低渗透煤岩体水力压裂裂隙扩展演化及其增透机理研究

摘要

煤层气是在煤化过程中生成以甲烷为主、并以物理吸附形式储集在煤层中的自生自储非常规天然气体;同时也是常规天然气最现实、最可靠的补充接替能源。它的开发和利用，既可以解决我国天然气资源的不足，又可从根本上解决煤炭开采中的瓦斯爆炸、瓦斯突出等灾害，还可以减少瓦斯排放量，减少环境污染及改善我国的能源结构。我国煤层储存地质条件复杂，煤形成后期受到强烈的构造破坏作用，煤的构造发育程度高，迫使煤层碎裂，破坏了煤的原始储存结构，改变了煤的固体骨架，导致我国绝大部分煤层表现为三低特性—低压、低饱和、低渗透率;而且我国煤层存储地质环境基本呈不均匀性。因此，选择一种施工简单、施工成本较低、技术要求不是很高、而且增透效果理想的措施来改善煤岩体固体骨架，提高煤层透气性，对煤层气的开采利用显得至关重要。而水力压裂增透技术正好满足了这一要求。采用相似模拟试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合对低渗透煤岩体水力压裂裂隙扩展演化及增透技术进行系统分析研究。
　　(1)利用真三轴加载试验系统进行煤岩体水力压裂相似模拟试验，分析得出了裂隙起裂、扩展延伸的力学条件、次级裂隙的起裂条件和影响裂隙拐弯的条件因素，并给出了水力压裂裂缝扩展准则。
　　(2)分析真三轴煤岩体水力压裂试验声发射信号频率特征，得出:试件声发射活动在达到大量产生之前有较多的声发射信号产生，该现象从客观方面很好的印证了试件内部具有更多的原始损伤，在试验过程中这些原始损伤更容易形成裂纹的扩展，产生声发射现象，表明裂隙弱面自身的性质和原岩应力场的分布情况共同影响着裂隙弱面的扩展延伸方向。
　　(3)根据真三轴煤岩体水力压裂试验对低渗透煤岩体水力压裂增透机理进行分析研究，得出渗透系数随着裂隙数目的增加呈现出指数函数增长的趋势，表达式为:y=0.0015e0.0942x;并对低渗透煤岩体水力压裂效果影响因素进行分析，得出注水孔数目、注水压力和地应力差对压裂效果的影响比较大，为第四章的数值模拟提供了理论依据。
　　(4)利用RFPA2D数值模拟软件对不同应力差状态下和不同注水孔数目情况下进行模拟水力压裂裂隙扩展演化过程，并对增透效果进行对比分析。得出:①压裂过程以拉伸破坏为主，随着注水压力的增大，会出现少许的剪切破坏;随着应力差的增大，剪切破坏现象越严重。②应力差越大、注水孔数目越多，起裂压力越小，累积声发射越多，水力压裂的效果明显，增透效果越好，越有利于煤层渗透性的提高。
　　(5)在上述研究的基础上，结合现场实际情况，利用现场压裂数据检验分析水力压裂效果，进而指导现场施工工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 低渗透煤岩体增透技术研究现状

1．3 水力压裂增透技术研究现状

1．3．1 水力压裂增透技术的发展历程

1．3．2 水力压裂增透技术数学模型的发展

1．4 研究目标及主要内容

第二章 煤岩体水力压裂裂隙扩展演化规律研究

2．1 引言

2．2 煤岩体水力压裂试验概况

2．2．1 真三轴煤岩体水力压裂试验系统

2．2．2 裂隙扩展监测系统

2．2．3 试件制备及试验方案

2．2．4 试验过程及步骤

2．2．5 试验结果

2．3 煤岩体水力压裂裂隙、裂缝扩展演化规律

2．3．1 水力压裂裂隙的起裂

2．3．2 水力压裂裂隙的扩展

2．3．3 水力压裂裂隙扩展延伸、拐弯的力学条件分析

2．3．4 水力压裂裂缝扩展准则

2．4 煤岩体水力压裂裂隙扩展声发射特征分析

2．4．1 煤岩体水力压裂声发射信号频率特征分析

2．4．2 煤岩体水力压裂声发射空间定位分析

2．5 本章小结

第三章 低渗透煤岩体水力压裂增透机理分析

3．1 低渗透煤层构造特性

3．2 低渗透煤层瓦斯赋存运移规律

3．3 低渗透煤岩体水力压裂增透机理研究

3．3．1 水力压裂裂隙扩展延伸研究

3．3．2 水力压裂裂缝扩展延伸研究

3．3．3 水力压裂裂缝扩展控制技术

3．4 低渗透煤岩体水力压裂增透效果影响因素分析

3．4．1 低渗透煤岩体裂隙数目与渗透性的关系

3．4．2 低渗透煤岩体水力压裂增透效果影响因素

3．5 本章小结

第四章 煤岩体水力压裂裂隙扩展演化数值模拟

4．1 RFPA2D概述及应用

4．2 物理模型建立与数值模拟方案

4．2．1 物理模型建立

4．2．2 数值模拟方案

4．3 单孔数值模拟结果分析

4．3．1 裂缝的起裂、扩展形态和规律

4．3．2 不同条件下裂隙发育对应的声发射特征

4．4 两孔、多孔数值模拟结果分析

4．4．1 裂缝的起裂扩展形态和规律

4．4．2 不同条件下裂隙发育对应的声发射特征

4．5 本章小结

第五章 水力压裂增透技术在低渗透性煤层气开采中的应用

5．1 压裂试验地点概况

5．2 压裂施工设计

5．2．1 水力压裂设备

5．2．2 压裂钻孔布置

5．2．3 水力压裂开展情况

5．3 水力压裂增透效果分析

5．3．1 压裂后抽采效果分析

5．3．2 压裂后钻孔抽采半径分析

5．3．3 压裂后煤层透气性系数及衰减系数结果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文