非均质性煤层水力压裂增透技术与效果分析.pdf
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1、第 8 期 山 西 焦 煤 科 技 No.82023 年 8 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyAug.2023试验研究收稿日期:2023-05-09作者简介:梁建国(1982),男,河北石家庄人,2017 年毕业于中国矿业大学,助理工程师,主要从事煤矿开采技术管理工作(E-mail)15966757654 非均质性煤层水力压裂增透技术与效果分析梁建国(山西新元煤炭有限责任公司,山西晋中045400)摘要针对新元煤矿 3 号煤层水力压裂增透技术的工程应用,采用 RFPA2D-Flow 模块结合Weibull 分布函数建立非均质条件下的水力压裂双孔模型,
2、并分析了裂缝的扩展规律与双孔布置间距。结果表明:裂缝沿水平应力方向进行扩展,并受制于非均质性而发生偏移。通过声发射判断 9 m钻孔布置间距最为合理。实施水力压裂技术后瓦斯抽采浓度提升了 3.6 倍,抽采流量提升了 3.0 倍。关键词瓦斯抽采;水力压裂;双孔布置间距;非均质性中图分类号:TD712.6文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)08-0014-041工程概况新元煤 矿 拟 开 采 3 号 煤 层,煤 层 埋 藏 深 度 为450.5498.0 m.煤层走向长度 2 162.7 m,倾斜长度219.8 m,平均厚度 2.2 m,平均倾角 4.预测在构造范围内 3 号煤层瓦
3、斯含量增大,绝对瓦斯涌出量为33.68 m3/min,相对瓦斯涌出量为 8.82 m3/t,煤尘具有爆炸危险性。为保证矿井工作面的安全生产,强化瓦斯抽采效果,拟采取水力压裂技术增强煤层渗透率。因此,以新元煤矿 3 号煤层为研究对象,对水力压裂裂缝的扩展机理与布置参数进行研究,并进行现场技术实验。2双孔条件下裂缝扩展规律水力压裂技术作为煤层瓦斯抽采增透技术是利用高压水促使煤层中的弱面发生张拉破裂,增加煤层的渗透率1-2.为探究水力压裂技术双孔作用下的裂缝扩展规律,采用 RFPA 数值模拟软件进行建模分析,RFPA 软件相较于传统的工程数值模拟软件可以更好地模拟岩石破坏过程,并且对于流固耦合模拟与
4、非均质、各向异性模拟的建模与求解更为开放。采用RFPA2D-Flow 模块,建立非均质煤储层,模拟水力压裂裂缝的扩展延伸过程3.2.1考虑非均质性的水力压裂数值模型建立双孔条件下的水力压裂钻孔数值模型,设置模型尺寸为 30 m20 m,划分为 300200 个单元格,压裂钻孔直径设置为 100 mm,模拟水压为 5 MPa,随着计算步长增长幅度为 0.5 MPa.根据 Biot 有效应力理论作为流固耦合计算原理,模型单元节点破坏时符合最大拉应力与摩尔库伦准则。模型的四周边界设置为应力边界条件,垂直应力为 8 MPa,水平应力为 6 MPa.为模拟煤储层的非均质特性,假设煤体材料参数符合 Wei
5、bull 概率密度分布,其分布函数如式(1)所示:f()=0()(-1)e-0()k(1)式中:为材料的物理参数;0为材料参数的平均值;为分布函数参数,其数值代表材料的均质度。根据新元煤矿煤体测试参数,选用数值模拟参数见表 1.2.2裂缝扩展规律分析对数值模拟模型进行计算分析,绘制不同注水压力条件下的水力压裂最大拉应力云图,见图 1.由图 1 可知,当注水压力达到 6.5 MPa 时,钻孔周围出现明显的应力集中,受地层偏应力的影响,最大拉应力主要分布在钻孔的左右两侧。当注水压力持续增加到 11.0 MPa 时,钻孔两侧在应力集中的影响下发生尖端张拉破坏,此时钻孔周围的最大拉应力范围向外延伸,在
6、两孔中间出现应力叠加区。当注水压力为 18.0 MPa 时,受钻孔中部应力叠加区的影响,裂隙向中部的延伸程度大于向外边界的延伸程度。注水压力在 10 20 MPa 时,属于裂隙的稳定扩展阶段,在煤层非均质性的影响下,裂隙的扩展具有一定的倾角,最终并未形成贯通联系。为探究水力压裂钻孔的合理布置间距,拟对不同布置间距下的双孔裂缝扩展规律进行研究。表 1数值模拟参数表模拟参数均质度弹性模量/GPa内摩擦角/()抗拉强度/MPa压拉比残余强度系数Biot系数渗透系数/(m d-1)泊松比孔隙率拉应变系数压应变系数孔隙水压力/MPa数值4.00.523.00.430.110.10.30.11.52005
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