高压电脉冲水压压裂煤体机理及实验研究

摘要

我国煤层气储量丰富，若能有效开发利用煤层气，既可以减少煤矿安全事故，又可以增加新的洁净能源，改善能源结构，减少温室气体排放，保护大气环境。当前如何提高低渗透煤层气的抽采率一直是业界的难点，其理论和技术尚未实现突破。水力压裂增透煤层抽采煤层气是当前学术界的研究热点，为了进一步改善传统水力压裂效果，探索新型煤层增透技术，本课题提出一种新型水力压裂技术—水中高压脉冲放电增透技术，以探索一种易操作、低成本、高效率的煤层气增透、增产技术。 本文基于岩石力学、流体力学、损伤力学、断裂力学、冲击动力学、液相放电技术、超声波检测及CT扫描技术等多学科理论，通过实验室实验、理论分析、数值模拟等研究方法和手段，对水中高压脉冲放电的力学机理和裂纹断裂机理、高压电脉冲水压压裂煤体裂纹效果评价理论及煤层气电－固－液耦合机制及规律进行了系统的研究。本文主要研究成果如下： （1）自主研制了一套水中高压放电加压实验系统，在模拟地应力条件下，能实现煤样尺寸最大为300 mm × 300 mm × 300 mm的模拟实验，设计了能够多次重复放电的水中放电电极。 （2）水中高压脉冲放电液电效应压裂煤体机理研究。水中高压放电后，液体内部能产生高温、高能和高压的冲击波（水激波）和脉动气泡。冲击波的压力与波头压力、冲击波速和静水压力有关，在静水压力基础上，冲击波压力易使煤体中原有裂纹或缺陷起裂、延展、贯通或者形成新的裂纹。 （3）高压电脉冲水压作用下煤体裂纹起裂、扩展和止裂机理研究。研究结果表明：冲击荷载作用下裂纹尖端应力强度因子受地应力差、静水压力、冲击波压力和作用时间影响显著，并且煤体内裂纹起始扩展遵循最大拉应力准则。 （4）应用高压电脉冲放电系统和承压管道系统，开展了水激波传播规律研究。实验结果表明：冲击波波形上升前沿较陡，经最大峰值后近e指数衰减，然后以几个连续的衰减脉冲形式重复；放电击穿延时越长，放电能量的转化率越低；冲击波第一峰值压力随着电压的增大而增大，随着水压的增加呈现出先增加后下降的趋势。 （5）应用水中高压电脉冲压裂实验平台，模拟地应力条件下，电－固－液耦合作用下煤体结构破坏研究。在水中高压放电、水激波传播规律研究的基础上，基于岩石力学、流体力学、超声波检测、声发射监测及CT扫描技术和理论，研究了不同静水压力、不同放电电压的组合条件下大尺寸煤样试件产生宏观与微观裂隙的效果及水压、电压的耦合效应。实验结果表明： 1）在静水压力不变的情况下，随着放电电压的增加，径向主裂纹的数量、宽度和长度增加明显，形态变化较大。环向分支裂隙主要以随机分叉的方式向前延展，分布范围呈扩大趋势，并与其它裂隙相互贯通，逐渐形成网络。 2）当放电电压不变时，煤样的主裂纹、分支裂纹的数量、开度、延展度随着静水压力有一定的变化，但不是十分明显。 3）相比单一的静水压力，水中高压脉冲放电压裂煤样产生的微观、宏观裂纹数量更多，延展度、开度更好，分布范围更广，裂纹密度更大。实验证明：水中高压脉冲放电压裂煤体是一种增加裂缝数目、密度和范围，改变裂纹形态的有效方法。 （6）基于LS-DYNA软件，建立与试验煤样相同条件下的数值模型，通过大量的参数组合进一步分析静水压力、放电电压对煤体裂纹发生、发展的影响，结果表明在静水压力不变的情况下，随着放电电压的增大，煤体易生成粗大的径向主裂纹；相同的放电电压条件下，较低的水压在钻孔周围易生成细小的环向分支裂纹，随着水压的升高，钻孔周围分支裂纹的数量有一定的增加，分布范围不断扩大，主裂纹的长度增加缓慢。 （7）水中高压脉冲放电工程现场压裂煤层数值模拟研究。为进一步探索水中电脉冲冲击波对工业现场煤体的致裂效果，利用LS-DYNA建立了边长为50m的二维数值模型，在模型中建立了5个水中高压脉冲放电试验井，并进行了数值计算。模拟结果表明：弹性模量是影响致裂效果的主要力学参数，随着弹性模量的增加，煤体越容易形成宽度窄、长度短、放射状的环向细小裂纹，不易形成大裂纹，煤体破裂半径、破裂面积和破裂度都在减少；在3MPa静水压力不变的情况下，随着放电电压增加，试验钻井周边破裂半径、破裂面积、破裂度增加较大，裂纹的数量、长度、开裂度都有明显的提高，在放电电压达到200kV时，钻井周边的裂纹已经互相贯通、交织成网，煤层气渗流通道已经形成，达到了增透煤层的目的。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.2.1煤层气增透技术现状

1.2.2水力压裂技术现状

1.2.3水中高压放电技术现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究总体思路和技术路线

第二章 水中高压脉冲放电及压裂煤体机理研究

2.1 水中高压脉冲放电机理

2.1.1 水的击穿

2.1.2冲击波特性分析

2.2 煤体裂纹起始扩展机理

2.2.1煤体中裂纹的基本类型和应力强度因子

2.2.2煤体在静力场作用下的应力强度因子

2.2.3煤体在冲击波作用下的应力强度因子

2.2.4煤体总应力强度因子

2.3煤体裂纹起始扩展及方向角

2.3.1煤体中裂纹扩展

2.3.2煤体裂纹扩展算例

2.4本章小结

第三章 电脉冲水力压裂实验系统与冲击波特征分析

3.1 电脉冲水力压裂实验系统

3.1.1 高压电脉冲放电系统

3.1.2 承压管道系统

3.1.3 加载系统

3.1.4 数据采集系统

3.2 实验试件制备

3.3 高压电脉冲冲击实验测试

3.3.1 放电电压和静水压对击穿延时的影响

3.3.2 水激波压力的变化规律测试

3.4 本章小结

第四章 高压电脉冲水力压裂煤体效果实验研究

4.1 高压电脉冲实验方案设计

4.1.1 实验目的

4.1.2 实验前准备

4.1.3 实验结果评价方法

4.2 相同静水压力及不同放电电压条件下煤样压裂结果分析

4.2.1 实验步骤

4.2.2 实验结果及分析

4.3 相同放电电压及不同水压条件下煤样压裂效果分析

4.3.1 1MPa静水压+9kV放电电压条件下煤样CT扫描结果

4.3.2 5MPa静水压+9kV放电电压条件下煤样CT扫描结果

4.3.3 9kV放电电压条件下煤样钻孔内窥镜结果分析

4.4 本章小结

第五章 高压电脉冲水力压裂工艺参数影响效应分析

5.1 LS-DYNA程序特点及理论基础

5.1.1 LS-DYNA程序特点

5.1.2 LS-DYNA理论基础

5.2 数值模拟计算方案

5.2.1 计算模型及参数选取

5.2.2 初始条件与荷载

5.3 不同电压和静水压力对压裂效果的影响分析

5.4 本章小结

第六章 电脉冲水力压裂煤层工程模拟研究

6.1 数值模拟计算方案

6.1.1 计算模型及参数选取

6.1.2 初始条件

6.2 相同静水压力及不同放电电压对煤层压裂效果的影响

6.3不同煤的物理力学性质对压裂效果的影响

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 不足与展望

参考文献

致 谢

攻读博士期间发布的论文及参与的项目

博士学位论文独创性说明