三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术研究

发布时间：2017-06-03 04:13

  本文关键词：三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：对于松软、低透气性煤层,特别是单一突出煤层,采用现有的瓦斯抽采技术难以实现抽采达标。采取煤层增透措施,是解决此难题的关键。煤体结构改造是煤层增透的焦点,而以水射流和水力压裂为代表的水力化技术,是煤体结构改造的有效途径。本文以水力化煤层增透技术为研究对象,采用理论分析、数值模拟、实验室实验与井下试验相结合的方法,对三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术进行了较为深入系统的研究,并进行了现场试验及应用,具有重要的理论和实际意义。全文取得了以下主要研究成果:采用理论计算和数值模拟相结合的方法,研究了非均匀应力场下穿层钻孔扩孔后煤层增透的力学机制。结果表明,随着孔径的增大,其围岩塑性区的面积呈近似抛物线形快速增长,而围岩塑性区的等效直径与孔径基本成线性关系,因而采用水射流扩孔的方法能够实现煤层的卸压、增透。利用ANSYS研究了淹没条件下旋转水射流喷嘴的流场特性,经优选确定出现场扩孔用喷嘴所配叶轮的导向角为45°。在实验室的水射流试验系统上测试了淹没条件下旋转水射流喷嘴的破岩、扩孔能力。对非淹没条件下三维旋转水射流流场的模拟结果表明,通过喷头带动旋转水射流喷嘴旋转所产生的三维旋转水射流的速度,特别是切向速度,要高于不旋转时,从而提高了水射流的破煤扩孔能力。基于以上研究,提出了三维旋转水射流扩孔方法。应用弹性力学理论分析了地应力场对穿层钻孔水力压裂的起裂压力和裂缝扩展方位角的控制作用。对水射流扩孔后钻孔周围不同方向上水平主应力分布的分析结果表明,扩孔后再进行水力压裂,裂缝容易沿最大主应力方向扩展。从弹性力学和渗流力学的角度,研究了早期压裂裂缝的诱导应力对后期裂缝的发育所产生的诱导作用。采用RFPA2D-Flow模拟了不同钻孔布置和压裂方式下裂缝的起裂、延伸与扩展规律,验证了控制钻孔对裂缝的导控作用,证实了同步压裂期间在先形成的裂缝对后发育裂缝的诱导作用下,后期裂缝转向扩展并最终形成了网状裂缝结构。揭示了三维旋转水射流扩孔与水力压裂联作增透的机理。提出了三维旋转水射流扩孔与水力压裂联作增透的技术方法,它把常规钻孔与扩孔钻孔搭配起来,形成中心孔与周边孔联合布置方式,通过中心孔压裂或者周边孔同步压裂来实现煤层的卸压及增透。开发了组合喷头、螺旋辅助排渣钻杆、高压旋转接头和高压水射流作业远程监控系统,形成了井下高压旋转水射流扩孔成套新装备。利用所开发的装备,在4个典型矿井各开展了1种煤层增透方法的现场试验及应用,使钻孔的瓦斯抽采纯流量提高了0.79~3.79倍,取得了较好的应用效果,具有广阔的现场应用前景。
【关键词】：三维旋转水射流 扩孔 水力压裂 煤层增透 瓦斯抽采
【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】：TD712.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• Extended Abstract8-28
• 变量注释表28-29
• 1 绪论29-51
• 1.1 研究背景与意义29-30
• 1.2 国内外研究现状30-47
• 1.3 水力化煤层增透技术存在的问题及不足47-48
• 1.4 主要研究内容和技术路线48-51
• 2 含瓦斯煤体的结构与渗流性能51-64
• 2.1 煤体结构51-52
• 2.2 煤的裂隙52-54
• 2.3 煤的孔隙54-55
• 2.4 煤层瓦斯的运移55-59
• 2.5 煤体的渗透性59-62
• 2.6 本章小结62-64
• 3 淹没旋转射流的基本理论及破岩（煤）过程64-86
• 3.1 淹没旋转射流的基本理论64-73
• 3.2 旋转水射流破岩（煤）过程73-76
• 3.3 旋转水射流破岩效果的影响因素76-78
• 3.4 三维旋转水射流扩孔煤层增透的力学机制78-84
• 3.5 本章小结84-86
• 4 三维旋转水射流流场的数值模拟86-115
• 4.1 高压旋转水射流喷嘴的设计86-91
• 4.2 模拟软件PERA ANSYS简介91-92
• 4.3 模型的建立92-94
• 4.4 控制方程及边界条件94-97
• 4.5 数值模拟结果分析97-108
• 4.6 旋转射流喷嘴性能的实验室测试108-113
• 4.7 本章小结113-115
• 5 水射流与水力压裂联作增透机理115-160
• 5.1 穿层钻孔水力压裂的理论分析115-123
• 5.2 水射流扩孔后定向压裂裂缝的起裂机理123-128
• 5.3 三维旋转水射流与水力压裂联作增透数值分析128-158
• 5.4 本章小结158-160
• 6 三维旋转水射流扩孔装备的研制及地面联机试验160-170
• 6.1 煤矿现场用喷嘴的设计原理160-161
• 6.2 组合高压旋转水射流喷头及喷嘴161-163
• 6.3 螺旋辅助排渣高压钻杆163-165
• 6.4 回转式高压旋转接头165-166
• 6.5 井下高压水射流作业远程监测与控制系统166-167
• 6.6 井下高压旋转水射流扩孔系统167-169
• 6.7 本章小结169-170
• 7 三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术在瓦斯抽采中的应用170-197
• 7.1 三维旋转水射流与水力压裂联作增透工艺170-171
• 7.2 三维旋转水射流与水力压裂联作增透工艺流程171-173
• 7.3 增透效果考察方法173-174
• 7.4 不同增透技术在矿井瓦斯抽采中的应用174-190
• 7.5 井下水力压裂过程分析190-194
• 7.6 本章小结194-197
• 8 结论、创新及展望197-202
• 8.1 全文总结197-199
• 8.2 创新点199-200
• 8.3 展望200-202
• 参考文献202-221
• 作者简历221-224
• 学位论文数据集224

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本文编号：417245