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高压脉动水力压裂增透机理与技术

作　者: 李贤忠
导　师: 林柏泉
学　校: 中国矿业大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 低透气性煤层卸压增透封孔高压脉动水力压裂
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在我国煤矿开采过程中，与瓦斯相关的危害越来越严重，严重影响煤矿安全生产。同时瓦斯作为一种非常规天然气能源，储量达36.8万亿m3。我国70%左右的煤层瓦斯赋存具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特征。水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的有效技术措施之一，但是现有水力压裂技术需设备大、压力大，不利于煤矿井下推广。本文采用理论分析、实验研究和现场试验相结合的方法，在常规水力压裂基础上提出了脉动水力压裂技术，取得如下主要研究成果：首先研究了地应力和脉动压力波两种载荷作用下煤岩体破裂损伤机理。分析了脉动压力波产生机理，确定流量脉动率。在分析煤岩体孔隙、裂隙的基础上，研究地应力对煤岩体力学性质及对水力压裂的影响规律。确定总应力强度因子为地应力与脉动压力波分别作用于煤岩体上位移和应力的分量之和，描绘出总应力强度因子曲线。研究水力压裂起裂及扩展机理，并利用数值模拟软件验证，得出水力压裂能使煤岩体应力带想压裂孔两侧煤层深处移动，并在大范围内形成了塑性变形，有效降低地应力的同时破坏煤岩体，有效降低煤层的瓦斯压力。第二、将脉动压力的传播看做应力波的传播，选取瞬变流模型为研究脉动压力波传播基本模型，利用脉动压力传播方程对脉动压力进行数值计算，分析裂隙贯通前后脉动压强变化规律，脉动反射波由于波速和流速的叠加，使其在裂隙尖端出现压力增大的现象。利用脉动水力压裂平台验证在管路闭合条件下，脉动频率为50Hz与40Hz时，脉动压力波波峰在裂隙尖端出现压力增大现象，最大增幅50%。在此基础上研究脉动压力波破煤岩机理，得出脉动水力压裂能以较小的脉动压力取得常规水力压裂的效果。第三、针对本煤层脉动水力压裂封孔困难的状况，分析高压封孔的基本原理，通过添加膨胀剂、减水剂等材料研制出水泥基抗高压封孔材料，通过实验分别得出膨胀剂与减水剂的添加配比，利用低场核磁共振设备研究添加膨胀剂与减水剂的水泥浆体的水化反应过程，将水化反应分为四个阶段，指出在反应期（1.5h之内）完成现场注浆工作，得出水化反应的起始时间，为现场施工提供理论指导。最后，为配合高压脉动水力压裂技术的应用，解决工程实践中遇到的问题，研制了高压脉动水力压裂一体化装备，提出治理高瓦斯低透气性煤层卸压增透的“钻”“压”“抽”三位一体技术，并在此基础上将该装备应用于晋煤集团成庄矿，共在三个不同区域进行试验，对相关参数进行了测定分析。研究成果在现场应用表明，实施脉动水力压裂后，瓦斯抽采效果明显。脉压裂孔平均纯流量为0.05m3/min，为普通抽采孔的2.5倍。压裂结束后压裂区域含水量提高2倍左右，煤层透气性系数增加了47.8倍，达到41m2/(MPa2d)，压裂后压裂孔周围10m范围内脉冲及辐值明显降低，使支承压力峰值降低。研究结果对于单一低透煤层瓦斯防治提供理论与实践基础，课题研究期间作者发表学术论文7篇，其中EI检索两篇，EI录用两篇，获得各项科研奖励5项。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-10
Extended Abstract  10-13
目录  13-17
图清单  17-23
表清单  23-24
变量注释表  24-26
1 绪论  26-35
  1.1 目的和意义  26-27
  1.2 国内外技术现状及存在问题  27-32
  1.3 主要研究内容  32-33
  1.4 研究思路  33
  1.5 研究进展及成果  33-35
2 高压脉动水力压裂机理研究  35-54
  2.1 脉动压力产生  35
  2.2 煤岩体孔隙与裂隙  35-36
  2.3 本煤层脉动水力压裂起裂机理  36-45
  2.4 本煤层脉动水力压裂裂隙扩展机理  45
  2.5 本煤层水力压裂数值模拟分析  45-52
  2.6 本章小结  52-54
3 脉动压力波传播规律及破煤岩机理  54-68
  3.1 裂隙中脉动压力波的传播模型  54-58
  3.2 煤岩体中脉动压力波传播  58-60
  3.3 脉动压力波破煤岩机理  60-65
  3.4 脉动水力压裂卸压增透机理  65-66
  3.5 本章小结  66-68
4 脉动水力压裂压力波传播机理  68-82
  4.1 实验原理  68
  4.2 实验系统  68-71
  4.3 实验方法  71
  4.4 实验结果分析  71-80
  4.5 本章小结  80-82
5 脉动水力压裂封孔材料研究  82-99
  5.1 高压封孔基本原理  82
  5.2 抗高压封孔材料研制  82-85
  5.3 抗高压封孔材料特性研究  85-96
  5.4 封孔位置的选择  96-98
  5.5 本章小结  98-99
6 高压脉动水力压裂工业性试验  99-114
  6.1 脉动水力压裂设备  99-100
  6.2 工作面概况  100-101
  6.3 脉动水力压裂现场实施  101-107
  6.4 脉动压裂效果考察分析  107-113
  6.5 本章小结  113-114
7 结论、创新点及展望  114-118
  7.1 主要研究成果  114-117
  7.2 主要创新点  117
  7.3 研究的前景展望  117-118
参考文献  118-126
作者简历  126-129
学位论文数据集  129

高压脉动水力压裂增透机理与技术

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