煤岩水力压裂改造后渗透率模型及实验研究

发布时间：2020-03-26 00:12

【摘要】：水力压裂技术是目前提高煤层气采收率的重要手段,压裂前后煤层的渗透率变化是衡量水力压裂效果的关键影响因素。目前,针对水力压裂渗流方面的研究主要存在多数学者采用型煤等浇筑试件,和具有天然裂隙、孔隙的原煤试件有较大的区别;其次实验试件尺寸较小(≤200mm),加载地应力时边界效应影响较大;此外,压裂和渗流实验过程不连续,压裂后需取出试件再做渗流导致和实际压裂生产过程偏差较大等问题,导致实验结果和煤层气产能预测不准确,压裂方案的设计缺乏可靠的理论根据。因此,本文使用φ100mm×200mm大尺寸原煤试件进行水力压裂渗流实验,在压裂实验基础上直接进行渗流实验,使压裂渗流两部分可以在同一个实验系统中进行,尽可能的接近现场压裂渗流实际情况,使得实验结果与现场更吻合,从而为预测煤层气生产提供理论支撑。论文主要研究成果如下:(1)揭示了原煤水力压裂后形成的复杂网状裂缝形态。对压裂后的原煤试样使用高能CT扫描,获取其水压裂缝形态,结果表明:天然节理裂隙比较发育的原煤试件在水力压裂后会形成比较复杂的裂缝网络,裂缝形态包含为三种形态:a型-垂直于最小主应力方向的主裂缝;b型-主裂缝两侧产生的垂向扩展的次生裂缝;c型-由水压撑开的节理及天然裂隙。而相对比较均质的型煤试件水力压裂后形成的裂缝主要是形态比较单一a型裂缝。(2)构建了表征裂缝复杂程度的净压力系数的表达式以及原煤压裂后复杂网状裂缝渗透率模型。以原煤水力压裂后裂缝CT扫面图为基础,抽象出了水力裂缝与天然裂缝相交作用的平面构架图,从弹性力学理论出发,推导出了净压力系数和起裂压力以及应力状态的关系。然后基于原煤水压裂缝形态、“火柴棍”渗流模型和立方定律,构建了一个充分考虑裂缝表面粗糙度和弯曲度、裂缝连通性和各向同性等因素的新的渗透率模型。(3)得出了渗透率重要影响参数比奥系数α和应力敏感系数C_f的值与净压力系数R_n的线性关系。实验结果表明:α的值随净压力系数的变化保持不变,约为0.854的常数;C_f的值则随着净压力系数的减小呈突增关系,当R_n大于1时,C_f的值约为0.148,而当R_n小于1时,C_f的值突增至0.227。
【图文】：

裂缝形态,煤层压裂,裂缝分布图

重庆大学硕士学位论文 1 绪论2图1.1 煤层压裂裂缝分布图Fig.1.1 Distribution map of hydraulic fracture in coal seam此外，在裂缝扩展的研究中一般均采用型煤或浇筑试件等作为模拟对象，不能完全代表原煤的特性，而在裂缝渗流的研究中，多为人为劈裂的裂缝渗流或者是独立两个实验系统进行的压裂和渗流实验，无法模拟压裂后的原始裂缝情况。本文以选取自山西同煤集团塔山矿区大块原煤制作的原煤试样和型煤试样为研究对象，进行前期的型煤原煤水力压裂探索实验，对水力压裂后的试件进行高能 CT 扫描以获取水压裂缝形态，分析水力压裂后原煤试件和型煤试件形成的水压裂缝扩展规律。然后以原煤试件水力裂缝与天然裂缝相交作用的平面构架抽象图为原型，推导净压力系数计算公式，用于描述原煤水力压裂后的裂缝形态，并用净压力系数来表征裂缝的复杂程度。接着以“捆绑的火柴棍”渗流概念模型为基础，，推导水力压裂后的原煤试样的瓦斯渗流模型

技术路线图

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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE312;TE377

【参考文献】