松软煤层井下水力压裂致裂机理及应用研究

【摘要】：煤层气开发对于煤矿安全、资源回收、环境保护等方面具有重要意义。我国煤层气资源量大,但煤层渗透率普遍较低。低渗透率是煤层气规模化开发的主要瓶颈,因此煤层有效增透是煤层气开发亟待解决的问题。实践表明,采用水力压裂对中硬及硬煤层进行增透改造具有明显效果,但对于易发生塑性变形的松软煤层,其水力压裂裂纹起裂和扩展规律具有特殊性,尚缺乏理论支撑和实践经验。论文依托国家科技重大专项课题“低透气性煤层煤层气增产技术与装备”,综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟、现场试验等手段,针对松软煤层水力压裂致裂机理及应用开展了以下研究： (1)基于实验室试验开展了松软煤体在不同含水率条件下的物理力学特性及破裂特征研究,获得了松软煤体的变形破裂机制,为建立松软煤层水力压裂模型奠定基础。 (2)基于弹塑性力学与断裂力学理论,从变形、发生与扩展的角度将松软煤层水力压裂划分为煤层压密、裂纹起裂与裂纹扩展三个阶段,构建了松软煤层韧性起裂扩展的数学计算模型,初步获得松软煤层水力压裂裂缝起裂及扩展规律。 (3)基于颗粒流离散元数值模拟方法研究了松软煤层水力压裂裂缝扩展规律,获得了松软煤层煤体物理力学参数对压裂半径、裂纹最大开度、裂纹数量等压裂效果表征参量的量化影响效应。 (4)开展了松软煤层水力压裂工艺参数影响效应数值模拟研究,获得了流量、压力、时间等压裂工艺参数对松软煤层压裂半径、裂纹最大开度等的量化影响效应,为现场水力压裂工艺技术优化奠定基础。 (5)在松藻矿区渝阳煤矿开展了现场试验及验证,检验了松软煤层水力压裂增透效果,验证了水力压裂数学模型及数值模拟研究对松软煤层现场压裂的适应性和合理性。