水力压裂对瓦斯压力的影响效果研究.pdf

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1、4能源技术与管理2010年第6期doi：10．396％．issn1672—99432010．06002水力压裂对瓦斯压力的影响效果研究陈小奎(安徽理工大学理学院，安徽淮南232001)[摘要]在高瓦斯矿开采工作面，瓦斯压力对注水水头压力的选取有较大影响，利用RF—PA2D对水力压裂工作面进行建立模型，以现场实验数据进行数值模拟研究，获得合理的注水参数，提高煤层压裂效果。[关键词]瓦斯压力；水力压裂；数值模拟[中图分类号]TD712+．54[文献标识码]A[文章编号]1672-9943(2010)O6_O004_O2的有限变形、液相及气相之间的相互作用，来建

2、立0引言三相介质相互耦合时的失稳理论和数学模型及设随着煤层开采深度的增加，瓦斯的危害程度定以固相为宿主相的三相耦合介质的强度条件和日益增大。水力压裂是研究水压致裂过程中水在失稳条件。在以固相为宿主相的三相介质发生破煤层中的运移规律，以便在此基础上确定其工艺坏前，作如下假设⋯：①平衡及临界状态以前，固参数，更好地达到水压区域煤层能够得到发育的相骨架为准静态的；②流相在固相骨架中的渗流破裂，取得良好的湿润效果。水压过程中水在煤层服从达西定律；③气相为理想气体。中的运移问题，就是水在煤层孔隙一裂隙连成的煤层的应力平衡方程：通道中的流动，也可以说水在煤层中的运移问

3、题就由假设①，利用多相介质的动量守恒定律，得是水在煤层中的渗流问题。而在高瓦斯矿井中瓦斯到煤层的有效应力表示的平衡方程为：压力对注水压力的影响不可忽略。为了研究瓦斯4+ps一(尸)=0(1)压力对注水压力的影响，建立固、液、气的三相耦式中，s为固相骨架的有效应力，以拉应力合模型进行分析研究。为正；P为平均压力。压力P：JpS+(1-S)(2)1水力压裂数值模拟技术的机理式中，P，为液相压力；为气相压力；s为气煤体是一种裂隙与孔隙共存的准连续介质，相饱和度(假设气，液填满煤体空隙)。并且孔隙和裂隙中吸附着以甲烷为主的瓦斯气用Kirchhoff应力表示的平衡方

4、程为：体，在向封孔后的钻孑L内注入压力水后，瓦斯在水压力下压缩而产生不可忽略的压力，反过来影响隶蠢J一=0(3)煤体的水压致裂效果。另外煤体在水压下裂隙继式中，为Lagrangian坐标；为Eulerian坐续发育，孔隙也逐步连通形成裂隙，吸收水分，在标；p、p。为分别为现实构形和初始构形的煤体质保持水压不变情况下，瓦斯转移，在持续的注水时量密度；b为初始构形的外体力密度；s为固相有间内，煤体压裂和瓦斯逸出是一个不断变化过程。效的Kirchhof应力。2水力压裂力学模型的建立在变形多孔介质中的流相挣眭。根据假设②假设③流相在固相骨架中的渗流服从达西定律：煤

5、层可以看作包含多孔隙一裂隙的连续介V=-Lgrad(P)(4)质，煤层是三相耦合的宿主介质，压力水为耦合过．．程中的液相介质，瓦斯看作耦合过程的气相介质。式中，为相对于固相骨架的渗流速度；为根据多相连续介质力学论为基础，把煤层这种流体的动力粘性系数；K为介质的绝对渗透系数。多相连续介质抽象为叠台连续体，考虑固相骨架3水力压裂数值模拟过程与结果分析基金项目：安徽理I大学青年科学研究基金(QN200837)RFPA(RealisticFailureProcessAnalysis)真实2010年第6期陈小奎水力压裂对瓦斯压力的影响效果研究5破坏过程分析方法，为了

6、解决岩石破裂过程的分力随压力增加而增加，煤体破裂后由于瓦斯的溢析，采用有限差分法、有限单元法、边界元法、半解出，瓦斯压力随破裂的加剧减小，如图4所示。析元法、离散元法等数值模拟方法在全面解决复l00杂的岩土工程问题_2J。8O603，1数值模拟模型的建立40根据实验工作面实际尺寸，设计高6m，宽6m20的工作面模型，其中上下各有1m的岩层，RFPA001234模型采用120X120个单元，如图1所示。水压加压步数／步图4瓦斯压力变化图第二部分是固定注水压力，逐步增加瓦斯压力。得到声反射图，如图5所示。1一o01O()0H08图1数值模拟模型图器o0O6O0

7、04模型中材料属性如表1所示。(m02诅表1材料属性表3-2实验过程实验共分两部分：第一部分是固定瓦斯压力，逐步增加注水压力。在注水孔加入水头压力，初始压力4MPa，每步增量0．2MPa，共模拟20步，应力初始状态如图2所示。较如图3注水压力5．2MPa时应力图水压不断增加过程中，在达到压裂前瓦斯压