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低渗富瓦斯煤层高压水射流辅助压裂增透机理及应用

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义( The Background and Significance of Research)

1.2 低渗煤层增透强化瓦斯抽采研究现状(The Comprehensive Permeability Improvement Technology Research Status in Low Permeability Coal Seam)

1.3 煤层水力压裂研究现状( Research Status of Underground Hydraulic Fracturing of Coal Seam)

1.4 存在问题(Existing Problems)

1.5 研究内容及技术路线(Main Research Contents and Technique Routine)

1.6 论文主要工作量(Quantity of Task)

2 研究区地质背景

2.1 交通位置(Traffic Location)

2.2 区域地层(Strata and Area Structures)

2.3 区域构造地质(Structure of Mine District)

2.4 煤层(Coal Seam)

2.5 水文地质(Hydrology Conditions of Mine District)

2.6 煤层瓦斯(Gas)

2.7 本章小结(Chapter Summary)

3 高压水射流辅助压裂耦合增透裂隙场分析

3.1 RFPA模拟软件介绍(Introduction of RFPA Simulation Software)

3.2高压水射流数值模拟(Numerical Simulation of High-pressure Water Jet)

3.3 高压水力压裂数值模拟( Numerical Simulation of High-pressure Hydraulic Fracturing)

3.4 高压水射流辅助压裂裂隙场演化特征( Fracture Extension Evolution of High-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

3.5 本章小结(Chapter Summary)

4 高压水射流辅助压裂耦合增透强化抽采流场特征

4.1 低渗富瓦斯煤层抽采气固耦合模型建立(Establishment of Coupled Enhanced Extraction Model in Low Permeable and High Gas Coal Seam)

4.2 模拟方案(Numerical Simulation Scheme)

4.3 单孔高压水射流辅助压裂渗透场时空演化特征分析( Seepage Field Spatial and Temporal Evolution Characteristics Analysis of Single-borehole High-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

4.4 高压水射流辅助压裂布孔间距对瓦斯渗流场时空演化影响分析(Influence of Hole Spacing on Spatial And Temporal Evolution of High-Pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

4.5本章小结(Chapter Summary)

5 高压水射流辅助压裂耦合增透机理

5.1高压水力压裂裂缝扩展规律(The Fracture Extension Rule of High-Pressure Water Jet in Hydraulic Fracturing Through Strata)

5.2 地应力因素对水力压裂破裂模式影响(Influence of Ground Stress under High-pressure Hydraulic Fracturing)

5.3 高压水射流破岩分析(Influence of Rock Breaking under High Pressure Water Jet)

6 高压水射流辅助压裂耦合增透强化抽采工艺与装备

6.1 高压水射流辅助压裂工艺技术(The Technology Research on High-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

6.2 高压水射流辅助压裂施工参数( Construction Parameter of High-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

6.3 高压水射流辅助压裂装备研究(The Equipment Research on High-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

6.4 高压水射流辅助压裂效果考察方案( Investigation and Analysis Program of High-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing Construction)

6.5 本章小结(Chapter Summary)

7 高压水射流辅助压裂耦合增透强化抽采工程试验与应用

7.1 试验区概况( A General Situation of the Study Area and Working Face)

7.2 高压水射流辅助压裂设计(Design of High-pressure Water Jet Hydraulic Fracturing Assisted Hydraulic Fracturing)

7.3 高压水射流辅助压裂施工(Hign-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing Construction)

7.4 施工效果考察(Effect Inspection on Hign-pressure Water Jet Assisted Hydraulic Fracturing)

7.5 本章小结(Chapter Summary)

8 结论与展望

8.1 主要结论(Main Conclution)

8.2 创新点(Innovations)

8.3 展望(Defects and Suggestions)

参考文献

作者简历

学位论文数据集

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摘要

目前开采的低渗富瓦斯单一煤层多采用煤层卸压增透措施,加强瓦斯预抽,以达到防治煤矿瓦斯灾害,确保安全生产的目的。为提高低渗富瓦斯单一煤层的抽采效率,本文针对高压水射流辅助压裂技术,在阐明其增渗机理基础上,开展了压裂过程煤岩体应力分布及演化规律、煤体损伤破裂、裂纹萌生扩展的数值模拟分析;采用等效应力下的渗透率模型,分别研究了单孔高压水射流辅助压裂渗透场时空演化特征和高压水射流辅助压裂布孔间距对瓦斯渗流场时空演化的影响;进行了高压水射流辅助压裂工艺及装备配套优化,并开展了工业性试验验证。 论文将高压水射流破岩过程划分为初始准备、破煤初始、主体和完结4个阶段,射流孔洞呈纺锤形,一般截面直径0.3m,长2-3m;高压水射流辅助压裂在水射流孔洞基础上,直观压裂孔腔提升了2个数量级,压裂裂缝广泛发育,主裂缝贯穿水射流的弹性-塑性区域,形成了增强型的压裂破裂区、弹性-塑性区,形成了扩大的“横三区”。 基于RFPA、COMSOL Multiphysics等软件开展了高压水射流、水力压裂及辅助压裂数值模拟分析,揭示了高压水射流辅助压裂对煤岩体的卸压、增渗机理。结果显示,单孔高压水射流辅助压裂时,压力24MPa时在压裂孔腔周围萌生大量裂隙,尤其是孔腔两端面,呈现类椭圆状缝隙网络,影响范围18-20m;24m孔间距的双孔高压水射流辅助压裂稳定裂隙扩展压力为22MPa,压裂孔间裂缝发育充分,不存在空白带;单孔高压水射流辅助压裂时渗透率最大提高了160多倍,抽采100d后瓦斯压力降到0.74MPa以下,抽采达标的范围为18.5m;双孔孔距24m、34m和44m时渗透率分别提高了180多倍、140多倍和130多倍,两个孔中间轴线上的最大瓦斯压力在抽采100d后压力分别降到0.27MPa、0.61MPa和0.7MPa;综合分析认为,孔距34m效果最佳,即1.7倍的单孔压裂有效半径。 论文提出了高压水射流辅助压裂耦合卸压增透的技术工艺,制定了12步施工流程和三级作业区域设置,开展了现场工业性试验及验证对比,效果良好。结果表明,高压水射流辅助压裂范围半径为20-25m,煤体破裂压力26-29.7MPa。在抽采时间100d后,一次瓦斯预抽率61%,煤孔段百米钻孔瓦斯抽采量由原来0.098m3/min.hm提高到0.342m3/min.hm,提高了250%;卸煤量达到了区域煤量的3.65‰;防突敏感性校检指标超标率降到5%,综合掘进效率提高到110m/月,煤层透气性系数提高了40-200倍。工程试验结果与前述数值模拟结果基本吻合。

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