余吾煤業(yè)豎井水力壓裂煤層增透技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、礦井瓦斯既是安全生產(chǎn)的主要隱患,又是一種高效清潔能源，瓦斯治理一直是各個(gè)煤炭企業(yè)和科研院所的研究重點(diǎn)。瓦斯抽采方法發(fā)展愈加成熟，煤層瓦斯抽采效果的優(yōu)劣主要取決于兩點(diǎn)，一是內(nèi)部或外部提供瓦斯分子掙脫煤體基質(zhì)吸附所需要的能量，二是利用外部力學(xué)作用促進(jìn)煤體裂隙發(fā)育，與原生裂隙形成發(fā)育的裂隙網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯運(yùn)移提供流通通道?；谶@兩點(diǎn)，比較可行的技術(shù)就是水力壓裂，其原理是將壓裂液注入煤體，并保證壓裂液流動(dòng)速率大于煤層濾失速率、壓力大于最小弱面撕裂所

2、需應(yīng)力，且用石英砂等支撐劑持續(xù)支撐裂隙通道，保證裂隙網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)育。本課題所研究的地面豎井壓裂技術(shù)更強(qiáng)化了這種增透效果，地面鉆井壓裂和水力壓裂相互配合，不僅可以采前卸壓增透、提高煤層滲透性能、防治工作面沖擊地壓，而且在采中抽采、采后采空區(qū)瓦斯抽采中都起到很好效果，從而達(dá)到一井三用、綜合利用的目的。本課題基于潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司 S2107豎井水力壓裂工程實(shí)踐，結(jié)合相關(guān)理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證等手段，進(jìn)行基于豎井水力壓裂的瓦斯抽

3、采技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，具體研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）分析地面鉆井的破壞類型，分析地表移動(dòng)盆地主斷面的移動(dòng)變化規(guī)律。對(duì)產(chǎn)氣效果影響最大的剪切破壞重點(diǎn)研究，從水平位移角度和巖層應(yīng)力角度解釋井身的“S”形變形機(jī)理。從水平移動(dòng)角度分析，井身上下巖層水平移動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間、速率變化速度、水平位移最大量的不同是“S”形井身形成的根本原因。從應(yīng)力角度分析，建立井身剪切破壞的網(wǎng)絡(luò)梁模型，讓地層中復(fù)雜的力學(xué)分析歸于簡單的巖梁結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)隨機(jī)

4、介質(zhì)和概率積分法原理，分析層交面處鉆井破壞機(jī)理，給出鉆井微段的位移方程式，分析了界面上下巖層的厚度、彈性模量、強(qiáng)度對(duì)層交面水平滑移的影響。利用數(shù)值模擬軟件Midas對(duì)“S”形井身形成過程進(jìn)行了模擬，并對(duì)層交面上下巖層厚度、彈性模量對(duì)水平位移的影響進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果和理論結(jié)果一致。最后對(duì)鉆井穩(wěn)定性進(jìn)行初步分析，并給出套筒加固措施。
　?。?）分析豎井水力壓裂增透的機(jī)理。對(duì)水力壓裂的起裂和擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行分析，當(dāng)起裂總應(yīng)力大于起裂弱面處

5、的抗拉強(qiáng)度時(shí)開始起裂，起裂方向和地應(yīng)力大小有關(guān)。定性分析了壓裂水在煤層中的運(yùn)移特征。水力壓裂使瓦斯運(yùn)移通道充分發(fā)育，并改變瓦斯流態(tài)的趨勢(shì)，對(duì)瓦斯運(yùn)移表現(xiàn)為正效應(yīng)。當(dāng)流體的流態(tài)為非線性非達(dá)西流時(shí)，壓裂液中水分可以增加瓦斯流動(dòng)的啟動(dòng)壓力梯度、抑制瓦斯解吸、占據(jù)瓦斯分子擴(kuò)散通道，對(duì)瓦斯運(yùn)移表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。
　?。?）利用電液伺服三軸瓦斯?jié)B流試驗(yàn)裝置研究了不同含水率煤樣在應(yīng)力環(huán)境下的滲流規(guī)律。不同含水率煤樣在變圍壓條件下滲透率和滲流速度的變

6、化規(guī)律都呈非線性遞減，與二次多項(xiàng)式有較高的擬合度。其中低含水率煤樣（<1％）的下降趨勢(shì)隨著煤體含水率的增加，與負(fù)冪函數(shù)表示也有較高的擬合度，表現(xiàn)為k=aσ2-b，其中a、b為擬合系數(shù)。隨著有效應(yīng)力的增大，煤樣的滲透率和滲流速度具有非線性遞減的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)與二次函數(shù)有較高的擬合度，擬合曲線方程為y=aX2+bX+C，其中a、b、c為擬合系數(shù)。增加相同有效應(yīng)力情況下，低含水率煤樣的滲透率和滲流速度的下降幅度較大，即低含水率煤樣滲透率對(duì)有效

7、應(yīng)力的敏感性較高。滲透率隨含水率呈非線性遞減趨勢(shì)，且遞減速度逐漸降低，總體與二次函數(shù)具有較高的擬合度。驗(yàn)證了煤體中水分對(duì)瓦斯運(yùn)移的負(fù)效應(yīng)。
　?。?）對(duì)余吾煤業(yè)S2107工作面進(jìn)行豎井水力壓裂工程實(shí)踐，給出水力壓裂設(shè)計(jì)和施工方案，給出豎井水力壓裂效果評(píng)估方案，通過井下壓裂區(qū)和未壓裂區(qū)順層鉆孔抽采數(shù)據(jù)，分析豎井水力壓裂增透效果。
　?。?）對(duì)余吾煤業(yè)S2107工作面豎井水力壓裂效果進(jìn)行評(píng)估，以期為余吾煤業(yè)其他工作面壓裂施工提供

8、標(biāo)準(zhǔn)化方案。分析壓裂區(qū)1-52、1-54范圍和未壓裂區(qū)范圍內(nèi)鉆孔的單孔瓦斯流量，分析表明在1-52影響范圍內(nèi)的鉆孔抽采速率比未壓裂區(qū)顯著提高，最大提高7.3倍，最小提高3.7倍。1-54壓裂影響區(qū)域中，距離1-54壓裂井87m和42m的測(cè)點(diǎn)抽采效果沒有明顯改變，其他測(cè)點(diǎn)抽采效果明顯，最大提高9.2倍，最小提高2倍。余吾煤業(yè)S2107工作面總體壓裂效果明顯。通過分析整個(gè)觀測(cè)期間單孔瓦斯流量隨延伸距離的變化情況，判斷在整個(gè)50天觀測(cè)期間兩個(gè)