煤矿井下射孔导向压裂与递进排采技术研究及应用

发布时间：2020-07-21 13:43

【摘要】：作为煤炭生产和消费大国,我国煤层气(煤层瓦斯)资源十分丰富,但瓦斯灾害却也是煤矿安全生产的“第一杀手”,此外,瓦斯排空对生态环境亦造成了极强的破坏。近年来,用于油气储层改造的水力压裂技术被引入到煤矿井下煤层增透工程中,取得了一定成效,但由于煤层增透与油气储层改造之间存在的诸多差异,导致煤矿井下水力压裂难以直接援用油气井水力压裂理论与装备。在工程实践中,水压裂缝扩展形态不理想和闭合过早,大幅降低了煤层增透效果和瓦斯抽采效率,同时还给压裂和采掘作业带来了重大安全隐患,严重阻碍了该技术在煤矿井下的推广应用。为此,本文提出了煤矿井下射孔引导水压裂缝起裂及扩展,再沿主裂缝方向遵循压降传递时空规律依次布设多级钻孔实施排采,延缓裂缝闭合,促进瓦斯运移产出的新方法。该方法实现高效抽采煤层瓦斯的关键在于裂缝定向起裂、有序扩展及排采作业时空衔接合理,为此本文拟开展以下研究:①射孔导向压裂裂缝起裂及扩展规律;②射孔导向压裂瓦斯运移规律及递进排采;③煤矿井下射孔导向压裂与递进排采系统;④煤矿井下射孔导向压裂与递进排采现场试验。主要取得以下成果:(1)在分析了煤矿井下水力压裂特点的基础上,提出了射孔引导水压裂缝定向起裂、有序扩展的方法;考虑了地应力场、瓦斯压力、钻孔内水压力及高压水向煤层滤失等多个因素,采用叠加原理和最大拉应力准则,构建了射孔导向作用下裂缝起裂压力、起裂角的力学模型及计算步骤;采用拉剪复合型破坏判据和最大周向应力理论,建立了裂缝扩展临界水压和裂缝延伸角的力学模型及计算步骤,并通过工程实例计算和数值模拟验证了模型的正确性。(2)揭示了射孔导向下水压裂缝的起裂及扩展规律:射孔导向下的煤体起裂压力较常规水力压裂下降30%,各射孔参数对起裂压力影响程度不一:射孔孔径对其影响较小,起裂压力随射孔深度在0～1.5倍孔径范围内增长而大幅下降,射孔方位角对其影响则呈现出明显的阶段性。射孔导向压裂经历了应力累积、裂缝起裂及沿射孔方向扩展、裂缝转向扩展和裂缝沿最大主应力方向扩展四个阶段。裂缝起裂位置及扩展形态取决于垂直于最大主应力平面上两个主应力的差值(△σ)和射孔方位角(θ),任意△σ条件下均存在一临界射孔方位角(θC),当θθC时,裂缝在射孔孔眼尖端起裂并沿射孔方向扩展,但会逐渐转向到最大主应力方向,转向距离随θ增大而增大;当θθC时,裂缝在钻孔壁面上起裂并沿最大主应力方向扩展形成一条规则的双翼平直裂缝;当θ=θC时,裂缝在射孔孔眼尖端和钻孔壁面上同时起裂,在钻孔两侧分别形成单翼弯曲裂缝和沿最大主应力方向扩展的单翼平直裂缝,Aσ越大,θC越小,更容易形成多裂缝形态。(3)射孔导向压裂形成了包括宏观裂隙区、微裂隙贯通区和微裂隙产生区的椭圆形有效影响范围,分析了瓦斯在此空间内的运移规律:注水过程中高压水进入煤基质使煤层含水率增大,钻屑瓦斯解吸指标K1值和吸附常数a随之呈对数函数减小,抑制了吸附瓦斯的解吸,而且注水时间越长该抑制效果越明显,同时高压水随裂缝扩展驱赶游离瓦斯逐步向煤层深部运移,在压裂有效影响范围至其外推约5m的环形空间形成瓦斯富集带;排水过程中煤层压力不断下降,沿主裂缝方向压降传递最有效,优先降至临界瓦斯解吸压力启动解吸,瓦斯渗透率提升最为明显。在此基础上提出了沿主裂缝方向遵循压降传递时空规律递进布置多级钻孔实施排采,延缓裂缝闭合,促进瓦斯运移产出的排采方法。(4)研发出适用于煤矿井下的轮式车载定位钻机、高压泵组、水力射孔器、高承压胶囊封隔器、气体射流泵排采装置及抽采孔带压快速密封装置等射孔导向压裂与排采系统装备;构建了回采工作面和石门揭煤压裂岩柱最小安全厚度模型及压裂孔最优布置间距模型d=2kcρL(1+m2/ρL4+2m/ρL2+cos 2θ)1/2,优化了布孔、射孔、封孔、压裂、裂缝监测及排采等核心工艺,构建了包括压裂区地质预报、岩柱注浆加固、孔口防反冲及安全监测等的安全防控体系。(5)现场试验表明:与常规水力压裂和抽采相比,采用新工艺后煤体起裂压力明显降低,裂缝起裂及扩展受射孔导向显著,并有效弱化了高压水对顶底板的损伤破坏,压裂有效影响范围扩大了 35%以上,瓦斯抽采浓度提高了 15～20个百分点,平均单孔瓦斯抽采纯量提高2.73倍,煤层瓦斯抽采率提高14.2个百分点,钻孔工程量节省40%,大幅缩短了瓦斯抽采达标时间,并基本杜绝了喷孔和瓦斯超限等现象。将该技术推广应用至西南地区三十余座矿井和瓦斯隧道的低透气性煤层增透工程中,保障了煤矿安全生产,提高了煤层气开发利用率,减少了对生态环境的破坏,产生了良好的经济和社会效益。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE37
【图文】：

任意角度,压裂,转换关系,坐标

图 2.2 任意角度压裂孔坐标及转换关系图Fig.2.2 The diagram of coordinate conversion of fracture drilling at any angle2.2.2 常规水力压裂钻孔应力分布水压裂缝的起裂由钻孔壁上的应力状态所决定，因此，需先分析钻孔周围的应力分布。钻孔应力分布模型中，三个主应力分别为最大水平主应力H 、最小水平主应力h 和垂向应力V 。假设在大地坐标下（ , ,H h V ）所对应的坐标系为（1, 2, 3），而任意角度下的钻孔截面坐标对应为（x, y ,z），OX 轴与 OY 轴在钻孔径向平面内，OZ 轴与钻孔轴向一致，和分别为钻孔方位角和钻孔倾角。两坐标系中的应力分量之间的关系可用矩阵形式表达：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）

压裂,应力分布,煤岩体,多孔弹性介质

2 煤矿井下射孔导向压裂裂缝扩展规律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 孔周围煤岩体可看作是无限小变形的多孔弹性介质孔内流体压力、瓦斯压力和压裂液滤失效应共同作径为 R。采用叠加原理对距钻孔中心 r 处煤岩体

起裂角,起裂,方位

图 2.4 起裂方位和起裂角.2.4 The crack initiation and initiation a射孔导向压裂工程，原始地层应分布模型中可知变量只有流体wp 的函数。根据裂缝起裂准则wp 不断增大，当钻孔壁面 -Z，即：max( )w t p 和z 并非一定就是钻孔壁面向局部坐标 -Z存在一定夹角，最大拉伸应力的极值函数：1 1( ) ( )cos 2 2 2 z z

【参考文献】