余吾煤业竖井水力压裂煤层增透技术应用基础研究

摘要

矿井瓦斯既是安全生产的主要隐患,又是一种高效清洁能源，瓦斯治理一直是各个煤炭企业和科研院所的研究重点。瓦斯抽采方法发展愈加成熟，煤层瓦斯抽采效果的优劣主要取决于两点，一是内部或外部提供瓦斯分子挣脱煤体基质吸附所需要的能量，二是利用外部力学作用促进煤体裂隙发育，与原生裂隙形成发育的裂隙网络，为瓦斯运移提供流通通道。基于这两点，比较可行的技术就是水力压裂，其原理是将压裂液注入煤体，并保证压裂液流动速率大于煤层滤失速率、压力大于最小弱面撕裂所需应力，且用石英砂等支撑剂持续支撑裂隙通道，保证裂隙网络的持续发育。本课题所研究的地面竖井压裂技术更强化了这种增透效果，地面钻井压裂和水力压裂相互配合，不仅可以采前卸压增透、提高煤层渗透性能、防治工作面冲击地压，而且在采中抽采、采后采空区瓦斯抽采中都起到很好效果，从而达到一井三用、综合利用的目的。本课题基于潞安集团余吾煤业有限公司 S2107竖井水力压裂工程实践，结合相关理论研究、数值模拟、实验室验证等手段，进行基于竖井水力压裂的瓦斯抽采技术应用基础研究，具体研究工作包括以下几个方面：
　　（1）分析地面钻井的破坏类型，分析地表移动盆地主断面的移动变化规律。对产气效果影响最大的剪切破坏重点研究，从水平位移角度和岩层应力角度解释井身的“S”形变形机理。从水平移动角度分析，井身上下岩层水平移动的启动时间、速率变化速度、水平位移最大量的不同是“S”形井身形成的根本原因。从应力角度分析，建立井身剪切破坏的网络梁模型，让地层中复杂的力学分析归于简单的岩梁结构分析，根据随机介质和概率积分法原理，分析层交面处钻井破坏机理，给出钻井微段的位移方程式，分析了界面上下岩层的厚度、弹性模量、强度对层交面水平滑移的影响。利用数值模拟软件Midas对“S”形井身形成过程进行了模拟，并对层交面上下岩层厚度、弹性模量对水平位移的影响进行了模拟，模拟结果和理论结果一致。最后对钻井稳定性进行初步分析，并给出套筒加固措施。
　　（2）分析竖井水力压裂增透的机理。对水力压裂的起裂和扩展机理进行分析，当起裂总应力大于起裂弱面处的抗拉强度时开始起裂，起裂方向和地应力大小有关。定性分析了压裂水在煤层中的运移特征。水力压裂使瓦斯运移通道充分发育，并改变瓦斯流态的趋势，对瓦斯运移表现为正效应。当流体的流态为非线性非达西流时，压裂液中水分可以增加瓦斯流动的启动压力梯度、抑制瓦斯解吸、占据瓦斯分子扩散通道，对瓦斯运移表现出负效应。
　　（3）利用电液伺服三轴瓦斯渗流试验装置研究了不同含水率煤样在应力环境下的渗流规律。不同含水率煤样在变围压条件下渗透率和渗流速度的变化规律都呈非线性递减，与二次多项式有较高的拟合度。其中低含水率煤样（<1％）的下降趋势随着煤体含水率的增加，与负幂函数表示也有较高的拟合度，表现为k=aσ2-b，其中a、b为拟合系数。随着有效应力的增大，煤样的渗透率和渗流速度具有非线性递减的趋势，变化趋势与二次函数有较高的拟合度，拟合曲线方程为y=aX2+bX+C，其中a、b、c为拟合系数。增加相同有效应力情况下，低含水率煤样的渗透率和渗流速度的下降幅度较大，即低含水率煤样渗透率对有效应力的敏感性较高。渗透率随含水率呈非线性递减趋势，且递减速度逐渐降低，总体与二次函数具有较高的拟合度。验证了煤体中水分对瓦斯运移的负效应。
　　（4）对余吾煤业S2107工作面进行竖井水力压裂工程实践，给出水力压裂设计和施工方案，给出竖井水力压裂效果评估方案，通过井下压裂区和未压裂区顺层钻孔抽采数据，分析竖井水力压裂增透效果。
　　（5）对余吾煤业S2107工作面竖井水力压裂效果进行评估，以期为余吾煤业其他工作面压裂施工提供标准化方案。分析压裂区1-52、1-54范围和未压裂区范围内钻孔的单孔瓦斯流量，分析表明在1-52影响范围内的钻孔抽采速率比未压裂区显著提高，最大提高7.3倍，最小提高3.7倍。1-54压裂影响区域中，距离1-54压裂井87m和42m的测点抽采效果没有明显改变，其他测点抽采效果明显，最大提高9.2倍，最小提高2倍。余吾煤业S2107工作面总体压裂效果明显。通过分析整个观测期间单孔瓦斯流量随延伸距离的变化情况，判断在整个50天观测期间两个压裂井对不同测点的影响程度，分析得出压裂井1-52的影响半径85-100m之间，压裂井1-54的影响半径为39-42m。

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第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容及技术路线

第二章 采动影响下地面钻井破坏机理

2.1引言

2.2 地面钻井破坏类型

2.3 地下开采引起上覆岩层的移动破坏

2.4 地表移动盆地内主断面的移动变化规律

2.5 用概率积分法分析岩层移动规律

2.6 “S”形钻井形成机理

2.7数值模拟及工程验证

2.8.本章小结

第三章 竖井水力压裂技术对煤层瓦斯运移的正负效应

3.1引言

3.2 水力压裂增透机理研究

3.3 水力压裂对煤层瓦斯运移的正效应

3.4 水力压裂对煤层瓦斯运移的负效应

3.5 水分对瓦斯运移负效应的实验研究

3.6 本章小结

第四章 余吾S2107工作面竖井压裂工程实践

4.1 S2107工作面区域概况

4.2 S2107地面钻井基础数据

4.3 S2107竖井水力压裂设计及施工

4.4 S2107竖井水力压裂效果评估方案

4.5本章小结

第五章 余吾煤业竖井水力压裂效果分析

5.1 压裂井单孔瓦斯流量分析

5.2 压裂井影响半径分析

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

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