本煤層水力壓裂及增透范圍研究.pdf

1、我國是世界上瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。隨著開采向深部的擴展，瓦斯災(zāi)害將更趨嚴(yán)重。而水力壓裂增透技術(shù)作為瓦斯抽采的主要方法之一，能有效地增加煤層透氣性，提高瓦斯抽采率，從根本上解決瓦斯所帶來的問題。本文主要圍繞煤層水力壓裂及其增透的影響范圍為研究主線，以理論分析為研究基礎(chǔ)，數(shù)值模擬和試驗研究為手段，分析水力壓裂的起裂位置、發(fā)展方向，并用數(shù)值模擬進行了驗證；分析壓裂液對瓦斯的驅(qū)趕作用，對煤體瓦斯吸附解吸和滲流作用的影響；根據(jù)煤體的基質(zhì)孔隙、

2、裂隙結(jié)構(gòu)以及煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)的差異，分析煤體水力壓裂的增透機理，并建立壓裂增透的模擬模型，研究煤巖體的橫向有效增透范圍和面積。通過研究，獲得了以下幾個方面的進展：
　?、賹λ毫堰M行理論建模，得到壓裂孔周圍應(yīng)力分布函數(shù)，引入第一強度理論得到：當(dāng)λ<1時，壓裂孔將在垂直方向起裂，且λ越小起裂壓力越小；當(dāng)λ>1時，壓裂孔將沿著水平方向起裂，且λ越大，起裂壓力越小。當(dāng)λ=1時，壓裂孔起裂方向呈隨機性，用第一強度理論判別可得，最小起裂

3、水壓為：(此處公式省略)；引入Mohr-Coulomb強度理論可得，孔壁發(fā)生屈服時，注入的最小水壓為：（此處公式省略）；而引入Drucher-Prager準(zhǔn)則時，可得水壓為：（此處公式省略）。
　　②通過數(shù)值分析軟件模擬了單孔煤樣和含預(yù)制裂紋煤樣的水力壓裂過程，包括壓裂裂紋的起裂位置、擴展方向，并驗證了理論分析結(jié)果。通過對含預(yù)制裂紋的模型計算可得，在λ<0.95時，其宏觀主裂紋的擴展方向沒有改變，表明主應(yīng)力是控制裂紋發(fā)展方向的主導(dǎo)

4、因素；而在λ>0.9625時，其宏觀主裂紋的擴展方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，表明主應(yīng)力的控制因素被消弱，預(yù)制裂紋可以引導(dǎo)和控制壓裂裂紋的發(fā)展；當(dāng)λ∈[0.95,0.9625]時，壓裂裂紋將沿著最大主應(yīng)力和預(yù)制裂紋端部同時起裂，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋同時向外擴展轉(zhuǎn)移。通過分析預(yù)制裂紋角度對壓裂的影響可得，預(yù)制裂紋的角度變化對水力壓裂宏觀主裂紋擴展方向影響較小，但卻能改變其起裂點。
　?、弁ㄟ^分析水力壓裂過程中的壓裂液對煤體增透的作用，進而探討高壓

5、水的注入可能帶來不利的影響。通過現(xiàn)場瓦斯含量的分布可知，注入的水分對游離瓦斯有驅(qū)趕作用，并在壓裂影響邊緣區(qū)域形成瓦斯富集帶；通過不同含水率的吸附解吸試驗可知，煤體水分的增加不僅抑制瓦斯吸附的過程，減小瓦斯吸附量，同時也抑制了瓦斯解吸過程，在一定程度上不利于瓦斯抽采，但相比整體煤層的增透作用可以忽略；通過不同含水率的滲流試驗可知，含水率的增加促使部分水分吸附在煤體孔隙表面，或占據(jù)瓦斯流通的通道，增加了瓦斯流通的阻力，降低瓦斯在煤體的滲透率

6、，從而在一定程度上不利于瓦斯的產(chǎn)出。
　　④通過分析煤體孔隙裂隙結(jié)構(gòu)、煤巖力學(xué)性質(zhì)、滲流特性以及壓裂增透的機理，建立壓裂增透模型。通過應(yīng)力、流量、水壓等分布以及裂紋發(fā)展趨勢將水力壓裂模型劃分為：宏觀裂隙區(qū)、微裂隙貫通區(qū)、微裂隙產(chǎn)生區(qū)、原生裂隙擾動區(qū)和原生裂隙區(qū)；通過計算得到λ=1.2時的增透范圍為54m；通過對壓裂圖像的數(shù)值處理，得到裂紋穩(wěn)定擴展時增透面積占模型的百分比以及增透面積增長趨勢符合二次函數(shù)的關(guān)系；對現(xiàn)場壓裂半徑和增透效