基于水力壓裂的煤礦井下瓦斯抽采理論與技術(shù).pdf

1、煤礦井下瓦斯抽采是防治煤與瓦斯突出、避免回采瓦斯超限和減輕礦井通風(fēng)壓力的根本舉措,煤儲(chǔ)層滲透率是決定瓦斯抽采的關(guān)鍵因素,如何提高煤儲(chǔ)層滲透率已成為煤礦瓦斯抽采的重要研究?jī)?nèi)容之一。
　　未卸壓狀態(tài)下的煤層瓦斯抽采完全取決于煤層原始滲透率,目前提高低滲煤儲(chǔ)層抽采效果主要依靠縮短鉆孔間距、加大鉆孔直徑、增加鉆探工程量、延長(zhǎng)抽采時(shí)間、采用各種水力化措施,但抽采效果并不理想,實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突困難較大,往往以極大的工程量為代價(jià)換取有限的瓦斯抽采效

2、果。未卸壓狀態(tài)下的煤儲(chǔ)層增透已成為煤礦井下瓦斯抽采亟待解決的問(wèn)題,把地面煤層氣井水力壓裂增透技術(shù)移植到煤礦井下,實(shí)現(xiàn)在未卸壓下的煤儲(chǔ)層增透是本論文的主旨。
　　通過(guò)聲波速度測(cè)試、分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)和引入巖體力學(xué) GSI的煤體結(jié)構(gòu)定量表征對(duì)比,根據(jù)表征參數(shù)與滲透率的關(guān)系及參數(shù)的獲取難易,優(yōu)選出 GSI指標(biāo)是煤體結(jié)構(gòu)最佳的定量表征方法。并以此為基礎(chǔ)建立了煤儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)模型和非完整煤體力學(xué)性質(zhì)的獲取方法。根據(jù)煤體變形的控制因素,建立了基于強(qiáng)

3、度因子和分形維數(shù)兩個(gè)指標(biāo)為判斷依據(jù)的煤體結(jié)構(gòu)空間展布預(yù)測(cè)模型,為井下鉆孔水力壓裂的層位選擇和工藝指明了方向,也對(duì)地面煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)“一區(qū)一策”和“一井一法”提供了重要參考。
　　以啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試為基礎(chǔ),揭示了瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出不僅存在線性滲流,而且存在非線性滲流(帶啟動(dòng)壓力梯度)和擴(kuò)散兩種流態(tài)。通過(guò)壓汞實(shí)驗(yàn)和瓦斯自然解吸兩種手段,證實(shí)GSI>45與GSI<45的煤儲(chǔ)層孔徑分布存在明顯差別,后者孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“雙峰”特點(diǎn)。以啟動(dòng)壓力梯度和

4、煤儲(chǔ)層孔徑分布為依據(jù),建立了基于啟動(dòng)壓力梯度和雙直徑球型孔隙的瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出的本構(gòu)方程,即低速非線性滲流和兩級(jí)擴(kuò)散模型,為井下鉆孔水力壓裂工藝選擇提供了理論基礎(chǔ)。
　　依據(jù)聲波速度和滲透率兩個(gè)指標(biāo)挑選了兩組平行煤樣,在聲發(fā)射監(jiān)控下測(cè)試煤樣滲透率隨應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢(shì),并在不同階段讀取煤樣的 GSI值,按照時(shí)間對(duì)每組平行煤樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(聲發(fā)射、應(yīng)力應(yīng)變、滲透率和GSI)進(jìn)行全程對(duì)接,最終建立了應(yīng)力應(yīng)變—煤體結(jié)構(gòu)—滲透率耦合關(guān)系。根據(jù)煤儲(chǔ)

5、層滲透率—GSI和雷諾數(shù)Re—滲透率關(guān)系,建立了煤體結(jié)構(gòu)GSI與雷諾數(shù)關(guān)系模型,依據(jù)線性滲流—非線性滲流—擴(kuò)散三種流態(tài)的雷諾數(shù)分界點(diǎn),得到不同流態(tài)的煤體結(jié)構(gòu) GSI的分界點(diǎn)。水力壓裂在于改變GSI,促使瓦斯流態(tài)從擴(kuò)散→非線性滲流(帶啟動(dòng)壓力梯度)→線性滲流,因此流態(tài)的改變是井下鉆孔水力壓裂增透的機(jī)理所在。
　　在水力壓裂多重效應(yīng)方面,通過(guò)煤樣浸水前后啟動(dòng)壓力梯度、滲透率和瓦斯放散初速度對(duì)比實(shí)驗(yàn),查明了煤層注水抑制瓦斯涌出的機(jī)理在于

6、增加了煤儲(chǔ)層的啟動(dòng)壓力梯度。通過(guò)不同含水飽和度煤樣力學(xué)性質(zhì)測(cè)試,得到“硬煤”遇水力學(xué)強(qiáng)度降低;依據(jù)粉體力學(xué)理論說(shuō)明了“軟煤”遇水力學(xué)性質(zhì)改善,同時(shí)水力壓裂還可以起到均一化瓦斯壓力場(chǎng)和地應(yīng)力場(chǎng)的作用,對(duì)減小沖擊地壓和瓦斯突出也有重要意義。
　　通過(guò)二氧化氯與煤作用前后等溫吸附實(shí)驗(yàn)和地面煤層氣井實(shí)踐驗(yàn)證,查明二氧化氯的表面改性作用降低了煤對(duì)甲烷的吸附能力。以二氧化氯與煤芯作用前后滲透率對(duì)比實(shí)驗(yàn)和顯微鏡下煤表面經(jīng)二氧化氯的蝕刻觀測(cè),說(shuō)明

7、二氧化氯對(duì)煤儲(chǔ)層化學(xué)增透作用明顯。通過(guò)胍膠對(duì)煤吸附常數(shù)和放散初速度的影響、胍膠傷害及二氧化氯解除傷害實(shí)驗(yàn),建立了基于二氧化氯的井下鉆孔水力壓裂壓裂液體系。
　　通過(guò)煤體結(jié)構(gòu)定量表征參數(shù) GSI的引入,對(duì)煤儲(chǔ)層抗拉強(qiáng)度、破裂壓力、濾失系數(shù)和壓裂半徑等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,為不同煤體結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的施工參數(shù)提供了計(jì)算模型。初步形成了壓裂效果評(píng)價(jià)的方法。
　　通過(guò)鶴壁中泰礦業(yè)公司和陽(yáng)泉寺家莊礦井下多次水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的驗(yàn)證,最終形成了基于