脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究

发布时间：2017-05-22 13:03

  本文关键词：脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国煤矿70%左右的高瓦斯突出煤层具有微孔隙、低渗透率、高吸附性的特征,导致大部分煤层抽采困难,瓦斯灾害严重。水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的有效技术措施之一,但是现有水力压裂技术效果不稳定、存在卸压不充分等现象。脉动水力压裂是在常规水力压裂的基础上旨在提高煤层卸压增透效果的新技术。但是,缺乏对其瓦斯解吸、扩散等微观动力学特性、脉动压裂液滞留效应机制等方面的深入探讨,影响了该技术的进一步推广和应用。本文采用理论分析、实验室实验、数值拟合等方法,深入研究了脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制,以优化关键技术参数及工艺,主要成果如下:采用压汞法、液氮吸附法,增大孔径测试范围,对脉动波作用煤孔隙度、孔径分布等变化特性进行定量分析;结合环境扫描电镜测试和能量色散谱仪测试,研究煤样表面各种矿物质迁移变化规律。得出在脉动载荷下对煤样孔隙度的影响程度大于静压载荷;微孔体积随着脉动波频率和峰值压力的增加而减少,中孔和大孔体积随着脉动波频率和峰值压力的增加而增加。脉动波作用影响煤样主要出现两类孔隙:扩孔作用形成原有孔隙的扩张和冲蚀作用使煤中镶嵌的矿物质晶体冲蚀出其占空间形成的新孔隙。建立基于脉动水力压裂的瓦斯解吸实验系统,探讨脉动压裂过程中瓦斯解吸动力学特性,分析脉动压裂协同控制条件下,前期置换-驱替瓦斯特性、后期瓦斯自然解吸特性,综合分析脉动压裂影响瓦斯解吸效果。脉动压裂过程中瓦斯置换-驱替量明显大于静压压裂,且置换-驱替量随脉动频率的增加先呈线性增加,后呈对数增加趋势;随脉动峰值压力呈对数形式增加。后期瓦斯自然解吸量及解吸速度均小于干燥煤样瓦斯解吸量,瓦斯自然解吸衰减比例一般在20%~60%之间。静压压裂和低压-低频的脉动压裂会抑制瓦斯综合解吸效果;低压-高频、高压-低频和高压-高频的脉动压裂对瓦斯综合解吸起促进作用。运用基于第三类边界条件下的瓦斯扩散动力学模型,分析了脉动参量协同控制条件下瓦斯扩散动力学特性。水分进入煤样内部孔隙,会封堵瓦斯扩散通道,阻碍瓦斯在煤中的扩散。低压或低频条件下,脉动压裂使煤中瓦斯扩散能力要小于静压压裂,同时,由于煤中瓦斯浓度梯度和瓦斯扩散阻力的综合作用,使脉动压裂后瓦斯在煤中的扩散能力随着脉动频率和峰值压力的增加而增加,且应存在一组临界值,使脉动压裂后煤样的扩散能力大于原煤样。揭示了毛细管力和粘度滞后效应是脉动压裂液滞留效应的两大原因。煤孔隙特性、侵入深度、粘度、接触角及表面张力是脉动压裂液滞留效应的五大因素。其中,压裂液的表面张力和接触角是滞留效应能否解除的决定因素。采用DSA型光学法液滴形态分析系统对基于表面活性剂的清洁压裂液临界表面张力及接触角等性能变化进行研究,采用核磁共振设备对液相滞留效应解除效果进行评价分析,得出阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠SDS为最优的压裂液添加剂,并确定了其合理浓度为0.022%。基于上述研究成果,提出了低透气性煤层卸压增透的“钻”“压”“抽”三位一体技术模型,并对脉动水力压裂进行技术优化。研究成果在现场应用表明,优化脉动水力压裂实施后,瓦斯抽采效果明显。压裂孔和导向孔瓦斯稳定浓度分别为普通抽采孔的4倍和5倍左右,瓦斯纯量是普通抽采孔的4~5倍,煤层透气性系数增加了48~217倍。课题研究期间作者发表学术论文6篇,其中SCI检索一篇,EI检索三篇,获得省部级科技进步一等奖1项,授权国家发明专利6项。该论文有图78幅,表38个,参考文献206篇。
【关键词】：脉动水力压裂 孔隙特性 解吸 扩散 液相滞留
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-25
• 变量注释表25-27
• 1 绪论27-39
• 1.1 研究背景及意义27-29
• 1.2 国内外研究现状及存在问题29-35
• 1.3 主要研究内容35-36
• 1.4 总体研究思路36-37
• 1.5 主要研究进展及成果37-39
• 2 脉动波作用煤微观孔隙特性变化研究39-57
• 2.1 脉动波的产生与作用机制39-41
• 2.2 煤体孔隙分类41-42
• 2.3 脉动波作用煤微观孔隙特性实验42-44
• 2.4 脉动波作用煤微观孔隙特性变化规律44-48
• 2.5 不同煤种煤样孔径分布变化规律48-50
• 2.6 扫描电镜图片的煤孔隙特性变化定性分析50-56
• 2.7 本章小结56-57
• 3 脉动水力压裂影响煤中瓦斯解吸特性研究57-79
• 3.1 脉动水力压裂影响煤中瓦斯解吸实验系统57-59
• 3.2 实验方案设计59-61
• 3.3 脉动水力压裂过程瓦斯置换-驱替特性61-67
• 3.4 脉动水力压裂后期瓦斯自然解吸特性67-71
• 3.5 脉动水力压裂对瓦斯解吸综合作用效果分析71-76
• 3.6 不同煤种瓦斯综合解吸效果76-78
• 3.7 本章小结78-79
• 4 脉动水力压裂影响瓦斯扩散动力学特性研究79-95
• 4.1 瓦斯扩散机理分析79-81
• 4.2 瓦斯扩散动力学模型及拟合分析81-88
• 4.3 脉动压裂对瓦斯扩散动力学特性的影响88-91
• 4.4 不同煤种条件下脉动压裂瓦斯扩散特性91-93
• 4.5 本章小结93-95
• 5 脉动压裂液滞留效应及解除机制95-115
• 5.1 滞留效应机理及解除方法的选择95-98
• 5.2 基于表面活性剂的清洁压裂液性能实验研究98-108
• 5.3 清洁压裂液解除滞留效应评价分析108-113
• 5.4 本章小结113-115
• 6 脉动水力压裂工业性试验115-127
• 6.1 脉动水力压裂设备115-116
• 6.2 工作面概况116-117
• 6.3 脉动水力压裂技术优化117-118
• 6.4 脉动水力压裂现场实施118-120
• 6.5 工业性试验效果考察及分析120-126
• 6.6 本章小结126-127
• 7 结论、创新点及展望127-131
• 7.1 主要结论127-129
• 7.2 创新点129
• 7.3 研究展望129-131
• 参考文献131-143
• 作者简历143-146
• 学位论文数据集146

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本文编号：385760