三维旋转水射流与水力压裂联作增透技术研究

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。

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参考文献

英文摘要

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变量注释表

1 绪论

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

1.2 国内外研究现状 (Overview of Research)

1.3 水力化煤层增透技术存在的问题及不足 （ Problems and Deficencies of the Hydraulic Technology for the Coal Seam Permeability-Increasing）

1.4 主要研究内容和技术路线（Research Outline and Technical Approach）

2 含瓦斯煤体的结构与渗流性能

2.1 煤体结构 (Coal Mass Structure)

2.2 煤的裂隙 (Fissures in Coal)

2.3 煤的孔隙 (Porosity of Coal)

2.4 煤层瓦斯的运移 (Gas Migration in Coal Seam)

2.5 煤体的渗透性 (Permeability of Coal Mass)

2.6 本章小结（Chapter Summary）

3 淹没旋转射流的基本理论及破岩（煤）过程

3.1 淹没旋转射流的基本理论 (Basic Theories of the Submerged Swirling Jet)

3.2 旋转水射流破岩（煤）过程（Rock (Coal) Breaking Process of the Swirling Water Jet）[166, 181]

3.3 旋转水射流破岩效果的影响因素（Influencing Factors of Rock Breaking with Swirling Water Jet）

3.4 三维旋转水射流扩孔煤层增透的力学机制 （ Mechanical Mechanism of Coal Seam Permeability-Increasing Based on Reaming with 3D Swirling Water Jet）

3.5 本章小结（Chapter Summary）

4 三维旋转水射流流场的数值模拟

4.1 高压旋转水射流喷嘴的设计 (Nozzle Design of the High-Pressure Swriling Water Jet)

4.2 模拟软件PERA ANSYS简介 （Introduction to ANSYS）

4.3 模型的建立 （Building up the Modle）

4.4 控制方程及边界条件（ Control Equations and Boundary Conditions）

4.5 数值模拟结果分析（Results of the Numerical Simulation）

4.6 旋转射流喷嘴性能的实验室测试 (Performance test of the Swirling jet nozzle in the Laboratory)

4.7 本章小结（Chapter Summary）

5 水射流与水力压裂联作增透机理

5.1 穿层钻孔水力压裂的理论分析 (Theoretical Analysis of Hydraulic Fracturing for Penetration Boreholes) [314]

5.2 水射流扩孔后定向压裂裂缝的起裂机理 (Mechanism of Fracture Initiation of Water Jet to Enlarge Borehole for Directional Fracturing)

5.3 三维旋转水射流与水力压裂联作增透数值分析 (Numerical Analysis of Permeability-Increasing Combining 3D Swirling Water Jet with Hydraulic Fracturing)

5.4 本章小结（Chapter Summary）

6 三维旋转水射流扩孔装备的研制及地面联机试验

6.1 煤矿现场用喷嘴的设计原理 (Design Principle of the Nozzle for the Coal Mine Field)

6.2 组合高压旋转水射流喷头及喷嘴 (Nozzle Head and Nozzle for High Pressure swirling Water Jet)

6.3 螺旋辅助排渣高压钻杆 （High-Pressure Spiral Drill Pipe for Auxiliary Slagging）

6.4 回转式高压旋转接头（Rotary high-pressure swirling joint）

6.5 井下高压水射流作业远程监测与控制系统 (Remote Monitoring and Controlling System for High-pressure Water Jet Operations in Underground Coal Mine)

6.6 井下高压旋转水射流扩孔系统 (High-pressure Swirling Water Jet System for Reaming in Underground Coal Mine)

6.7 本章小结（Chapter Summary）

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

7.1 三维旋转水射流与水力压裂联作增透工艺 (Permeability-Increasing Technique Combining 3D Swirling Water Jet with Hydraulic Fracturing)

7.2 三维旋转水射流与水力压裂联作增透工艺流程（Permeability-Increasing Technique Process Combining 3D Swirling Water Jet with Hydraulic Fracturing）

7.3 增透效果考察方法 （ The Methods of Effect Examination for Permeability-Increasing）

7.4 不同增透技术在矿井瓦斯抽采中的应用 (The Application of Different Permeability-Increasing Technology in Coal Mine Gas Extraction)

7.5 井下水力压裂过程分析 （Hydraulic Fracturing in Underground Mines）

7.6 本章小结 （Chapter Summary）

8 结论、创新及展望

8.1 全文总结 (Conclusions)

8.2 创新点 (Innovations)

8.3 展望 (Prospects)

参考文献

作者简历

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