以双重孔隙介质煤层内“双孔-双渗透”的瓦斯渗流理论为基础,建立了水力致裂的驱赶瓦斯数学模型并进行了数值模拟实验,结果表明:(1)沿致裂驱赶瓦斯方向,孔隙压力在割理处呈现出先降低后升高的变化趋势。孔隙压力梯度在驱赶方向上呈现出一定的区域性特征:致裂孔附近的孔隙压力梯度呈现出降低趋势,但煤层边界处的孔隙压力梯度则呈现出升高趋势,而割理空间点处的孔隙压力梯度又低于其相邻两侧基质块内的孔隙压力梯度。致裂孔和煤层边界附近同一空间点处的孔隙压力梯度均随着时间的延长而降低。(2)水相饱和度沿致裂驱赶方向整体表现出降低的趋势,但在割理或水压裂缝的附近呈现出先增加后降低的趋势。煤体基质块内部中心区域的水相饱和度小于其四周的水相饱和度,而整个基质块内的水相饱和度大于包围该基质块的四周割理或水压裂缝内的水相饱和度。煤层空间点处的水相饱和度会随着时间的延长而逐渐增大。瓦斯相饱和度的时空分布规律出与之相反。(3)水力致裂驱赶出来的游离瓦斯包含原始的游离态瓦斯和由吸附态瓦斯解吸出来的游离瓦斯,且煤层吸附瓦斯含量的降低速率大于游离瓦斯含量的降低速率。在含瓦斯煤层进行了水力致裂的驱赶瓦斯现场试验,结果表明:水力致裂的驱赶瓦斯效应会使得致裂过程中的瓦斯涌出速率大于致裂前后的瓦斯涌出速率,且会使得致裂孔周围一定范围内形成瓦斯含量降低区、瓦斯含量升高区和原始瓦斯含量区。
【图文】：

瓦斯含量,水力,煤体,突出煤层

1 绪论在井下进行了突出煤层掘进工作面超前深孔水力致裂试验，结果表明后续过程中煤体瓦斯含量沿掘进方向呈现“高-低-高”的现象（如图 1-3 所示）时本煤层水力致裂过程中邻近钻孔出现瓦斯涌出现象，这些也都验证了含瓦层水力致裂的驱赶瓦斯现象的客观存在[25]。

模型图,甲烷分子,无烟煤,吸附水分

和瓦斯的竞争吸附与置换解吸效应煤吸附甲烷分子和水分子模型，陈向军首先利用 ChemBi分子，然后在无烟煤基分子附近绘制甲烷分子和水分子，，甲烷分子的吸附模型和无烟煤与水分子间的吸附模型。在的吸附模型的基础上，利用 Gaussian 03 软件计算无烟煤间的相互作用。数值模拟的计算结果表明，煤对水的最大 kJ/mol）是对甲烷分子最大吸附势阱（11.7551 kJ/mol）的更容易吸附内煤表面上[45]。（a）无烟煤吸附水模型
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712

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