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井下水力压裂煤层应力场与瓦斯流场模拟研究

作　者: 付江伟
导　师: 傅雪海
学　校: 中国矿业大学
专　业: 地质资源与地质工程
关键词: 井下水力压裂应力场流场瓦斯运移模拟与探测
分类号: TD825
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

论文针对井下煤层水力压裂过程中滤失率引起的煤体水分增加对瓦斯运移的负效应以及“瓦斯场、渗流场、应力场”重新分布规律问题，采用理论分析、数值模拟、实验室实验和现场工业性试验相结合的方法，分析了不同煤体结构适应性的井下水力压裂技术，研究了煤-水-气三相介质条件下瓦斯解吸规律，揭示了水力压裂影响区域地应力分布特征，探讨了水力压裂煤层瓦斯运移产出的双重效应，指出了利用瞬变电磁法和示踪剂法对井下煤层水力压裂流场分布特征研究和评价的可行性。（1）煤-水-气三相介质条件下瓦斯解吸规律的实验/试验研究表明，煤样含水率越高，累计解吸量越少、瓦斯解吸速率越低；ΔP、q、K13个指标值随煤体含水率的增大而减小。说明水分对瓦斯解吸运移不但有抑制作用，同时还揭示出含水状态下所测试的校检指标，掩盖了煤与瓦斯突出危险性。（2）井下单孔水力压裂数值模拟表明，压裂孔两侧本来的应力升高区域地应力大大降低，很大范围内地应力都降低到低状体，钻孔两侧及Z方向煤体发生位移；现场水力压裂影响区钻屑量的变化特征，反映了压裂后集中应力带向煤体深部转移，采掘工作面卸压带长度增大，钻屑量变化响应的工作面应力分布状态，与压裂影响区应力场特征数值模拟结果一致；通过数值模拟同时也发现了水力压裂的不足之处，在裂缝尖端也产生了新的应力集中。（3）针对煤层赋存地质条件的复杂性和非均质性，以及水力压裂研究过程中出现的压裂液流场短路、裂隙扩展分布不均、单孔尖端应力集中等现象，提出了“双孔（多孔）均匀压裂、定向钻进控制压裂、水力喷射辅助压裂、预先水力割缝导向压裂、开楔形环槽定向压裂”5种用于实现煤层整体、均匀压裂的优化工艺。（4）利用流态判识标准雷诺数Re和启动压力梯度λ，对水力压裂增透加速瓦斯产出的正效应，以及煤体水分增大抑制瓦斯运移负效应的研究表明，含水率并不是影响启动压力梯度的主要因素，当煤层渗透率增大到一定程度，启动压力梯度就将消失，揭示了对于透气性较好的高渗煤层，水分的增加对瓦斯抽采的影响是有限的，水力压裂增透加速瓦斯抽采的本质是改变了瓦斯在煤层内流态，与压裂过程中压裂液滤失引起的负效应相比，压裂增透产生的正效应对瓦斯运移产出起控制作用。（5）针对在评价压裂流场分布特征（渗流能力、影响范围、均匀程度）方面存在的难题，构建了含瓦斯煤体水力压裂流场评价数学模型，开展了基于瞬变电磁法和示踪剂跟踪法的水力压裂流场分布特征理论和实验研究，丰富了井下水力压裂评价的方法和手段，对提高现场施工质量、减小施工风险有很大应用价值。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
Extended Abstract  8-13
目录  13-15
Contents  15-17
图清单  17-23
表清单  23-24
变量注释表  24-27
1 绪论  27-47
  1.1 研究目的及意义  27-28
  1.2 研究现状  28-41
  1.3 主要存在问题  41-42
  1.4 研究内容与研究方案  42-46
  1.5 工作量  46-47
2 煤矿井下水力压裂地质控制分析  47-69
  2.1 煤层赋存的地质特征  47-51
  2.2 煤储层自身特性对水力压裂的控制分析  51-55
  2.3 煤层与顶底板围岩组合特征对水力压裂的控制分析  55-59
  2.4 地应力场对水力压裂的控制作用  59-63
  2.5 不同结构煤体水力压裂效果分析  63-67
  2.6 本章小结  67-69
3 煤-水-气三相介质条件下瓦斯解吸规律实验/试验  69-84
  3.1 试验场地选择和实验煤样采集  69-70
  3.2 不同含水率条件下瓦斯解特征模拟实验  70-74
  3.3 水分对瓦斯放散初速度ΔP 影响的模拟实验  74-76
  3.4 煤-水-气三相介质条件下瓦斯解吸指标现场试验  76-82
  3.5 本章小结  82-84
4 井下水力压裂应力场模拟与工艺优化  84-102
  4.1 压裂影响区域应力场特征数值实验  84-93
  4.2 压裂影响区地应力变化的工程响应  93-97
  4.3 井下水力压裂工艺优化  97-100
  4.4 本章小结  100-102
5 水力压裂煤层瓦斯运移产出的双重效应  102-131
  5.1 引言  102-103
  5.2 煤层水力压裂增透机理研究  103-114
  5.3 水力压裂增透加速瓦斯产出的正效应  114-119
  5.4 煤体含水率增加抑制瓦斯运移的负效应  119-129
  5.5 本章小结  129-131
6 含瓦斯煤体水力压裂流场模拟与探测  131-156
  6.1 含瓦斯煤体水力压裂流场数学模型  132-137
  6.2 井下水力压裂流场探测方法与试验  137-154
  6.3 本章小结  154-156
7 结论及展望  156-163
  7.1 主要结论  156-160
  7.2 创新点  160-161
  7.3 展望  161-163
参考文献  163-176
作者简历  176-179
学位论文数据集  179

井下水力压裂煤层应力场与瓦斯流场模拟研究

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