演马矿顶板抽采巷水力压裂增透技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 刘传义 . 指 导 教 师 王思鹏 教授级高工、刘明举 教授. 学 位 类 别 工学硕士 . 专 业 名 称 矿业工程（安全技术及工程） . 研 究 方 向 矿山安全技术及工程 . 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二二○○一二年六月一二年六月 演 马 矿 顶 板 抽 采 巷 水 力 压 裂 技 术 研 究 演 马 矿 顶 板 抽 采 巷 水 力 压 裂 技 术 研 究 刘 传 义 刘 传 义 河 南 理 工 大 学 河 南 理 工 大 学 演马矿顶板抽采巷水力压裂增透技术研究演马矿顶板抽采巷水力压裂增透技术研究 万方数据 中图分类号中图分类号 密密 级公开级公开 UDC 单位代码单位代码10460 演马矿顶板抽采巷水力压裂增透技术研究演马矿顶板抽采巷水力压裂增透技术研究 Technology Study on the Hydraulic Fracturing with Improving permeability in Yan Ma Mine 申请人姓名申请人姓名 刘传义刘传义 申请学位申请学位 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 矿山安全技术及工程矿山安全技术及工程 导导 师师 王思鹏王思鹏 职职 称称 教授级高工教授级高工 副副 导导 师师 刘明举刘明举 职职 称称 教授教授/博导博导 提交日期提交日期 2012.4 答辩日期答辩日期 2012.6 河南理工大学 万方数据 河南理工大学河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何 其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 I 致致 谢谢 时光荏苒，一转眼就要离开这个美丽的校园，在这里神圣的地方有太多太多 美好的记忆。四年的本科，三年的研究生学习生涯，这所充满着人文气息以及学 术气息的学府，教会了我们太多的东西。让我们可以无悔的离开这里。也许有遗 憾也许还有很多事情没有做。但是都不重要了，因为一段新的生活将要开始。 在这里三年的学习生涯中，导师王思鹏教授和刘明举教授在学习和生活上给 予了我们很多的关心和照顾。教会我们如何做学问如何思考做人的道理。毕业拿 到毕业证书在现在看来都是浮云，因为有太多的东西，都不是靠它来证明什么。 在这里特别感谢两位老师的培养和教诲。传道解惑授业你们让我们在这三年里， 无论是从煤矿井下的实习还是生活中的言传身教，我们都明白了不少东西。在这 里表示感激不尽。祝福两位导师身体健康工作顺利。 感谢安全科学与工程学院赵发军、刘彦伟、王云刚、郝富昌、王登科等所有 老师对我的培养。从论文选题、收集资料、现场实施、撰写，他们都给予了大量 的指导与帮助。在此特向各位老师表示最衷心的感谢和最崇高的敬意 感谢河南煤层气开发利用有限公司矿山工程部的孙明闯经理、翟连矿经理、 技术人员乔亚卫、李博以及演马矿的通房科全体人员等在水力压裂现场试验过程 中以及资料搜集过程给予了莫大的帮助，在此，作者表示衷心地感谢 特别要感谢我的父亲和母亲，家人对我一如既往的支持，是我不断前进的强 大动力和坚实后盾。 感谢那些和我一起度过这七年学习生涯的兄弟姐妹们，是你们让我的这几年 生活有了回忆有了念想。 最后，诚挚感谢各位评审及答辩委员会老师于繁忙之中抽出宝贵时间审阅我 的论文，热切期待您的指导。 万方数据 I 摘摘 要要 本文利用理论分析、数值分析和现场试验相结合的方法，在前人研究的基础 上针对演马庄矿顶板抽采巷低渗透、高瓦斯及高压力的具体特点，通过对定向压 裂增透技术进行了深入系统的研究，得到以下几个方面的有益研究成果 （1）通过建立本煤层和穿层条件下弱面扩展延伸的力学模型，分析次一级裂 隙弱面扩展延伸需要满足的力学条件，是有效注水压力必须克服原岩应力和裂隙 弱面处抗拉强度的综合作用。并进一步分析阐述了次级弱面分别在原一级弱面空 间边缘端部以及沿原一级弱面充水空间壁面上发生起裂的力学条件。 （2）结合钻孔围岩的应力分布状态，研究了低渗透煤层的致裂机理和高压注 水裂缝起裂和扩展延伸机理。 （3）以演马矿试验煤层的现场数据为基础，利用 RFPA2D软件从煤层的不同 埋深对煤层压裂透气性进行了分析，根据计算结果，分析了不同埋深下，不同增 透范围对增透效果的影响。 （4）并根据演马矿顶板抽采巷的特点设计了有效的压裂方案，压裂后改变了 之前透气性低、抽采困难等问题，取得了较好的抽采效果。 关键词关键词起裂机理；低渗透性；水力压裂；RFPA2D 万方数据 III Abstract This study of directional hydraulic fracturing pressure in the Yanma mine，using theoretical analysis, numerical analysis and field test a combination of s, based on the existed research results. Through a systemic and in-depth study on low permeability, poor ventilation and high gas of Yanma mine, we obtain the following beneficial results 1 According to that establish the mechanical model of the working seam and crossing seam, and illustrating the condition of next-level crevasse extension. We know that injection pressure must greater than original rock stress and tensile strength in weakened coal if want to expand the next-level crevasse. 2 Based on the stress distribution condition of drilling, we studied on the crack mechanism of low permeability coal, and the expanding and cracking mechanism when it gives a high injection pressure. 3 We use RFPA2D numerical software to analysis fracture and increased range of the permeability indifferent depth. According to the numerical calculation results, we get the fracture pressure and reasonable range of water pressure of hydraulic fracturing. 4 Base on the data tested in Yanma mine, we have designed the effective hydraulic fracturing plan for Yanma mine, Achieved effectual gas extraction results Keywords Fracturing mechanism; low permeability; hydraulic fracturing; RFPA2D 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................. I 1 引言引言 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究的目的及意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 1 1.2.1 煤层增透技术研究现状 ........................................................................................................ 1 1.2.2 水力压裂增透技术研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 存在的问题 ............................................................................................................. 4 1.4 主要研究的内容及研究路线 ................................................................................. 5 2 煤层物理力学特征及水压致裂机理煤层物理力学特征及水压致裂机理 ....................................................................... 7 2.1 煤分层和煤层的力学特征及渗透率特点 ............................................................. 7 2.1.1 煤分层的力学特性及渗透率特点 ........................................................................................ 7 2.1.2 煤层的力学特征及渗透率特点 ............................................................................................ 9 2.2 煤层压裂过程的定性分析 ................................................................................... 10 2.3 煤层钻孔的围岩特征及起裂机理 ....................................................................... 12 2.3.1 本煤层中沿层钻孔的起裂机理分析 ................................................................................... 12 2.3.2 本煤层中沿层钻孔的起裂机理分析 ................................................................................... 13 2.3.3 穿层钻孔的起裂机理分析 .................................................................................................. 16 2.4 煤层水力压裂裂隙弱面的扩展延伸机理 ........................................................... 18 2.4.1 煤层裂隙弱面的压裂过程分析 .......................................................................................... 18 2.4.2 弱面扩展的力学分析 ........................................................................................................... 19 2.4.3 弱面端部扩展延伸方向的特点 .......................................................................................... 21 2.5 水力压裂的卸压增透作用 ................................................................................... 21 2.6 本章小结 ............................................................................................................... 22 3 试验矿井及试验区概况试验矿井及试验区概况 ......................................................................................... 23 3.1 实验矿井概况 ....................................................................................................... 23 3.1.1 交通位置及隶属关系 ........................................................................................................... 23 3.1.2 井型、开拓方式及生产能力 .............................................................................................. 23 3.1.3 地质概况 .............................................................................................................................. 24 3.1.4 通风及瓦斯 .......................................................................................................................... 25 万方数据 VI 3.1.5 煤层及煤岩特征 ................................................................................................................... 25 3.2 压裂试验区概况 ....................................................................................................26 3.2.1 工作面概况 ........................................................................................................................... 26 3.2.2 水文情况 ............................................................................................................................... 27 3.2.3 瓦斯地质情况 ....................................................................................................................... 27 3.3 本章小结 ...............................................................................................................27 4 水力压裂增透的数值水力压裂增透的数值实实验验 ......................................................................................29 4.1 数值模型的建立 ...................................................................................................29 4.1.1 计算模型 ................................................................................................................................ 29 4.1.2 数值计算方案 ....................................................................................................................... 30 4.1.3 模型参数的确定 ................................................................................................................... 31 4.2 水力压裂煤层增透数值分析 ...............................................................................31 4.2.1 不同的埋深煤层下的模拟实验 ........................................................................................... 32 4.3 本章小结 ...............................................................................................................35 5 水力压裂设计与压裂试验水力压裂设计与压裂试验 ......................................................................................37 5.1 水力压裂设备选型 ...............................................................................................37 5.1.1 装备连接 ............................................................................................................................... 38 5.2 煤矿井下水力压裂工艺研究 ...............................................................................39 5.2.1 压裂压力 ................................................................................................................................ 39 5.2.2 压裂时间控制 ....................................................................................................................... 40 5.3 水力压裂工艺流程 ...............................................................................................40 5.4 水力压裂试验 ........................................................................................................41 5.4.1 压裂钻孔情况 ........................................................................................................................ 41 5.4.2 压裂试验过程 ........................................................................................................................ 42 5.5 压裂效果分析 .......................................................................................................43 5.6 本章小结 ...............................................................................................................45 6 结论与展望结论与展望 ..............................................................................................................47 6.1 结论 .......................................................................................................................47 6.2 展望 ........................................................................................................................47 参考文献参考文献 ......................................................................................................................49 万方数据 VII 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 53 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 55 万方数据 1 引言 1 1 引言引言 1.1 研究的目的及意义 煤炭产业作为我国的基础发展产业，煤炭资源在我国社会发展中有着不可替 代的重要地位。而煤炭在我国一次性能源消费构成中占据到 70，据估计到 2050 年仍将占到 50以上[1]。我国富煤、贫油、少气等这些特点决定了我国煤炭的重要 地位[2]。因此未来煤炭也将会是我国占据支配地位的主要能源之一。 煤矿安全问题已经成为制约煤炭工业的可持续发展的最大的问题，在煤矿安 全事故中，导致人员伤亡和经济损失最严重的灾害就是瓦斯灾害事故，特别是瓦 斯突出事故。河南是全国重要的煤炭基地，煤炭资源储量达 1128 亿吨，矿井数量 八百多个，煤炭年产量近 2 亿吨，居全国前三[3,4]。由于河南省境内多数煤田成煤 时期长，经历了多个时期构造运动，煤体构造破碎严重，瓦斯富集区大多是碎粒 煤和糜棱煤储层， 以焦作矿区单一突出厚煤层、 豫西“三软”突出煤层和平顶山煤层 群发育具有代表性，Ⅲ、Ⅳ类煤所占的比例达 70以上，煤层透气性差，大多数 在 0.01 ㎡/（Mp2 d）以下[5]。随着我们认识的不断深入，对煤储层的认识也越来 越多。由于长时间的地壳发展运动，导致地质构造也变得越来越复杂。使得煤储 层表现出低渗透、高瓦斯压力、非均质行等一些特征。由于中国沉积盆地深部变 化比较大，而且一些具有高突出矿井单一的煤层占大多数，很不利于开发保护层， 煤层硬度非常低，利用常规的抽采方法，抽采瓦斯的效率很低[6]，针对煤层的这些 特点，尽管现在已经采用了多种技术手段，但是煤层瓦斯抽出率仍然低于 35， 不能满足矿井的增透卸压目的。煤层瓦斯既是煤矿灾害的头号杀手，同时它又是 一种清洁可利用开发的能源。开发煤层气资源对调整我国能源消费结构是具有重 要战略意义的。此外，瓦斯导致的温室效应是二氧化碳的 22 倍，如何改变煤层透 气性，提高瓦斯抽采利用率，变废为宝，变害为利是我们现在亟需面对的问题。 目前煤矿现在有的瓦斯治理技术和装备设施越来越难以满足瓦斯煤矿的实际 需要。面对煤层透气性差，抽采难度大，抽采效率低，抽放孔经常出现塌孔，抽 采难以有效实施到位等困难。现在是亟需探索出合适煤矿瓦斯综合治理的新技术， 以便在突出煤层的卸压与增透上有所进展。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤层增透技术研究现状 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 目前对于突出的各种认识中，被广泛接受的是综合作用假说。综合作用假说 认为突出是煤的物理力学性质、地应力和瓦斯三者共同作用的结果。在这三个影 响突出的因素中，如果可以消除或者减弱任何一个都会对降低突出危险产生影响。 一直以来对于高瓦斯低透气煤层的卸压增透技术分为两个方向。一是自煤层 外卸压增透，如开采保护层等，这个技术已经发展的相当成熟，有着不错的应用； 还有就是对于不能开发保护层的在煤层内进行卸压增透，由于煤层瓦斯的抽采主 要受煤层透气性系数的控制，只有改变煤层透气性系数才能提高抽采效率。我国 在七十年代开始，对高瓦斯低透煤层进行了许多卸压增透探索研究，也取得了一 定的研究成果。随着增透技术的不断前进发展，出现了许多水力化措施的应用。 如水力冲孔[7]、 水力割缝[8-12]、 水力挤出[13-16]和水力压裂等以水为处理瓦斯的手段。 水力冲孔可以使钻孔影响范围内的透气性增高、地应力降低、煤的强度增大 以及湿度增加，有助于瓦斯的解吸和排放。但是它的应用一般局限在 f 值不超过 0.5 的软煤层，施工工艺比较复杂而且冲孔用水量大，这种技术常常用在石门揭煤 或者自喷能力较强的煤层。 水力割缝能在一定程度上起到卸压增透的效果，但是由于难以实现钻割一体 化，使得割缝深度不够、保护距离短，由于是人工割缝，实施起来工程量非常大 成本也高。 水力挤出是通过向采掘工作面打超前钻孔，封孔后利用高压将大量的水注入 煤层挤压钻孔壁。使钻孔周围的煤体应力升高，破坏煤体结构，煤体前方应力集 中带会发生移动并且卸压带也会增宽。但是在实施的过程中工作面瓦斯经常超限， 而且容易诱发突出，给水力挤出技术人员的安全带来威胁，特别是水力挤出只能 用在采掘工作面上。 水力压裂能在不适合水力冲孔的硬煤体以及下向孔效果差的煤层中使用，通 过高压水的作用，让煤层裂隙之间形成相互贯通的网络通道。达到增加煤层透气 性、改变煤层渗透率和提高瓦斯抽采量的目的。 1.2.2 水力压裂增透技术研究现状 煤层水力压裂源自油气田开发所用的水力压裂技术[17]，即以大于地层滤失速 率的排量将地层注入高压流体，并携带一定的支撑剂，劈开地层，形成具体渗流 能力的裂缝，提高油气井的产量。目前油气田水力压裂的发展方向是以重复压裂 技、薄层控制缝高，端部脱砂、低渗储层深穿透、连续油管压裂、高强度低密度 万方数据 1 引言 3 支撑和低伤害压裂液等技术为主导。 1947 年在美国堪萨斯州 Hugoton 气田，世界上第一口煤层气压裂井 Kelpper 1[18,19]井成功的实施水力压裂，因此拉开了煤储层水力压裂增透技术研究的序幕。 作为煤层气开采方法的一种有效的增产手段，它是利用地面水动力在井眼形成高 压[20]，当井底压力超过煤层抗压强度后，煤层破裂或裂缝张开受围岩遮挡制约， 裂缝被限制在一定范围内；在横向上，受煤层结构影响，裂缝沿煤层主裂缝和次 裂缝方向同时延伸；受煤层应力和裂缝发育条件影响，主裂缝沿主应力方向延伸 较长，次裂缝也在一定范围延伸。压裂最终结果在有限范围的煤层内，人造裂 缝将煤层原生和次生裂缝有效连通，在煤层中形成大量大型裂缝和微裂缝，通过 支撑裂缝和裂缝效应改善煤层的渗流特性，提高煤储层导流能力[21-23]。 20 世纪六七十年代逐渐发展了高压水力压裂技术，在高排量下注入煤层来增 加渗透性，证实为有效的、经济的作业方法。同时水力压裂也由简单的、低液量、 低排量压裂增产方法，发展为高度工程考虑的大排量高压水力压裂方法。而随着 生产的进行，水力压裂技术携砂能力较差、对于低压储层返排能力等的缺点有所 暴露[24,25]。20 世纪八十年代后期，根据煤体对不同气体吸附能力的差异及各自特 点，发展了液氮泡沫加砂压裂技术，CO2加砂压裂技术等，并在一些地区收到较好 的效果。 目前采用水力压裂法增大采集对象所在储集层渗透率的研究，主要在地面钻 井进行油藏、油气藏和煤层气藏，以及地热开采研究中。此外，水力压裂岩土工 程方面立也有应用。尽管如此，由于这些都属于水力压裂范畴，仍对煤层水力压 裂技术的研究有着一定的指导和借鉴意义。 水力压裂作为增透措施应用于煤层则开始于前苏联，最早是由马凯耶夫煤矿 安全科学研究院提出，早在五、六十年代，我国抚顺分院就在阳泉、焦作、鹤岗 等局进行过试验研究，并取得了一定的成果，但后来由于种种原因水力压裂未在 全国范围推广。 目前采用水力压裂法增大采集对象在储集层渗透率的研究上，主要见于地面 钻井进行油藏、油气藏和煤层气藏，以及地热开采研究中。此外，水力压裂在岩 土工程方向也有应用。尽管如此，由于这些均属于水力压裂范畴，仍然对于研究 煤层中采用水力压裂技术有一定的借鉴意义。 国内外对水力压裂增透的研究主要在以下几个方向 1煤体结构及储层原始渗透率空间展布预测研究 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊沉积岩有机岩，其抗变形能力远 远低于其它岩石，在成煤作用过程后期，地质构造对煤层有不同程度的破坏作用 最终形成了不同的煤体结构类型。 煤体变形主要分为脆性和韧性两大类，并有相应的识别标志。脆性变形表现 为煤体发生破裂，形成裂隙，主要有断层、节理和裂隙，这与传统的地质构造类 似，但由于煤的力学强度低，韧性大，易沿着煤层剪切滑动，王桂梁[26]（1994） 称之为顺煤层断层。Amomsov[27]、Macraeetal.[28]、Van Krevlen[29]、Stachetal[30]、 Gash et al[31]、Tyler et al.[32]、Close[33]、Law [34]、苏现波等对煤储层裂隙发育进行 了研究。认为内生裂隙即端割理和面割理是煤层气运移产出的主要通道，伴随着 中国在晋城无烟煤中实现了煤层气的商业开发，外生裂隙对煤层气开发的贡献才 被重新认识，从而打破了无烟煤是煤层气地面开发禁区的经验认识