本煤層水力壓裂及增透范圍研究.pdf

1、我國(guó)是世界上瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。隨著開(kāi)采向深部的擴(kuò)展，瓦斯災(zāi)害將更趨嚴(yán)重。而水力壓裂增透技術(shù)作為瓦斯抽采的主要方法之一，能有效地增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率，從根本上解決瓦斯所帶來(lái)的問(wèn)題。本文主要圍繞煤層水力壓裂及其增透的影響范圍為研究主線，以理論分析為研究基礎(chǔ)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究為手段，分析水力壓裂的起裂位置、發(fā)展方向，并用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證；分析壓裂液對(duì)瓦斯的驅(qū)趕作用，對(duì)煤體瓦斯吸附解吸和滲流作用的影響；根據(jù)煤體的基質(zhì)孔隙、

2、裂隙結(jié)構(gòu)以及煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)的差異，分析煤體水力壓裂的增透機(jī)理，并建立壓裂增透的模擬模型，研究煤巖體的橫向有效增透范圍和面積。通過(guò)研究，獲得了以下幾個(gè)方面的進(jìn)展：
　?、賹?duì)水力壓裂進(jìn)行理論建模，得到壓裂孔周?chē)鷳?yīng)力分布函數(shù)，引入第一強(qiáng)度理論得到：當(dāng)λ<1時(shí)，壓裂孔將在垂直方向起裂，且λ越小起裂壓力越?。划?dāng)λ>1時(shí)，壓裂孔將沿著水平方向起裂，且λ越大，起裂壓力越小。當(dāng)λ=1時(shí)，壓裂孔起裂方向呈隨機(jī)性，用第一強(qiáng)度理論判別可得，最小起裂

3、水壓為：(此處公式省略)；引入Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論可得，孔壁發(fā)生屈服時(shí)，注入的最小水壓為：（此處公式省略）；而引入Drucher-Prager準(zhǔn)則時(shí)，可得水壓為：（此處公式省略）。
　?、谕ㄟ^(guò)數(shù)值分析軟件模擬了單孔煤樣和含預(yù)制裂紋煤樣的水力壓裂過(guò)程，包括壓裂裂紋的起裂位置、擴(kuò)展方向，并驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。通過(guò)對(duì)含預(yù)制裂紋的模型計(jì)算可得，在λ<0.95時(shí)，其宏觀主裂紋的擴(kuò)展方向沒(méi)有改變，表明主應(yīng)力是控制裂紋發(fā)展方向的主導(dǎo)

4、因素；而在λ>0.9625時(shí)，其宏觀主裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，表明主應(yīng)力的控制因素被消弱，預(yù)制裂紋可以引導(dǎo)和控制壓裂裂紋的發(fā)展；當(dāng)λ∈[0.95,0.9625]時(shí)，壓裂裂紋將沿著最大主應(yīng)力和預(yù)制裂紋端部同時(shí)起裂，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋同時(shí)向外擴(kuò)展轉(zhuǎn)移。通過(guò)分析預(yù)制裂紋角度對(duì)壓裂的影響可得，預(yù)制裂紋的角度變化對(duì)水力壓裂宏觀主裂紋擴(kuò)展方向影響較小，但卻能改變其起裂點(diǎn)。
　?、弁ㄟ^(guò)分析水力壓裂過(guò)程中的壓裂液對(duì)煤體增透的作用，進(jìn)而探討高壓

5、水的注入可能帶來(lái)不利的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯含量的分布可知，注入的水分對(duì)游離瓦斯有驅(qū)趕作用，并在壓裂影響邊緣區(qū)域形成瓦斯富集帶；通過(guò)不同含水率的吸附解吸試驗(yàn)可知，煤體水分的增加不僅抑制瓦斯吸附的過(guò)程，減小瓦斯吸附量，同時(shí)也抑制了瓦斯解吸過(guò)程，在一定程度上不利于瓦斯抽采，但相比整體煤層的增透作用可以忽略；通過(guò)不同含水率的滲流試驗(yàn)可知，含水率的增加促使部分水分吸附在煤體孔隙表面，或占據(jù)瓦斯流通的通道，增加了瓦斯流通的阻力，降低瓦斯在煤體的滲透率

6、，從而在一定程度上不利于瓦斯的產(chǎn)出。
　?、芡ㄟ^(guò)分析煤體孔隙裂隙結(jié)構(gòu)、煤巖力學(xué)性質(zhì)、滲流特性以及壓裂增透的機(jī)理，建立壓裂增透模型。通過(guò)應(yīng)力、流量、水壓等分布以及裂紋發(fā)展趨勢(shì)將水力壓裂模型劃分為：宏觀裂隙區(qū)、微裂隙貫通區(qū)、微裂隙產(chǎn)生區(qū)、原生裂隙擾動(dòng)區(qū)和原生裂隙區(qū)；通過(guò)計(jì)算得到λ=1.2時(shí)的增透范圍為54m；通過(guò)對(duì)壓裂圖像的數(shù)值處理，得到裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)增透面積占模型的百分比以及增透面積增長(zhǎng)趨勢(shì)符合二次函數(shù)的關(guān)系；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓裂半徑和增透效