本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究

摘要

当今,中国经济正处于持续快速发展时期,对能源的需求也大幅度增长,作为主要能源的煤炭,预计量到2020年达到目前的两倍.瓦斯是煤炭的伴生资源,同时又属于不可再生的洁净能源,因此,提高瓦斯抽集效果,增加瓦斯能源利用比率,是改善煤矿安全生产状况和开发绿色能源的重要课题.该文针对煤层瓦斯抽集开采中的水力压裂技术开展了理论研究工作,依据地下煤体形成机理和工程特点,提出煤层是一种具有多分层结构的地质体,且组成煤层的煤分层具有多微裂隙、多孔隙结构,在此基础上阐述了煤层和煤分层的力学特点及其渗透率规律.进而论文分析阐述了煤分层中钻孔、分层层面钻孔、以及穿层钻孔水力压裂的起裂机理.1)位于煤分层中的沿层钻孔起裂压力和起裂方向取决于原岩应力大小和侧向应力系数;2)位于煤分层层面处的钻孔,其起裂位置和压力除受原岩应力大小及状态的影响外,还与分层层面强度及相邻煤分层的强度有关;3)穿层钻孔起裂位置、方向及起裂压力主要受最弱煤分层及分层层面强度的影响.在分析了水力压裂钻孔起裂机理的基础上,进一步分析了原一级裂隙弱面扩展延伸和次级弱面发生起裂的力学条件,并通过MATLAB语言编制了钻孔起裂、弱面扩展延伸和次级弱面起裂的数值计算程序,数值分析结果验证了理论分析的正确性.最后,论文在概括分析水力压裂控制机理和控制方法的基础上,提出了该煤层瓦斯抽集中水力压裂综合设计的思想.

目录

文摘

英文文摘

1论文研究意义与国内外研究现状

1.1问题提出及研究意义

1.2国内外研究概况

1.2.1水力压裂机理方面的研究

1.2.2水力压裂其它方面的研究

1.2.3目前水力压裂研究的特点

2煤层物理力学特征及水力压裂过程

2.1煤层的地质特征

2.1.1成煤过程

2.1.2煤的裂隙

2.1.3煤的结构和构造

2.1.4煤层的特征

2.2煤分层和煤层的力学特征及渗透率特点

2.2.1煤分层的力学特征及煤分层的渗透率特点

2.2.2煤层的力学特征及煤层的渗透率特点

2.3高压水对煤层的压裂过程定性分析

【本章小结】

3钻孔水力压裂的起裂机理

3.1煤层钻孔围岩特征

3.2注水前钻孔围岩应力状态分析

3.2.1原岩应力的组成及特点

3.2.2钻孔围岩应力分布状态力学分析

3.2.3钻孔周边应力状态分析

3.3煤分层中沿层钻孔起裂机理分析

3.3.1钻孔高压注水后钻孔周边应力分析

3.3.2钻孔高压注水后钻孔起裂分析

3.4位于层理面位置处的沿层钻孔起裂机理

3.4.1求解过程问题处理

3.4.2起裂机理、起裂压力及起裂位置分析

3.5穿层钻孔起裂机理

3.5.1问题的解决思路

3.5.2穿层钻孔起裂机理分析

【本章小结】

4本煤层注水压裂裂隙弱面的扩展延伸机理

4.1压力水对煤层的压裂过程分析

4.2弱面扩展延伸力学分析

4.2.1弱面端部扩展力学分析

4.2.2弱面端部扩展延伸的力学条件

4.2.3弱面端部扩展延伸方向的特点

4.3次级弱面的起裂条件及机理

4.3.1次级弱面起裂过程分析

4.3.2周边端部处次级弱面起裂的力学条件分析

4.3.3空间壁面上次级弱面起裂的力学条件分析

4.3.4次级弱面起裂研究意义

【本章小结】

5水力压裂程序设计与数值运算结果分析

5.1水力压裂程序

5.1.1计算程序流程

5.1.2计算程序

5.2位于煤分层中的沿层钻孔围岩应力数值分析

5.2.1煤层参数的选定

5.2.2未注水前钻孔围岩内的切向应力

5.2.3注水压裂瞬间钻孔围岩内的切向应力

5.3位于两个煤分层交界处的沿层钻孔围岩应力数值分析

5.3.1煤层参数的选定

5.3.2注水压裂前钻孔围岩切向应力状态分析

5.3.3注水压裂瞬间钻孔围岩切向应力分析

5.4穿层钻孔围岩应力数值分析

5.4.1煤层参数的选定

5.4.2注水压裂前钻孔围岩切向应力状态分析

5.4.3注水压裂瞬间钻孔围岩切向应力状态分析

5.5弱面扩展和延伸及次级弱面起裂条件数值分析

5.5.1模拟参数的选定

5.5.2运算结果及分析

【本章小结】

6.1压裂裂隙延伸控制机理

6.2压裂裂隙破坏瓦斯储集覆盖层的控制机理

6.3压裂裂隙闭合控制机理

6.4压裂裂隙控制技术的综合设计

【本章小结】

7前景与展望

附录

致谢

在读期间的主要研究成果

参考文献