煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压机理与试验研究

发布时间：2016-12-18 00:57

  本文关键词：煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压机理与试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国矿业大学(北京)》 2015年

煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压机理与试验研究

郭信山  

【摘要】：冲击地压灾害治理是煤矿动力灾害防治的重大课题之一,迄今为止,国际上冲击地压防治的主要手段是煤层钻孔卸压、爆破卸压、注水、断顶等“局部防冲”技术,尽管取得了一定效果,但“局部防冲”技术工程量浩大、成本高、人为影响大、效果不能保证,导致冲击地压事故不断发生；“区域防冲”手段主要是开采解放层,在没有解放层和开采解放层有困难的矿区,目前还没有有效的区域防冲技术。本论文通过改进井下长钻孔控制压裂装备,试验井下煤层超高压定点水力压裂技术,实现掘进前对冲击危险煤层一次性卸压,创出一套“区域性主动防冲成套技术”,填补国内外空白,同时为深部矿井提供有效的区域防冲保障技术,实现区域防冲技术领域的突破。本文以山东能源集团下属的冲击地压高发矿井—华丰煤矿作为研究对象,提出了煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压技术,通过采用理论分析、数值模拟、现场监测、实验室试验等方法,研究了煤层超高压定点水力压裂防治冲击地压的机理,并根据现场实际情况,对压裂设备和监测设备进行合理选型；以华丰煤矿1412工作面下平巷为工程背景,在煤层超高压定点水力压裂试验过程中采用多参量(压力—应力—震动)综合监测系统对压裂过程和效果进行监控、评价。主要结论如下：(1)对比分析了煤层压裂与传统油气开采、煤层注水等工艺主要在压裂介质、压裂范围、压裂孔布置方式、起裂压力、压裂方式、压裂液与支撑剂6个方面存在差别,指出煤层定点水力压裂需分析煤层性质、矿山实际应力环境和开采技术条件等因素的影响,制定合适的压裂的工艺。(2)分析了起裂孔开挖以及注水后孔周边的应力环境,得出煤层起裂压力的估算公式：Pmin=2E1μ2γH/[E2(1-μ1)]+σbtH,计算出试验矿井水力压裂试验所需最小起裂压力为23MPa,现有压裂设备能够满足起裂压力的要求。现场压裂试验结果表明试验矿井煤层起裂压力为24MPa,与理论计算结果相近。(3)研究了煤层压裂后煤层裂隙存在的主要依据以及裂隙发展主要遵循垂直于最小主应力方向发展原则,裂隙在延伸过程中存在转向等变化过程,最终在压裂区域内形成混合压裂形态。(4)煤层定点水力压裂防治冲击地压的机理主要体现为降低冲击倾向性、转移应力高峰和减小蓄能体单元体积以减弱蓄能能力3个方面；通过建立分段压裂力学模型,得出压力防冲的力学判断依据,并反推出煤层压裂防冲所需的临界体积计算公式：提出了压裂防冲的力学条件,得到了基于压裂效能指数In的防冲效果评价标准,并在现场试验中得到了验证。(5)煤层注水起裂压力与煤层埋深、水平应力、煤层强度成正比,煤层压裂形成的塑性区分布于煤层内并且主要沿煤层层理方向发展,塑性区形状为两翼蝴蝶形。(6)煤层注水压力与形成塑性区大小成正比,在注水压力为25MPa时,煤层塑性区宽度约为5m,高度约为2.4m,当注水压力达到40MPa时,煤层塑性区宽度约为11.7m,高度约为4.6m。(7)煤层注水三维模拟结果表明注水形成的塑性区不仅沿钻孔轴线方向发展,在钻孔上下及钻孔底端附近也有煤层塑性区分布,说明钻孔注水对煤层的影响是三维的；煤层压裂过程中水的渗流主要集中在煤层中,煤层向顶底板的越流现象很微弱。(8)以试验工作面为背景,开发了煤层超高压定点水力压裂成套工艺,并研制了新型专用超高压注水压裂封孔器装置,介绍了其工作原理与技术参数,并在实验室环境下进行了试验,封孔器工作压力为40MPa时,可有效密封35MPa的高压水。(9)针对煤层赋存条件的差异性,本文提出了一次压裂(针对完整性较差、裂隙发育煤层)、反复压裂(针对完整性较好、地应力较大煤层)和长期稳压压裂(针对完整性较好、强度较大、难以压开煤层)3种煤层超高压水力压裂方案来强化控制压裂效果,实现对水力压裂裂缝长度、压裂范围等效果的控制。(10)形成了煤层超高压定点水力压裂的多参量综合监测技术,包括管路压力监测、应力动态实时监测和微地震监测,该技术能够对评价压裂效果的关键参数(压裂范围、程度和发展动态)进行实时监控,为煤层超高压定点水力压裂合理参数的确定及后续防冲措施的制定提供依据。(11)为了增加检波器接收煤层压裂震动信号的灵敏度,对其在不同介质和不同角度接收到的最大振幅进行了对比分析,在不同介质上的敲击时,检波器收到的最大幅值差距很大,但是当检波器垂直放置时,其所在通道收到的最大幅值都是最大的,当倾斜45。时,其收到的最大幅值为垂直时的一半左右,试验表明检波器正交固定至套筒里进行深孔安装时,可以保证在任何角度下都可以接收到微震信号。(12)现场压裂试验证明裸孔压裂效果较套管压裂效果更好,煤层超高压定点压裂过程中存在3个阶段：即压力升高段、压力小范围波动段、压力急剧下降段,试验结果验证了煤层水力压裂的防冲机理。(13)煤层超高压定点水力压裂试验过程中,管路压力达到24MPa并持续11秒后煤体开始产生破裂,持续13分钟后压裂半径达到8m；煤层压裂过程中煤体应力变化较为明显：管路加压→附近煤体应力增加→煤层压开并产生震动→水压迅速降低→应力计数值逐渐平稳。(14)煤层超高压定点水力压裂后,将煤体切割成了近似6.2m×8m×6.2m的长方体,降低了煤体的整体强度,减小了蓄能体单元体积,从而减弱了煤体的蓄能能力；超高压定点水力压裂过程中,注水速度约为9.2 m3/h,远大于常规注水速度,提高了煤体的含水率,有效降低了煤体的冲击倾向性。(15)在现场3次压裂试验过程中封孔器密封性能较好,可以达到30MPa,能够满足试验要求,说明煤层超高压定点水力压裂试验选取的压裂设备和封孔工艺可行。(16)通过现场试验形成了煤层超高压定点水力压裂防冲成套技术,得到了控制性压裂方法、装备参数、钻孔维护、脉冲压裂参数、封孔技术、设备布置等关键工艺及参数,丰富了现有冲击地压防治技术。(17)岩层断裂微震事件振幅较大,在频域上表现出宽频带特征,信号在80-470Hz频率范围内均有体现；水力压裂微震事件在频率上表现的较为集中,主要聚集于80-220Hz范围内。(18)在波形统计分布上,水力压裂信号更为集中,其振幅分布统计达到47%,而断裂信号的频带分布范围广且较分散,这与频域特征一致,表明断裂信号内成分种类较多,震源机制较为复杂。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD324
【目录】：

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本文编号：217810