基于水力壓裂的煤礦井下瓦斯抽采理論與技術.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壓力的根本舉措,煤儲層滲透率是決定瓦斯抽采的關鍵因素,如何提高煤儲層滲透率已成為煤礦瓦斯抽采的重要研究內(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、延長抽采時間、采用各種水力化措施,但抽采效果并不理想,實現(xiàn)區(qū)域消突困難較大,往往以極大的工程量為代價換取有限的瓦斯抽采效

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

3、度因子和分形維數(shù)兩個指標為判斷依據(jù)的煤體結(jié)構(gòu)空間展布預測模型,為井下鉆孔水力壓裂的層位選擇和工藝指明了方向,也對地面煤層氣開發(fā)實現(xiàn)“一區(qū)一策”和“一井一法”提供了重要參考。
　　以啟動壓力梯度測試為基礎,揭示了瓦斯運移產(chǎn)出不僅存在線性滲流,而且存在非線性滲流(帶啟動壓力梯度)和擴散兩種流態(tài)。通過壓汞實驗和瓦斯自然解吸兩種手段,證實GSI>45與GSI<45的煤儲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。以啟動壓力梯度和

4、煤儲層孔徑分布為依據(jù),建立了基于啟動壓力梯度和雙直徑球型孔隙的瓦斯運移產(chǎn)出的本構(gòu)方程,即低速非線性滲流和兩級擴散模型,為井下鉆孔水力壓裂工藝選擇提供了理論基礎。
　　依據(jù)聲波速度和滲透率兩個指標挑選了兩組平行煤樣,在聲發(fā)射監(jiān)控下測試煤樣滲透率隨應力應變的變化趨勢,并在不同階段讀取煤樣的 GSI值,按照時間對每組平行煤樣的實驗數(shù)據(jù)(聲發(fā)射、應力應變、滲透率和GSI)進行全程對接,最終建立了應力應變—煤體結(jié)構(gòu)—滲透率耦合關系。根據(jù)煤儲

5、層滲透率—GSI和雷諾數(shù)Re—滲透率關系,建立了煤體結(jié)構(gòu)GSI與雷諾數(shù)關系模型,依據(jù)線性滲流—非線性滲流—擴散三種流態(tài)的雷諾數(shù)分界點,得到不同流態(tài)的煤體結(jié)構(gòu) GSI的分界點。水力壓裂在于改變GSI,促使瓦斯流態(tài)從擴散→非線性滲流(帶啟動壓力梯度)→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理所在。
　　在水力壓裂多重效應方面,通過煤樣浸水前后啟動壓力梯度、滲透率和瓦斯放散初速度對比實驗,查明了煤層注水抑制瓦斯涌出的機理在于

6、增加了煤儲層的啟動壓力梯度。通過不同含水飽和度煤樣力學性質(zhì)測試,得到“硬煤”遇水力學強度降低;依據(jù)粉體力學理論說明了“軟煤”遇水力學性質(zhì)改善,同時水力壓裂還可以起到均一化瓦斯壓力場和地應力場的作用,對減小沖擊地壓和瓦斯突出也有重要意義。
　　通過二氧化氯與煤作用前后等溫吸附實驗和地面煤層氣井實踐驗證,查明二氧化氯的表面改性作用降低了煤對甲烷的吸附能力。以二氧化氯與煤芯作用前后滲透率對比實驗和顯微鏡下煤表面經(jīng)二氧化氯的蝕刻觀測,說明

7、二氧化氯對煤儲層化學增透作用明顯。通過胍膠對煤吸附常數(shù)和放散初速度的影響、胍膠傷害及二氧化氯解除傷害實驗,建立了基于二氧化氯的井下鉆孔水力壓裂壓裂液體系。
　　通過煤體結(jié)構(gòu)定量表征參數(shù) GSI的引入,對煤儲層抗拉強度、破裂壓力、濾失系數(shù)和壓裂半徑等參數(shù)進行了優(yōu)化,為不同煤體結(jié)構(gòu)采取相應的施工參數(shù)提供了計算模型。初步形成了壓裂效果評價的方法。
　　通過鶴壁中泰礦業(yè)公司和陽泉寺家莊礦井下多次水力壓裂現(xiàn)場試驗的驗證,最終形成了基于