高煤阶煤样水力压裂前后应力-渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%～253.25%、171.88%～383...     

裂隙岩体结构面模拟技术研究

考虑了岩体裂隙表面的粗糙性、空间形态的复杂性和网络分布的随机性,根据分析对象的特点,利用概型分布法模拟单裂隙开度分布,分形几何理论模拟空间裂隙面形态及其开度分布,Monte-Carlo方法模拟二维裂隙网络并计算分维数,分形几何理论结合二维裂隙网络和三维裂隙面网络分形参数的关系,来模拟三维裂隙面网络,为裂隙岩体结构面的模拟起到引导作用。     

薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究

为研究特厚松散层薄基岩煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的发育演化规律,结合赵固一矿11011工作面地质条件和开采技术条件,采用相似材料模拟试验模拟了覆岩裂隙演化的全过程,并利用分形几何理论研究了裂隙网络分形维数与工作面推进度、矿山压力、覆岩下沉、上三带之间的关系。研究结果表明:采动所形成的裂隙网络可以较好的表征岩体的结构特征;裂隙的形成、发育、扩展、分布具有较好的自相似性和分形特征,可以用分形维数描述裂隙网络的二维空间特征;裂隙网络分形维数随着开采宽度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓;分形维数与矿山压力、覆岩下沉之间呈非线性关系;分形维数可以较好的表征上三带裂隙发育特征.     

基于分形理论的上覆煤岩裂隙发育规律研究

为研究近距离保护层开采上覆煤岩裂隙发育规律，以熊家湾煤矿C8和C9煤层为工程研究背景，基于分形理论和数值模拟技术分析近距离保护层开采上覆煤岩时裂隙发育和应力变化等特征。研究表明：C9保护层开采后，裂隙网络分形维数整体呈下降—上升—稳定趋势，表征上覆煤岩裂隙发育分为新生裂隙发育到顶板垮落压实、顶板垮落压实到压实裂隙发育和压实裂隙发育到整体稳定3个阶段；随着工作面推进，上覆煤岩的应力与裂隙网络分形维数变化整体相似，可用裂隙网络分形维数表征应力变化趋势；结合“三带”经验计算公式和数值模拟结果，得出裂隙发育高度为20 m左右，高于煤层间距，C8煤层裂隙发育。相关研究结果可为黔西地区相似地质条件上覆煤岩裂隙发育规律研究提供参考。     

突出煤层表面裂隙特征与瓦斯吸附/放散特性关系实验研究北大核心

瓦斯吸附、放散特性对于煤与瓦斯突出灾害预测、检验与防治十分重要,且与煤体裂隙结构特征密切相关。选取东曲煤矿2#、4#、8#和9#煤层的煤体试样,利用分形维数表征煤体表面裂隙特征,研究了煤体裂隙分布与瓦斯吸附、放散特性参数之间的关系。结果表明:基于分形理论求解了煤体表面裂隙分布的分形维数,取值范围为1.4~1.5,原生裂隙发育程度为9#煤层>4#煤层>8#煤层>2#煤层;通过瓦斯吸附、放散实验测试分析了煤体等温吸附常数及瓦斯放散初速度,吸附常数a取值范围为34.180~36.920 m3/t,瓦斯放散初速度取值范围为12~18 mmHg,上述参数的大小顺序与分形维数值一致。统计分析了东曲煤矿煤体分形维数与瓦斯吸附、放散特性参数的相关性,结果表明二者呈显著正相关性,分形维数能够表征该煤矿煤体瓦斯吸附与放散的特性与能力。     

采动影响下裂隙煤体压裂机理的分形研究

根据现场测试的采煤工作面支承压力变化规律，在三轴压力机上通过对大煤样的逐级加载至支承压力峰值，然后卸载至零，模拟采动过程中煤体在支承压力作用下的压裂、破坏全过程，同时连续测定超声波在煤样不同压裂阶段的传播速度，得到了大煤样的全程应力-应变曲线．证明了超声波速和最大主应力之间存在线性关系；运用分形几何理论、损伤力学对大煤样试件压裂过程中裂隙系统的整体性状作定量描述，探讨了裂隙煤体的压裂机理．实验表明，煤体强度与裂隙分维之间存在线性关系；在大煤样压裂试验的基础上，用有效应力建立了裂隙煤体压裂的本构方程．     

浅埋煤层覆岩裂隙分形特征实验研究

为了得到浅埋煤层覆岩裂隙发育的分形特征，以神东天隆集团霍络湾煤矿为工程背景，利用相似理论进行相似模拟实验，通过相似模拟实验研究了浅埋煤层覆岩裂隙发育规律并基于分形几何理论研究了分形维数随开采推进度的演化特征，得出浅埋煤层的才采动裂隙网络的演化规律。结果表明：工作面周期来压步距为9-15m，其采动裂隙网络具有良好的自相似性（R＞0.98），裂隙网络的分形维数随开采推进度的增加具有明显的变化规律，其变化趋势分为三个阶段：升维阶段，降维阶段及稳定变维阶段。     

基于CT三维重建的高阶煤孔裂隙结构综合表征和分析

为有效研究煤的孔裂隙结构特征,实现对煤的孔裂隙结构的定性定量表征和分析。以内蒙古巴彦高勒煤矿311102运输巷的煤样为研究对象,基于ZEISS Xradia510 Versa X射线显微镜扫描得到的CT数据,结合三维可视化软件AVIZO中内置数学算法,提出了煤的孔裂隙结构定量表征的方法,并建立了煤的三维孔裂隙结构模型和具有拓扑结构的孔隙网络简化模型。通过本文提出的方法,对巴彦高勒煤矿煤样的孔裂隙微观参数——孔径大小、孔体积、孔隙率、配位数、喉道长度等进行了统计分析。研究表明:在微米的尺度下,内蒙古巴彦高勒煤矿的煤样以大孔为主,并伴有网状的割理裂隙,有效孔隙率为10.34%,通过孔隙网络模型统计出的孔隙数为12 834,喉道数为432及其他的微观结构参数。     

不同倾角煤层下水力压裂影响分析

根据穿层钻孔水力压裂作用机理,运用数值模拟试验方法,对不同倾角煤层对水力压裂的影响进行模拟分析,结果表明:煤层的主要破坏都是沿着煤岩交界面的,裂隙沿着煤层倾向发展延伸。不同的煤层倾角,达到最佳裂隙发育的注水压力也不相同,随着煤层倾角增大而减小,达到一定值后又随着煤层倾角的增大而增大。对于倾角大的煤层最小应力趋于平缓,煤层破裂裂隙分布较广。     

饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

为探究煤层注水防冲解危后,工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响,开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验,探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应,揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大,干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大,加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏,最大声发射能量值先减小后增大,在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大,在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡,临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大,饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小,大粒径煤屑质量占比增大;干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小,拟合曲线满足幂函数规律,且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大,干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律,在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用...     

基于拟三维的水力压裂裂缝预测软件开发与应用

基于拟三维水力压裂裂缝假设的条件下,以.net为平台利用C#语言编制了裂缝几何参数预测软件,初步实现煤层水力压裂过程中裂缝扩展相关参数的计算。进一步对沁水盆地南部PA-1煤层气井采用本软件计算裂缝参数,并结合实测值和二维数值模型预测结果进行误差分析。     

单裂隙结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响

为探究单裂隙粗糙度、开度等结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响,基于Weierstrass-Mandelbort分形函数生成不同粗糙度的裂隙轮廓曲线,构建含不同分形维数和裂隙开度的二维裂隙煤岩体模型。运用Fluent软件模拟分析裂隙分形维数、开度对裂隙内部及周边煤岩基质内瓦斯流动特性的影响,建立了可定量刻画裂隙结构特征对煤岩体相对渗流能力具有影响的流量系数双参数模型。结果表明：随着裂隙分形维数减小,裂隙开度增大,煤岩体渗流能力逐渐增强,且裂隙导流能力在煤岩体渗流过程中逐渐占优,流量占比最高达81%。随着分形维数增大,裂隙内瓦斯流动非线性强度系数呈指数型增大,影响裂隙内瓦斯流动非线性强度系数的主控因素逐渐由裂隙开度转变为分形维数,同时在煤岩基质靠近裂隙轮廓曲线离散程度较大的位置处,存在局部渗流速度增大的现象。当裂隙开度增大至1.5 mm后,裂隙分形维数对流量系数的影响起主导作用,反之,裂隙开度起主导作用。提出了流量系数与分形维数、裂隙开度的经验关系式。     

岩体裂隙间距的分形特征

本文依据某露天矿花岗片麻岩体中裂隙间距的扫描线实测数据，采用分形理论表征裂隙间距的分形特征，并研究了分形维数与裂隙频率、分形维数与岩石质量指标的相关性。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

郑庄区块煤储层水力压裂裂缝扩展地质因素分析

为了研究煤储层水力压裂裂缝扩展规律,以沁水盆地郑庄区块15口煤层气井水力压裂裂缝的微地震监测数据为基础,通过分析压后裂缝方位、长度和高度等参数,从煤岩学特征、岩石力学特征、地应力条件及煤岩裂隙发育特征4个方面综合研究了压裂裂缝扩展的地质控制因素。结果表明:郑庄区块区压裂裂缝方位近NEE向,与区域水平最大主应力方向相近,垂直裂缝发育;演化程度较高的煤层更易形成长缝,且煤岩显微组分含量与压后缝长有一定相关性;裂缝长度随煤岩抗拉强度及弹性模量的增大而减小,煤岩与顶底板岩石力学性质的差异限制了裂缝纵向扩展;随埋深增加,煤储层闭合应力增大,但裂缝长度与煤层埋深负相关性较弱,原生裂隙在一定程度上阻碍了裂缝扩展。     

煤储层天然裂隙系统对水力压裂裂缝扩展形态的影响分析

煤储层压裂改造过程中,天然裂隙系统对压裂裂缝的开启和延展具有重要影响。通过对沁水盆地寺河、成庄和新元煤矿21口地面煤层气井的井下精细解剖,描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型,并阐明了二者之间的作用关系。结果表明,煤储层中天然裂隙系统根据成因和规模分为层面裂隙、外生节理、气胀节理、内生裂隙、层理裂隙和微裂隙,且按照裂隙规模和导流能力将其分为4个级别。井下观测的压裂支撑裂缝主要与规模较大的一级天然层面裂隙和外生节理有关,伴生次级天然裂隙对压裂裂缝的扩展影响较小。压裂裂缝主要形态包括垂直裂缝、水平裂缝、"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等4种,其中,水平压裂裂缝受顶底板和煤层间层面裂隙、宏观煤岩类型间层面裂隙以及构造煤分层的控制。垂直压裂裂缝扩展方向具有选择性,受最大主应力和天然裂隙的共同作用,研究区的最大主应力方向与天然裂隙优势方位间的夹角小于临界夹角,因此垂直压裂裂缝主要沿着煤层外生节理扩展。"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等复合压裂裂缝形态还受到煤层结构和煤体结构等的共同制约。此外,考虑到天然裂隙对煤岩强度的影响,提出压裂裂缝启裂方向为地应力与煤岩结合力之和最小值的方向。     

王峰煤矿3#煤顶板水力压裂裂缝扩展模拟研究

针对王峰煤矿3^#煤层瓦斯含量高、煤层碎软的特点,开展了王峰煤矿顶板定向长钻孔水力压裂裂缝发育规律研究,利用FLAC^3D数值模拟分析了顶板水力压裂裂缝扩展演化特征,讨论了压裂孔直径和压裂压力对裂缝发育的影响规律。研究得出:当压裂压力为5~8 MPa时,裂缝首先在水平方向产生,垂直方向上均未产生裂隙;当压裂压力大于10 MPa时,随着压裂压力的增大,裂缝在竖直方向逐渐延伸,且裂缝宽度沿水平方向逐渐扩展;裂缝延伸方向主要沿最大主应力方向,在最大主应力方向上裂缝扩展的增长速度与压裂压力基本呈正相关。相同压裂压力条件下,压裂孔孔径越大,塑性区扩展长度越大,裂缝扩展越大;当压裂压力大于10 MPa后,垂直方向上的裂缝扩展速率大于水平方向,裂缝沿最大主应力方向扩展速度最快。综合得出,王峰煤矿3^#煤的顶板水力压裂的钻孔直径为φ120 mm,压裂压力为10 MPa,可有效地指导工程实践。     

宿县矿区水力压裂裂缝微地震监测技术应用分析

为了分析研究水力压裂裂缝延伸的缝长、缝宽、缝高和方位,评价压裂效果,对宿县矿区二叠系煤层开展微地震裂缝监测。监测结果显示压裂改造产生多条不对称的裂缝,缝长100～160 m,缝宽10～25 m,缝高30～80 m。受煤层非均质性和压裂规模影响,裂缝延展方向以近似区域主应力方向(北西—南东向)为主,近似垂直区域主应力方向(北东向)次之;后续煤层气井应增加压力规模,降低压裂滤失量,增大区域主应力方向裂缝延展,有效连通天然裂缝。     

煤储层水力压裂裂隙沿井孔起裂扩展的影响因素实验研究

采用真三轴试验系统和声发射测试系统,对煤块进行水力压裂试验,描述煤块压裂过程中裂隙的发生发展,并对煤块压裂裂隙进行分析研究。得出以下结论:从破裂后裂隙形态看出,裂隙均沿近似最小主应力的方向发生,与理论分析和数值模拟的结果基本相符;煤块本身的层理等原生裂隙对水力压裂裂隙扩展有着显著的诱导作用,成功诱导裂隙沿近似层理方向延伸,达到了实验的预期;由试件压裂过程中声发射监测到的信息,得出试件压裂过程中的撞击-时间曲线,可为煤层气井的压裂提供实验参考。     

顶板穿层钻孔水力压裂现场数值模拟研究

以水力压裂增透机理为理论基础,以河南能源化工集团焦作煤业集团二1煤层的现场实测数据为参数,对演马庄矿22111运输巷顶板抽采巷打顶板穿层钻孔对煤体进行水力压裂,并运用RFPA2D-Flow软件进行水力压裂现场模拟。通过分析水力压裂过程中煤层裂隙的产生和贯通,以及压裂后钻孔周围主应力和渗透系数的变化,可知压裂后钻孔周围煤层主应力得到明显降低和渗透系数得到显著增加。并通过现场水力压裂抽采数据分析得出:压裂孔影响区域单孔日均抽放纯瓦斯流量是压裂孔未影响区域组抽采孔日均瓦斯抽采纯流量的35.35倍,抽采孔瓦斯浓度平均要提高1.34倍。水力压裂能显著增加抽采效果。