煤矿井下多孔联合压裂裂缝控制方法研究

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1、煤矿井下多孔联合压裂裂缝控制方法研究重庆大学博士学位论文学生姓名：宋晨鹏指导教师：卢义玉教授专业：矿业工程学科门类：工学重庆大学资源及环境科学学院二O一五年四月ApplicationofMultiple-boreholeHydraulicFracturingMethodtoControlCrackPropagationinUndergroundCoalMinesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringBySongChen

2、pengSupervisedbyProf.LuYiyuSpecialty:MiningEngineeringCollegeofResourcesandEnvironmentalScienceChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2015摘要高效抽采煤层气（瓦斯）是我国能源发展战略和煤炭安全生产的重大需求。我国煤矿区煤层气资源丰富，煤层气含量高，但大部分赋存条件复杂，煤层透气性极低，而传统技术增透效果有限，导致煤层气难以高效抽采和利用，同时煤炭开采时易发生瓦斯事故。近年来，水力压裂作为油气开采中一种重要的增产措施，被借鉴到煤矿井下强化煤层气抽采。但由

3、于煤系地层的地质条件与常规油气地层差异很大，采用油气地层压裂理论不能完全解释煤系地层的起裂及扩展问题。同时，在深部复杂煤层中，煤层具有高地应力、节理裂隙发育等特点，造成井下水力压裂时起裂压力大幅增加，水压裂缝扩展过程中极易受到干扰，致使煤层顶底板变形破坏，增透范围有限。因此，针对目前煤矿井下压裂理论研究及技术存在的上述问题。本论文在对煤体结构特征研究的基础上，建立了不同结构煤体的水压致裂起裂准则；通过分析煤岩层力学参数对水压裂缝扩展的影响，揭示了水压裂缝扩展至天然裂缝、煤岩交界面等非连续结构面时的扩展规律；通过研究孔隙压力对水压裂缝扩展的影响，提出了基于非均匀孔隙压力场的多孔联合压裂裂缝控

4、制方法；研发了多孔联合压裂技术工艺，优化了相关压裂参数并进行了现场试验。主要研究成果如下：①建立了不同结构煤体的起裂准则。针对目前在研究煤层水力压裂起裂问题时，单一假设煤体是弹塑性、均质和各向同性，未考虑煤体结构的多样性，无法反映不同结构煤体的起裂机理。本研究根据煤体宏观和微观结构特征，及在水压作用下的起裂特点，以原焦作矿业学院对煤体结构的划分方法为依据，将压裂煤体分为三类：原生结构煤体、碎裂结构煤体、碎粒及糜棱结构煤体。分别采用弹性力学、断裂力学和土力学揭示了这三类结构煤体的起裂机理，并建立了相应煤体的起裂压力计算模型。②揭示了煤岩体中非连续结构面对水压裂缝扩展的影响规律。采用理论分析结

5、合数值模拟的方法，分别了研究天然裂缝、煤岩交界面这两种具有代表性的非连续结构面对水压裂缝扩展的干扰机制。研究认为：对于天然裂缝对水压裂缝扩展的影响，主要由压裂裂缝与天然裂缝的相交角度、水平主应力差及天然裂缝的发育情况等因素决定。随着相交角或水平主应力差的增加,水压裂缝直接穿过天然裂缝扩展的趋势增大；天然裂缝尺寸越长，压裂裂缝越易沿天然裂缝扩展。而煤岩交界面对水压裂缝扩展的影响，主要由煤岩交界面与水平剖面的相交角度、水平主应力差、煤岩层弹性模量差异以及煤岩交界面的抗剪强度等因素决定。随着相交角或水平主应力差的增加，裂缝直接穿过煤岩交界面扩展的可能性增大；岩层弹性模量越大或煤层交界面的抗剪强度

6、越小，水压裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显。③揭示了孔隙压力场对水压裂缝扩展的控制机理。基于多孔弹性力学和Griffith应变能释放理论，理论研究了孔隙压力场对水压裂缝扩展压力和方向的影2D响，并利用RFPA-Flow数值模拟软件进一步分析了孔隙压力对水压裂缝扩展的诱导机制，研究认为：孔隙压力可以减小煤体中的有效应力，降低煤岩体的扩展压力；同时，孔隙压力梯度会直接影响水压裂缝扩展所需的能量，孔隙压力越大，水压裂缝扩展所需的能量越小，从而诱导水压裂缝沿高孔隙压力方向扩展。④提出了基于孔隙压力场的多孔联合压裂裂缝控制方法。研发出了多孔联合压裂工艺，该工艺主要由布孔工艺、封孔工艺及水力压裂工艺组

7、成，研制了适用于煤矿井下工矿条件的水力压裂封孔设备。基于Darcy渗流理论，对多孔联合压裂工艺中钻孔间距与保压注水压力、时间参数的匹配关系开展了研究，建立了关键参数的计算方法及步骤。在重庆松藻矿区逢春煤矿张狮坝扩区S11203下顺槽进行对比试验，试验结果表明：在2小时的压裂时间，煤矿井下多孔联合压裂技术较常规井下压裂相比，有效压裂范围提高40m以上，同时起裂及扩展压力均有所降低。对压裂后33天的瓦斯抽采情况统计发现，多孔