寺家庄矿井下钻孔水力压裂参数优化

摘要

水力压裂工艺作为一种重要的增透技术,已经在地面煤层气的开发中得到了广泛的应用。将地面水力压裂技术移植到井下,可以增大抽采钻孔间距、提高瓦斯抽采浓度,达到安全、高效开采煤炭的目的。地面水力压裂设备、施工场地等与井下压裂设备、施工场地等的差异性,决定了照搬地面煤层气井压裂工艺进行井下水力压裂的局限性和盲目性。因此,针对井下煤层特点和施工场地等条件的独特性,研究出与之相匹配的井下钻孔水力压裂参数优化方法是亟待解决的难题。
　　本文根据地质强度因子(GSI)及煤体结构特点,分析得出基于GSI的煤体结构定量表征方法;用此方法,结合寺家庄矿地质演化史,对15号煤层的煤体结构进行了定量划分;对不同GSI煤体所适用的压裂工艺进行了分类,GSI>45适用于本煤层顺层钻孔和穿层压裂,局部GSI<45的煤体适用于虚拟储层钻孔压裂。采用理论分析与实验室研究的方法,结合现场压裂试验,对压裂钻孔的主要参数(间距、倾角和方位)进行了优化,指出压裂孔最佳间距为裂缝半长的2倍,最佳倾角为仰角,钻孔方位要尽量与最大主应力和原始裂隙方位相垂直。从压裂钻孔成孔规则度、封孔工艺复杂程度和封孔的经济性等方面对比分析了水泥砂浆封孔工艺和封隔器封孔工艺的优缺点,指出本煤层顺层钻孔宜采用特种水泥砂浆封孔,穿层钻孔和虚拟储层钻孔宜采用封隔器封孔。采用ANSYS软件进行数值模拟,分别研究了掘进头和巷道两帮的本煤层顺层钻孔最佳封孔深度,指出掘进头最佳封孔深度为10-15 m,两帮最佳封孔深度为14-20 m。以Hoek-Brown破裂准则为基础,结合GSI建立了煤体抗拉强度、破裂压力、延伸压力及泵注压力的计算模型。采用对比分析的方法对三种常用压裂液(活性水、线性胶和冻胶)的滤失性、储层伤害情况和携砂能力等性能进行了研究,优化出活性水是当前寺家庄矿水力压裂用的最佳压裂液。对KGD模型进行了修改,建立了适用于煤层井下钻孔水力压裂的裂缝计算几何模型,在此基础上优化出适用于寺家庄矿不同 GSI煤体压裂时的排量与总注液量等泵注程序。
　　基于优化出的模型和工艺,在15201回风顺槽进行了本煤层顺层钻孔压裂试验,在北翼胶带巷和15203内错尾巷进行了穿层孔压裂试验。试验结果与理论预测相符,验证了井下钻孔水力压裂参数优化数理模型的合理性与可行性。

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1绪论

1.1研究的目的与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容及方法

2寺家庄井田瓦斯地质特征

2.1井田概况

2.2地质概况

2.3瓦斯赋存特征

3基于GSI的煤体结构划分

3.1基于GSI的煤体结构定量表征

3.2寺家庄矿区地质演化背景

3.3寺家庄矿区煤体结构展布

3.4寺家庄矿不同GSI的煤体压裂工艺选择

3.5本章小结

4井下钻孔水力压裂工艺参数优化

4.1压裂钻孔优化

4.2封孔方案优化

4.3破裂压力

4.4裂缝延伸压力

4.5泵注压力

4.6压裂液优化

4.7裂缝几何参数计算

4.8泵注程序优化

4.9本章小结

5井下钻孔水力压裂技术现场施工

5.1压裂设备

5.2本煤层顺层钻孔压裂

5.3穿层钻孔压裂

5.4本章小结

6结论

参考文献

作者简历

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