低渗透煤岩体水力压裂的数值模拟

建立了模拟低渗透煤岩体水力压裂裂纹扩展以及固液耦合作用的数学模型，并推导了该模型的数值解法，通过潞安矿务局王庄煤矿低渗透性３号煤层注水的实例分析，结果表明：水力压裂过程中，裂缝的宽度不随水压升高的而无限增大，所需的扩缝压力随裂缝增长而降低，这对于提高低渗透性煤岩体水力压裂的效果有重要的指导意义。     

顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验

针对单一低渗松软煤层,采取顶板虚拟储层水力压裂的方式可实现煤层增透。利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了顶板虚拟储层水力压裂物理模拟试验。试验结果表明:通过在顶板及煤层中布置压力传感器,可以较好地监测水力压裂过程中煤层及顶板虚拟储层中裂缝的开裂扩展演化过程;顶板虚拟储层水力压裂一方面对煤层产生卸压作用,另一方面压裂裂缝沿钻孔向煤层方向扩展并形成裂隙缝网,煤层瓦斯可通过裂隙缝网扩展至顶板虚拟储层钻孔,增加了瓦斯渗流通道,有效提高了煤层瓦斯抽采效率。     

煤岩体水力压裂裂缝微震监测软件开发研究

针对煤岩体水力压裂诱发波形到时拾取不准、裂缝定位效果差的问题,研究提出了STA/LTA与AIC联合到时拾取方法及单纯形定位方法。在搭建软件总体架构的基础上,采用python言语与Visual Studio Code编辑器,将波形到时拾取、震源定位算法及相应功能程序化,设计开发了煤矿煤岩体水力压裂裂缝微震监测软件。在实验室内开展原煤真三轴水力压裂实验,将采集的数据输入软件,进行波形到时拾取与破裂源定位,验证该软件的可靠性与先进性。结果表明：该软件可拾取波形的精确到时,进行破裂定位,达到了刻画煤岩体水压裂缝空间形态的目的,这对于现场水力压裂裂缝监测及优化设计压裂方案具有重要意义。     

煤岩体压裂损伤突变演化模型的研究

煤岩与其他普通岩石的力学性能明显不同。为了描述煤岩体压裂岩体突变形成裂缝以及裂缝的扩展问题,基于突变理论定义了损伤变量,并建立了岩体突变过程的能量释放计算模型。基于能量守恒原理,建立了突变后微裂缝扩展的能量方程。通过对黑龙江省鸡西煤矿张晨矿区西三采区煤样在不同压裂阶段缝内流体净压力和微裂缝扩展规律的观察分析,得到由于岩体物性参数不同微裂缝开始破裂的时间也不同,为后续裂缝演化内在混沌特征的研究提供了依据。     

煤岩体水力压裂增透技术工艺参数研究

为了解决低透气性煤层中的瓦斯预抽,以及增大有效抽采半径,在提高煤层透气性的同时改善瓦斯预抽效果,在李子垭南二井进行了水力压裂增透试验。在分析煤岩体水力压裂增透机理的基础上,结合现场试验数据,总结了影响水力压裂、增加煤层透气性的工艺参数,并确定了系统工艺参数和钻孔施工工艺参数的范围,可为今后推广水力化技术措施提供参考。     

煤岩体水力压裂过程视电阻率响应实验

为了探索水力压裂半径的有效考察手段,进行了小尺度煤岩体水力压裂过程视电阻率响应实验。分析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实验系统,在此基础上,研究了水力压裂过程煤岩体视电阻率的响应特征规律。研究表明,由于压力水的参与以及煤岩体自身结构的破坏能够引起内部电流场分布状态的改变,引起了煤岩体视电阻率的变化;水力压裂实验中,煤岩体视电阻率具有较好的响应,水力压裂影响区域煤岩体视电阻率会出现显著变小的现象;视电阻率在空间上的分布不是均匀的,试样不同位置的视电阻率在时间上的演化也不是同步的,视电阻率的响应与煤岩体内部裂隙及压力水的分布及演化密切相关。     

水力冲孔物理模拟试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统和旋转高压水冲孔物理模拟试验装置,开展不同冲孔转速下的水力冲孔物理模拟试验,对水力冲孔过程中的冲出煤量,冲孔后的孔洞形态及抽采过程中气体压力、流量等参数的动态演化规律进行探讨。结果表明:水力冲孔后的孔洞尺寸较大,横截面仍近似呈圆形,表面出现大小不一的槽缝,同时随着冲孔转速的提高,冲出煤量和冲孔后的孔洞等效半径整体呈增加趋势;水力冲孔后的瓦斯抽采与冲孔前相比,相同位置测点的气体压力下降速度更快,气体流量更大,卸压增透效果明显。     

岩体水力定向压裂技术研究

水力压裂是高效破岩技术之一,在煤岩层增透、卸压控制等方向应用较多。但是,目前就煤岩体定向压裂控制方向的研究相对较少。为突破常规煤岩体压裂限制,本文研究水力破岩压裂技术的可控性及适用性。为分析水力压裂的定向控制性,开展了理论和数值分析。结果表明,在λ1时,起裂、扩展压力随λ增加而增加,在λ1时起裂压力、扩展压力随λ增加而减小,主裂纹沿最大主应力方向扩展;在近似等围压条件下,定向控制裂纹可以引导和控制破岩主裂纹的扩展,且定向控制裂纹与最大主应力的方位角越小,定向控制裂纹对主裂纹引导作用越明显。基于理论和数值分析结果,可知水力定向压裂技术具有较好的应用价值。     

基于物理模拟的断层区煤岩体破损空间演化规律

断层区开采扰动下煤岩体破损演化复杂,基于清水营煤矿地质特征构建物理相似实验模型;集成声发射、覆岩变形监测、热红外成像等实验手段,研究了断层区域煤岩体结构在开采扰动下断层上下盘运移、破坏特征及应力应变空间演化规律。研究表明:受剪切滑移诱发断层活化的距离为20 m;过断层期间,受采动影响断层区覆岩结构呈"弧形拱"破坏,垮落高度在12~18m(平均高度15 m)、断裂带高度约75 m;断层内外声发射特征差异性显著,断层下盘覆岩受开采扰动,向采空区滑动,顶板来压剧烈,呈高应力集中载荷,声发射AE信号活跃,能率和事件数分别达到704 977.96和25 370。     

煤岩水力压裂物理试验研究综述及展望

水力压裂物理模拟是对压裂过程中裂隙演化及其动力学过程的近似再现,成为了煤岩压裂机理研究的重要手段。相似理论是现场原型与试验模型转换的理论基础,试验装置和相似材料是物理模拟试验的物质前提,监测方法及检测技术是评价水力压裂致裂效果的关键部分,从以上3点对水力压裂物理试验的相似理论发展、试验材料和装置的演变、常用监测检测方法的特点和适用范围等方面进行了总结。分析认为：水力压裂的相似准则已经初步成形,但需要结合煤岩物理力学特性进一步修正,并利用数值模拟手段探究相似准则推导中忽略的次要因素影响程度,提高经验方程的可靠性与适用性;针对煤岩的多种物理力学性质,现阶段已得出许多相似材料的经验配比方程,但仍需要一套详尽的配比试验规范及大量试验尝试,提升试验的可重复性,以建立更具普适化的相似材料配比经验方程数据库;压裂装置正向着模拟条件更多、模拟范围更广、模拟尺度更大的多场耦合方向发展,压裂方法也随着工程应用逐渐多样化,但压裂装置三轴加载精度有待进一步提高,以保证高应力条件下压裂试验的有效进行,降低试验操作对最终结果的影响;监测方法与检测技术对水力压裂致裂效果的评价各有优势,相似材料对监测方法与检测技术的...     

岩体水力定向压裂技术的研究

水力压裂是高效破岩技术之一,在煤岩层增透、卸压控制等方向应用较多。但是,目前煤岩体定向压裂控制方向的研究相对较少。为突破常规煤岩体压裂限制,本文研究水力破岩压裂技术的可控性及适用性。为分析水力压裂的定向控制性,开展了理论和数值分析,理论分析和数值分析结果相一致,在λ<1时,起裂、扩展压力随λ增加而增加,在λ>1时起裂压力、扩展压力随λ增加而减小,主裂纹沿最大主应力方向扩展;在近似等围压条件,定向控制裂纹可以引导和控制破岩主裂纹的扩展,且定向控制裂纹与最大主应力的方位角越小,定向控制裂纹对主裂纹引导作用越明显。基于理论和数值分析结果,可知水力定向压裂技术具有较好的应用价值。     

沿煤高压水力压裂试验与效果

为了进一步探索防治冲击矿压的治理方法,减少冲击矿压对千秋煤矿的威胁,千秋煤矿在研究煤矿井下钻孔高压水力压裂技术时,通过采用电磁辐射仪、微震系统、钻屑法等监测技术,分析得知,高压水力压裂过程中,煤体不断破裂,应力不断释放,应力集中区域应力得以解除,从而达到了冲击矿压的有效防治,同时该技术具有增透、消突、降尘、阻止自然发火等多项功能,实测证明高压水力压裂是煤矿灾害综合治理技术的一种行之有效的方法。     

煤储层水力压裂破裂压力影响因素数值模拟研究

为提高煤层气井的压裂效率,通过利用ANSYS有限元软件,模拟了煤层气井压裂过程中的降低煤层破裂压力的各种途径和方法,研究建立了套管射孔完井的应力计算模型,并计算了模拟煤岩破裂压力,分析了射孔长度、孔径、煤岩的泊松比与杨氏模量、地层深度等对煤岩破裂压力的影响。模拟结果表明,当射孔长度和射孔孔径分别控制在1 m左右和15 mm左右的情况下,有利于降低煤岩的破裂压力;较低的煤岩泊松比在一定程度上有利于减小破裂压力;煤岩杨氏模量对破裂压力的影响不大;而煤层的深度越大,其破裂压力受水平主应力差的影响越小。     

岩体水力劈裂试验研究

岩体水力劈裂是由于水压升高引起岩体中裂隙发生与扩展的物理现象,通过实验室试验对岩体水力劈裂机理进行初步研究．采用高压渗流-应力耦合试验仪对以水泥砂浆作为岩石相似材料的厚壁圆筒试件进行水力劈裂试验,研究了试件破坏的形式和发生水力劈裂破坏的条件．并通过对试验资料的统计分析提出了试件破坏发生的判断依据,探讨了试件在不同压力环境下水力劈裂破坏的机理．通过理论分析,对试验成果进行了初步的分析,并就试件水力劈裂破坏型式与土体试件试验成果进行了比较．     

煤岩体高压磨料水力割缝基本规律的试验研究

采用定向水力致裂技术控制坚硬顶板的效果随水力割缝预割缝槽长度的增加而增强，为进一步研究添加磨料后的水力割缝效果，采用高压磨料水力割缝试验系统，对煤岩体磨料水力割缝基本规律进行了试验研究，分析了泵注压力、割缝时间、磨料浓度和岩性变化对磨料水力割缝效果的影响规律。试验结果表明：割缝深度随泵注压力基本呈线性增加；随着割缝时间延长，割缝深度不断增大，但超过有效割缝时间T后，割缝深度不再变化；特定割缝参数条件下，磨料浓度越接近3.4%时，割缝深度越接近极限深度；同一材料不同影响因素下割缝宽度基本无变化；割缝效果( 割缝深度、宽度 )随岩石强度、结构致密性的增大而变弱。研究结果可为优化现场磨料水力割缝施工参数设计提供参考。     

煤岩体定向圆形孔楔形切槽水力压裂起裂分析研究

为了研究煤矿井下水力压裂初始裂纹起裂条件和起裂方向,在线弹性断裂力学的基础上,建立了圆形孔楔形切槽水力压裂断裂力学模型,模型切槽长度与钻孔直径接近,综合计算分析了水力压裂裂纹尖端应力强度因子。根据切槽尖端应力强度因子,运用复合型裂纹脆性断裂的最大环向拉应力理论,分析了裂纹在地应力场以及高压水下的起裂条件和起裂方向,给出了相应的计算方法。结合古书院矿15号煤的岩石力学参数和地应力场数据,计算出裂纹起裂压力17.6MPa,起裂角度12.8°。并且在古书院矿153303工作面进行了现场工业性实验,现场实际起裂压力与理论计算结果比较接近,从而验证了理论分析的可行性。     

煤储层水力压裂技术新进展

概述了煤储层的物性特点,增透改造的发展历程,裂缝起裂、扩展、延伸等研究进展;介绍了国内外压裂装备现状,列举了国内主要产品;分析了重复、多层、薄层、通道、水力喷射逐层、体积压裂等新技术的特点;阐述了压裂液污染环境的形式。建议发展环保、区域化水力压裂技术,装备朝着国产化、自主创新型发展,争取使用清洁、环保型压裂液。     

泵注排量对煤储层水力压裂影响的试验研究

为了研究煤储层中单孔不同压裂液排量、不同压裂次数对水力压裂效果的影响机理,运用水力压裂试验装置和压裂泵,以相似材料试件为压裂对象,开展了变压裂液排量、不同压裂次数条件下的水力压裂试验。试验结果表明,压裂液泵注排量越大,破裂压力越大,破裂时间越小,水力裂缝与出水孔间的夹角越大;在进行第1次压裂时,水力裂缝形态呈椭圆状,第2次压裂时裂缝的扩展路径与试件内部缺陷、破裂面特征息息相关。     

超临界CO_2压裂下煤岩体裂缝扩展规律试验研究

为了掌握超临界CO_2(简称SC-CO_2)压裂煤岩体的起裂及裂缝扩展规律,采用TCHSFM-I型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置进行试验,同时采集压裂孔内压力和表面裂缝数据并结合理论分析。结果表明:超临界CO_2压裂煤岩的压力时间曲线可分为4个阶段:空腔充填阶段、孔隙增压阶段、相变增压阶段和破坏失稳阶段;其中煤和砂质泥岩起裂压力分别为12.32、19.63 MPa;煤Biot系数0.91、脆性系数16.95%、弹性模量3.48 GPa,产生平行层理的水平裂缝;砂质泥岩Biot系数0.69、脆性系数47.53%、弹性模量10.52 GPa,产生垂直层理的贯通性复杂裂缝。可见SC-CO_2压裂下煤岩裂缝起裂扩展集中于破坏失稳阶段,起裂压力较小且为水力压裂的65%～70%,煤相比于砂质泥岩,由于其层理等弱面发育、Biot系数大、弹性模量低、脆性系数小,未产生贯通性的复杂裂缝。     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。