水力压裂对瓦斯压力的影响效果研究[1].doc

2010年第6期 能源技术与管理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R F-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]1672-9943201006-0004-02 0引言 随着煤层开采深度的增加,瓦斯的危害程度 日益增大。水力压裂是研究水压致裂过程中水在煤层中的运移规律,以便在此基础上确定其工艺参数,更好地达到水压区域煤层能够得到发育的破裂,取得良好的湿润效果。水压过程中水在煤层中的运移问题,就是水在煤层孔隙-裂隙连成的通道中的流动,也可以说水在煤层中的运移问题就是水在煤层中的渗流问题。而在高瓦斯矿井中瓦斯压力对注水压力的影响不可忽略。为了研究瓦斯压力对注水压力的影响,建立固、液、气的三相耦合模型进行分析研究。 1水力压裂数值模拟技术的机理 煤体是一种裂隙与孔隙共存的准连续介质,并且孔隙和裂隙中吸附着以甲烷为主的瓦斯气体,在向封孔后的钻孔内注入压力水后,瓦斯在水压力下压缩而产生不可忽略的压力,反过来影响煤体的水压致裂效果。另外煤体在水压下裂隙继续发育,孔隙也逐步连通形成裂隙,吸收水分,在保持水压不变情况下,瓦斯转移,在持续的注水时间内,煤体压裂和瓦斯逸出是一个不断变化过程。 2水力压裂力学模型的建立 煤层可以看作包含多孔隙-裂隙的连续介 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。根据多相连续介质力学理论为基础,把煤层这种多相连续介质抽象为叠合连续体,考虑固相骨架 的有限变形、液相及气相之间的相互作用,来建立三相介质相互耦合时的失稳理论和数学模型及设定以固相为宿主相的三相耦合介质的强度条件和失稳条件。在以固相为宿主相的三相介质发生破坏前,作如下假设[1]①平衡及临界状态以前,固相骨架为准静态的;②流相在固相骨架中的渗流服从达西定律;③气相为理想气体。 煤层的应力平衡方程由假设①,利用多相介质的动量守恒定律,得到煤层的有效应力表示的平衡方程为δse Δρs -grad P 01 式中,δse 为固相骨架的有效应力,以拉应力 为正;P 为平均压力。压力P PP f SP g 1-S 2 式中,P f 为液相压力;P g 为气相压力;S 为气 相饱和度假设气,液填满煤体空隙。用Kirchhoff 应力表示的平衡方程为 鄣鄣X k S seli 鄣x i i 鄣鄣 ρs 0b s 0i -P 軈i 03 式中, X 为Lagrangian 坐标;x 为Eulerian 坐标;ρs 、ρs 0为分别为现实构形和初始构形的煤体质量密度;b s 0为初始构形的外体力密度;S 为固相有效的Kirchhoff 应力。 在变形多孔介质中的流相特性。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 V-K μgrad P 4 式中, V 为相对于固相骨架的渗流速度;μ为流体的动力粘性系数;K 为介质的绝对渗透系数。 3水力压裂数值模拟过程与结果分析 RFPA Realistic Failure Process Analysis真实 基金项目安徽理工大学青年科学研究基金QN200837 doi10.3969/j.issn.1672-9943.2010.06.002 4 2010年第6期陈小奎水力压裂对瓦斯压力的影响效果研究 破坏过程分析方法,为了解决岩石破裂过程的分析,采用有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析元法、离散元法等数值模拟方法在全面解决复杂的岩土工程问题[2]。 3.1数值模拟模型的建立 根据实验工作面实际尺寸,设计高6m,宽6m 的工作面模型,其中上下各有1m的岩层,RFPA 模型采用120120个单元,如图1所示。 图1数值模拟模型图 模型中材料属性如表1所示。 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0.2M Pa,共模拟20步,应力初始状态如图2所示。 图2注水压力4MPa时应力图 注水孔注水压力达到5.2MPa时,煤体被较明显压裂,破裂半径达1.5m左右,煤体压裂,如图3所示。 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力随压力增加而增加,煤体破裂后由于瓦斯的溢出,瓦斯压力随破裂的加剧减小,如图4所示。 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。 图5声发射积聚图 3.3实验结果的分析 实验一表明,水力压裂的注水压力初始值45M Pa时,从应力图得到煤体破裂不明显,而瓦斯被渗流水挤压导致压力不断升高,5M Pa处于当前模型破裂临界点,煤体破裂导致瓦斯的溢出,瓦斯压力随着水头压力继续增加而减少,最终瓦斯压力高于注水前瓦斯压力。实验二表明,同等条件下,煤体瓦斯压力较高情况下,煤体微观破裂程度更大。与现场实验测得相应数据基本吻合。 4结论 水力压裂过程中瓦斯压力在煤体被压裂前,随水头压力增加而增加,越接近压裂临界状态瓦斯压力增加越急剧,煤体充分破裂后瓦斯压力减小,但仍高于注水前;瓦斯压力高的煤层更适宜使用水力压裂来挤出瓦斯。 [参考文献] [1]切尔内绍夫.水在裂隙网络中的运动[M].盛志浩,等, 译.北京地质出版社,1987 [2]唐春安.岩石破裂全过程分析软件系统RFPA[J].岩石 力学与工程学报,19975 [作者简介] 陈小奎1978-,男,吉林松源人,讲师,硕士,长期从事安全技术研究工作。 [收稿日期2010-07-01] 参数名称岩石参数煤体参数均质度52 弹性模量E/MPa150006500泊松比0.300.26 摩擦角3037 X方向围压/MPa33 Y方向围压/MPa6 6 5