水力压裂试验中煤体扰动应力变化规律研究北大核心

为探究煤层钻孔在水力压裂过程中,压裂钻孔周边煤层内的扰动应力变化规律;以筠连县金钟煤矿有限公司1703采煤工作面为试验地点,在确定相关水力压裂参数的基础之上,利用KSE-2-1型矿用本安数显钻孔应力计监测压裂过程中压裂钻孔周边不同距离煤层内的扰动应力变化情况。试验结果表明:水力压裂过程中出现煤体开裂现象时,其注水压力将会出现明显的下降,相应的其单位注水量将会出现一定的上升;水力压裂过程中,由压裂液所形成的扰动应力在煤层内的传递主要以衰减为主;同时,在水力压裂影响范围内,煤层内部的扰动应力变化主要包括3个阶段:原始应力阶段、应力响应阶段和应力趋稳阶段,并且处于应力响应阶段的煤层内部扰动应力值变化呈波浪式上升。     

含瓦斯煤体水力压裂过程中声发射损伤效应的数值模拟研究

为了研究煤体水力压裂过程中声发射特征并分析其演化规律,利用具有固液耦合分析功能的有限元软件RFPA2D,创建渗流-应力-损伤耦合模型,对含瓦斯煤体水力压裂过程进行了数值模拟,结果表明:在水力压裂过程中,煤体内部出现声发射现象,声发射事件与煤体内部损伤破坏直接相关,声发射累积量可以反映煤体损伤破坏程度与煤体渗透性变化。通过实时监测水力压裂过程中声发射事件、累积量的演化特征,从整体上反映煤体内部渗透性变化与损伤破坏情况,为声发射监测技术在煤体水力压裂效果评价应用方面提供一定指导。     

注水流量对低透气性煤层水力压裂效果影响数值模拟研究

为研究不同注水流量条件下对低透气性煤层水力压裂效果的影响,利用RFPA数值模拟软件开展了不同流量的水力压裂数值模拟。模拟结果表明：注水流量对低透气性煤层影响效果明显,具体表现为流量越大,煤体裂缝扩展愈加明显,同时注水流量的增大还会引起水力压裂影响范围的加大,同时拟合了影响半径与注水流量的关系式,最后研究了注水流量对煤体孔隙度的影响,相较于压裂时间,注水流量对于孔隙度的影响较大,注水流量越大,孔隙度改善愈加明显。该结果可为水力压裂工艺技术的设计参数提供思考。     

基于水力压裂技术的煤层应力试验研究

为得到压裂阶段煤层应力与注水压力的规律,通过相似材料模拟试验,在试验室现场还原压裂过程,得到压裂过程中注水压力、煤层应力及煤层裂隙扩展的变化规律。试验结果表明:注水压力的增长和煤体破裂的速度均受地应力影响,地应力越大,注水压力的增长和煤体破裂的速度越慢;距注水孔75 mm为钻孔水力压裂试验的卸压范围,注水后,煤体应力往深部方向转移;裂隙以水力压裂孔为中心开始延伸,卸压范围的裂隙发育分为3个等级,40 mm以内裂隙最大,40～60 mm次之,65～80 mm裂隙最小;调整注水孔的压裂方案后,瓦斯浓度比常规压裂提高20%;钻孔抽采流量比常规压裂提高了40%。     

煤层注液态CO_2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验

针对我国煤层"高储低渗"的赋存特征,基于液态CO_2黏度低、阻力小、酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO_2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律。结果表明:压裂过程流量随着压力的增长呈现出"波动"特性,钻孔周围煤体受CO_2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2 MPa处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂—弱面扩展—微孔隙破坏。现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20 m,且与水力压裂相比在压裂安全性、时间和效果方面存在技术优势。     

流量引起的注入压力变化对水力压裂效果的影响研究

为探究不同流量条件下水力压裂试件的破裂压力和裂隙扩展面积变化规律,利用真三轴水力压裂系统开展不同流量的水力压裂物理模拟实验。实验结果表明：通过压裂液流量控制注入压力变化量,流量与注入压力变化量、破裂压力呈正相关关系;泵压力曲线都经历了储液─上升─下降─稳定4个阶段,流量越大则储液时间越短、压裂曲线上升和下降的周期越短、稳定压力越高;裂隙扩展面积随流量的增加而增加,在流量为60 mL/min时裂隙扩展面积最大,压裂效果最佳,但当流量超过60 mL/min时容易产生形态单一、扩展面积小的裂隙网络,水力压裂效果会明显降低。研究结果可为水力压裂技术工艺参数的设计提供参考。     

松软突出煤层采煤工作面水力压裂增透技术应用

为了解决淮南矿区突出煤层透气性差,原始煤层中钻孔抽采瓦斯流量小,预抽时间长的难题,开展了水力压裂增透技术研究,并在1351(3)工作面进行了试验,对水力压裂效果进行了考察。试验表明:水力压裂增透技术可以扩大煤层中的孔隙和裂隙,增加煤层的透气性,水力压裂影响半径不小于60 m,受水力压裂影响区域与原始煤体区域相比,单孔抽采量增加了260%,单位面积抽采纯量增加了45%,钻孔量减少40%。     

井下水力压裂钻孔囊袋式两堵多注封孔技术及应用

煤矿井下水力压裂钻孔主要应用于高瓦斯低透气性煤层的增透,封孔质量是影响压裂效果的关键因素之一。为了提高水力压裂钻孔的封孔质量,提出囊袋式"两堵多注"封孔的思路。在现有封孔技术的基础上,开发出了一套适用于煤矿井下水力压裂钻孔的囊袋式封孔技术,保证了水力压裂钻孔封孔质量。在淮南矿业集团公司9个煤矿共计施工97个水力压裂孔,在30MPa的压裂压力下,未出现孔口跑浆现象。压裂后煤层透气性系数达到原始状态下的5倍以上,单孔抽采纯量和抽采单元内抽采纯量均达到原始状态下的2倍以上。     

水力压裂周围煤层应力变化试验研究

为得到压裂阶段煤层应力与注水压力的变化规律,通过相似材料模拟试验,在试验室现场还原水力压裂的发生过程,确定压裂时裂隙的发育情况、注水压力与煤层应力的变化规律。试验结果表明:地应力越高,注水压力的升高和煤体破裂的速度越缓慢;距注水孔75 mm范围是水力压裂的卸压区域,注入高压水后,煤体应力转移到深部区域;裂隙以水力压裂孔为中心开始延伸,卸压范围的裂隙发育分为3个等级,40 mm以内裂隙最大,40～6 mm次之,65～80 mm裂隙最小;调整注水孔的压裂方案后,瓦斯浓度同比常规压裂提高20%;钻孔抽采流量同比常规压裂提高40%。     

高突煤层水力压裂视电阻率响应特征分析

水力压裂常应用于高突煤层的卸压增透,但缺乏较好的效果考察手段。介绍了水力压裂过程视电阻率响应原理,建立了水力压裂视电阻率响应现场测试系统,并在新田矿1404底抽巷试验研究了高突煤层水力压裂过程煤体的视电阻率响应。结果表明,压裂孔两侧煤层45 m范围内视电阻率在压裂前后发生明显的变化,且压裂孔对称区域视电阻率的变化存在差异。通过煤层水力压裂视电阻率响应系统可有效地判断水力压裂过程中煤体裂隙场的变动,预测水力压裂范围,为确定水力压裂孔距提供了依据。     

松软低透气性煤层井下水力压裂工艺技术研究

为了研究松软低透气性煤层井下水力压裂的施工工艺及技术,以淮南矿业集团潘一矿东井为工程背景,首先根据建立的松软低透气性煤层压裂裂缝尺寸计算模型,分析得出煤体的弹性模量、泊松比是影响压裂裂缝尺寸及决定裂缝形态产状的主要因素;通过分析计算压裂煤体裂缝缝内净压力,研究了压裂泵注压力的影响因素。理论计算得出试验区域煤层起裂压力为24.3 MPa,设计泵注压力30.2 MPa;现场压裂试验与计算压力误差仅为3.3%,证实了理论计算方法的可行性。试验结果表明,水力压裂影响半径达40 m,压裂后煤层透气性及抽采效果大幅提高,瓦斯治理成本大幅降低。     

利用液化气体的水力压裂法控制煤层性质和状态

文内指出,传统的水力压裂方法效果不理想,因为在这样的压裂过程中,张开的仅仅是煤层主裂隙,不能使煤体得到均匀地处理。而利用液氮的水力压裂技术,可以借助在孔底工作面区冻结已压开的主裂隙网,使继续压裂时压开次裂隙,以达到均匀处理和加速煤体裂隙系统的张开过程。注氮工艺是:用 AΓY—8K 型汽化装置。由于注入氮气,使煤层内造成再次压裂前的气垫。也就是由于“气泡效应”而使煤层对瓦斯的渗透性加大。     

碎软煤层条带定向长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术研究

为解决艾维尔沟矿区碎软突出煤层瓦斯抽采难的问题，阐述了定向长钻孔水力压裂消突机理，建立数值模型研究了水力压裂渗流场和应力场耦合规律及水力压裂效果的影响因素。研究表明：煤层注水压裂过程中，渗流引起煤炭内部有效应力场改变、煤体骨架发生变形，改变了煤体的物理力学性质，又进一步影响了水的渗流过程，渗流场和应力场相互作用、相互影响；注水压裂时间、注水压力、地应力和渗透率对水力压裂效果都有明显影响；煤的浸润过程靠压裂孔中的高压水来支撑，注水压力越高，压裂初期孔隙压力增长速度越快，较长的压裂时间和较高的注水压力有助于提高煤体孔隙压力、降低有效应力；地应力的增大会导致煤体颗粒受到压迫、颗粒间隙变小、煤体渗透率降低，需要提高注水压力才能取得较好增透效果。现场应用过程中，4号煤层采取水力压裂措施抽采109 d后，预抽率达14.4%,残余瓦斯含量下降了5.2%～34.6%,水力压裂影响半径为20～25 m,有效影响半径为18～19 m。     

基于瞬变电磁法探测煤体内水力压裂流场的运动规律

基于瞬变电磁的工作原理,利用煤层孔隙-裂隙结构电阻率的变化,分析煤层水力压裂后流场特征、煤体破裂、裂隙延伸扩展以及含水性增大的过程。通过采用瞬变电磁法对煤层水力压裂流场进行了相关探测,得出了在高压水流场的作用下,水力压裂影响半径可达30 m以上并且压裂影响区域具有不均匀性,在应力释放区容易出现水流通道,形成卸压带。如若煤层的顶、底板较为坚硬完整,则水力压裂一般只会限制在煤层进行,同样由于煤层赋存地质条件的不均匀性,因此可利用瞬变电磁探测含瓦斯煤体的水力场,为水力压裂工艺的优化提供依据,以期达到理想的压裂效果。     

初撑力可控自动注液枪的研究与应用

针对当前使用的注液枪存在的问题,研究发明了初撑力可控自动注液枪。这种注液枪的特点是初撑力可控、无压取枪、测压与补液同时进行等。根据淮北矿区“三软”煤层条件,介绍了这种注液枪可控调压系统压力的设定、控制阀流量设计、压力显示方式的确定和社会经济效益。     

水力压裂裂纹延伸规律模拟

基于莫尔-库伦屈服准则,以常村矿3#单一煤层为例,采用FLAC3D数值模拟软件,模拟了3#煤层在不同水力压力条件下煤体破损与压裂裂纹延伸规律。模拟结果表明:水力压裂过程中,煤体破坏类型以剪切破坏为主,压裂孔端头区域最先处于破碎损坏状态。在水力压裂压力增加过程中,压裂孔中部区域煤体中裂纹沿最大主应力方向延伸速度最快,而沿最小主应力方向裂纹延伸速度最慢;压裂孔端头区域裂纹沿竖直方向和走向方向的延伸长度基本保持一致,此区域裂纹延伸的方向受地应力影响程度明显减弱;最大主应力方向裂纹延伸长度与水力压裂压力大小基本成正比例线性关系。     

深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律试验研究

为研究深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律,采用自行研制的TCHFSM-I型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,开展不同压裂孔间距、不同注液速率对多裂缝同步扩展规律的影响试验。通过观察和分析压裂过程中裂缝扩展形态、注液压力演化规律,以及声发射动态响应特征和注液流量演化特征,结果表明：压裂孔间距较小时,左右两侧裂缝扩展长度大于中部裂缝,随着压裂孔间距增大,左中右3条裂缝均衡扩展;增大注液速率可以使起裂压力增高,多裂缝长度增加,有效提高储层改造体积;增大压裂孔间距和注液速率,可以使左中右3个压裂孔的注液流量占比更均衡。     

煤矿区煤层气利用技术研究进展

为研究深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律,采用自行研制的TCHFSM-Ⅰ型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置,开展不同压裂孔间距、不同注液速率对多裂缝同步扩展规律的影响试验。通过观察和分析压裂过程中裂缝扩展形态、注液压力演化规律, 以及声发射动态响应特征和注液流量演化特征,结果表明：压裂孔间距较小时,左右两侧裂缝扩展长度大于中部裂缝,随着压裂孔间距增大,左中右3条裂缝均衡扩展;增大注液速率可以使起裂压力增高,多裂缝长度增加,有效提高储层改造体积;增大压裂孔间距和注液速率,可以使左中右3个压裂孔的注液流量占比更均衡。

     

松软煤层井下水力压裂增透技术及应用

针对松软煤层弹性模量、抗压强度和抗拉强度较低,泊松比、孔隙压缩系数较高,易发生塑性变形等特点,将松软煤层井下水力压裂划分为煤体压密、裂缝起裂与裂缝扩展3个阶段,提出压裂工艺参数选择的参考原则,并在松软煤层典型矿区开展水力压裂现场试验。对压裂效果进行考察分析表明,在合理选择压裂工艺参数的前提下,水力压裂对于松软煤层增透作用明显。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。