缓解压力和刺激的煤储层液压开槽

文摘

煤层渗透率是影响天然气开采效率的关键因素之一,具有重要意义,以减少瓦斯煤矿煤与瓦斯动力灾害。水力割缝技术是一种有效的方法来刺激煤储层,但槽关键参数的选择对天然气开采效率有很大影响。出于这个原因,利用FLAC液压铣槽模型成立^{3 d}软件分析开槽前后应力分布。钻孔直径的影响,开槽宽度,和开槽长度在煤层减压。结果表明,开槽宽度对缓解压力有很大的影响的煤层,而井眼直径和槽长度没有明显的影响。基于数值模拟的结果,现场试验进行了Sangshuping第二煤矿。结果表明,煤层压力完全释放,导致煤层渗透率的提高。天然气开采效率,可以高度增强液压开槽。这个研究成果提供了指导依据高压水射流割缝技术与自适应选择槽参数在不同的地质条件。

1。介绍

作为中国最重要的能源,煤炭在促进中国的经济发展中起着重要的作用[1]。为了实现资源的最大利用在煤炭生产过程中,资源开发模式的“煤气coexploitation”在中国已经形成(2,3]。然而,中国的煤储层具有共同特征气体含量高,气体压力高、低渗透,这也是导致煤层气产量低和困难在大规模发展。此外,瓦斯抽放的低效率也提高的直接原因气体动力学灾害的频率(4,5]。提高天然气开采的效率,国内外专家、学者一直把大量的努力在煤储层渗透率改善。广泛应用技术来提高煤层的渗透率包括深孔爆破分裂(6- - - - - -8),液压铣槽(9- - - - - -12],水力压裂[13,14),液压冲洗(15- - - - - -17)有限公司₂压裂(18- - - - - -20.),和注气21,22]。不同的技术都能够创建大量的骨折,骨折形成一个网络,可以促进气体迁移。然而,不同的技术的适应性煤层的赋存条件在某种程度上是不同的。

水力割缝技术是近年来发展迅速,这不能仅仅削弱或消除瓦斯灾害的危险,也改变了煤储层的物理属性实现缓解压力的双重影响,煤层的渗透性增强。因此,该技术已广泛应用于煤矿。杨et al。23)提出了一个方法使用高压水射流技术控制岩爆巷道岩爆控制的理论和分析在弱结构巷道的区域模式。然后,弱结构的影响规律区动态和static-combined负荷分析的数值模拟方法。结果表明,高压水射流割缝形成的不良区域可以有效地预防岩爆。Zhang et al。24和阴等。25),分别用实验和模拟方法来研究预防和控制机制的高压水射流切割岩石破裂。冯(26和陆等。27]研究了水力割缝技术的应用在岩石横切揭示煤。结果表明,水力割缝技术具有显著的优势在改善煤的瓦斯抽放效果,缩短时间在横切的发现,和水力割缝技术的应用在隧道煤揭露工程也证明了这个结论28]。林等。29日和陈等。30.]应用液压开槽技术在开挖工作面突出预防,和现场试验证明了水力割缝技术具有良好的减压和渗透率增加效果和有积极作用减少或消除突出危险的煤矿。这些研究结果提供了大量的参考例子水力割缝技术的推广和应用在煤矿。

液压开槽技术,开槽参数的选择有显著影响煤层的应力消除效果。魏(31日)模拟的形成由液压开槽减压区利用土坡软件和得出结论,煤层的有效开槽半径为0.5 m和最佳井距为5米。陆et al。32)指出,在同一煤层,槽之间的最佳距离是4米。张,邹33和程等。34)建立了预测模型的开槽深度和现场试验验证了其精度。如果et al。35)地质力学性能的影响,讨论了地应力、开槽形状、槽间距,和其他关键参数对槽的性能。陆et al。36,37]研究开槽的影响参数对断裂开槽后关闭软、硬煤炭。水井之间的间距也开槽参数的一个重要组成部分,以及钻孔之间的间距与开槽后的天然气开采半径直接相关。雪et al。38)采用thermo-hydro-mechanical耦合的模型来研究水力割缝技术在天然气开采的影响半径。通用电气等。39]利用COMSOL软件研究排水影响半径不同煤层条件下的开槽钻孔和实地测试。

液压开槽技术首先增加所产生的裂缝张开度煤层的压力的释放。压力的作用下,裂缝逐渐关闭,导致煤层的渗透性的降低40]。如何保护煤层的渗透性高,如何扩展的时期的核心问题是天然气开采效率高水力割缝技术的发展。因此,开槽参数的科学选择是至关重要的。在这篇文章中,FLAC^{3 d}数值模拟软件是用来模拟液压开槽。首先,钻孔周围的煤的减压效果开槽前后进行了探讨。其次,开槽的影响参数对煤层的应力消除效果进行了分析。最后,根据数值模拟结果的指导,液压铣槽现场试验进行验证改进的天然气开采液压开槽。本研究提供了理论支持开槽过程的优化和高效的天然气开采。

2。液压开槽的影响煤层的应力消除

2.1。模型建立和控制方程

开槽的形成钻孔后,井眼周围的应力集中将会发生。开槽后,井眼周围的煤炭损失和变形,从而缓解压力。为了研究开槽的缓解压力的影响煤层钻孔,本文选择了煤层为研究对象,采用快速拉格朗日分析连续数值模拟研究开槽前后的井眼周围的应力分布的影响,然后研究不同开槽参数对液压开槽减压的效果。仿真参数是基于物理力学参数的测试结果Sangshuping 2号3号煤的煤矿,如表所示1。

仿真采用二维模型,与大小8米×5米,直径100毫米。对称的开槽进行钻孔两边的中心,与部门由58×61总共3538台,和所有单位四边形相等单位。槽周围的网格是雅致。考虑到远场效应,网格划分与平等和不平等的间距。模型的左边缘采用对称边界,和右边缘采用位移边界。左边和右边的边界节点只允许沿垂直方向移动。较低的边缘设置位移边界,的水平和垂直位移均为零。上边缘采用压力边界,应用垂直压力是0.6 MPa。为了模拟液压铣槽的影响,平面槽的长90毫米,宽60毫米沿井眼的中心形成的。网格模型如图1。在模型建立之后,井眼的中心标记为坐标原点,和所有的点的应力和位移值X= 2厘米,Y= 2厘米测量线记录通过FLAC打印命令。模型的计算过程可以看到从图2。首先,应该建立合适的数学模型和几何模型根据问题然后网格几何模型,模型边界条件应该初始化。然后,计算初始条件,看看结果是合理的。如果计算结果不合理,则返回步骤1发现问题所在。如果结果是合理的,然后计算问题在预定条件下,看看结果是合理的。如果没有,返回步骤1,逐步检查每个步骤是否有问题和修改它。如果合理,计算完成后,可以导出数据和位。

模型的计算需要考虑以下假设:(1)模型是三维静力平衡条件;(2)岩石是一个均匀的各向同性弹塑性连续介质;(3)中的岩体塑性区符合莫尔-库仑强度准则。计算的控制方程模型如下[41]。

2.1.1。应力-应变方程

当模型导致小塑料菌株,然后写成的应力-应变关系 在哪里柯西应力张量,和应力和应变张量,是总应变张量,热膨胀张量,是四阶弹性张量。由于热作用被忽略, 。

根据变形连续性条件,总应变张量是写的位移梯度: 在哪里年代位移。

2.1.2。Mohr-Coulomb强度准则

在哪里剪切应力,是凝聚力,内摩擦角。

2.2。在井眼围岩的应力分布开槽前后

图3显示了垂直应力分布X= 2厘米,Y= 2厘米测量线槽前后。从图3(一个)井眼的形成后,垂直压力X= 2厘米测量线将逐渐减少辐射槽的中心钻孔在垂直方向。的应力集中发生在顶部钻孔,最大应力为8.1 MPa,应力集中系数是1.1。开槽后,出现大面积缓解压力的影响范围为6.4 m。从图3 (b),垂直压力Y= 2厘米测量线路将逐渐增加在水平方向上的辐射。减压区出现,影响范围是24厘米。开槽后,应力集中区域在水平方向上形成的。集中应力的作用下,某些屈服区出现在插槽,最大应力在18.92 MPa。

图4显示了水平应力分布X= 2厘米,Y= 2厘米测量线槽前后。从图4(一)井眼的形成后,一个小减压区与周围出现钻孔直径9厘米,最小压力是4.06 MPa。开槽后,减压区域的直径增加到1.2米。从图4 (b),也有缓解压力区域在水平方向上。因此,一个明显的减压区为6.4米×1.2米开槽后井眼周围形成。

2.3。开槽的影响参数对煤层的应力消除

2.3.1。在减压井眼直径的影响的煤层

研究井眼直径的影响在减压后的煤层槽,直径84毫米,100毫米,120毫米,150毫米和选择模拟,分别。开槽后煤层的应力分布如图5和6。

从数据5和6,垂直应力和水平应力的分布的煤层钻孔直径不同,开槽后基本上是相同的,这表明钻孔的直径小影响液压开槽减压的效果。相反,在天然气开采工作,没有必要钻大口径开槽的水井,这也可以降低钻井成本。

2.3.2。开槽宽度的影响煤层的应力消除

研究开槽宽度的影响煤层的应力消除,40毫米的开槽宽度,60毫米,80毫米和100毫米选择模拟,分别。槽周围的煤层的应力分布不同的开槽宽度数据所示7和8。,相应的减压面积如表所示2。

可以看出,开槽宽度越大,越大减压区。所以,如果开槽宽度增加到一定值,可以完全煤层应力消失,以生成一个完全连接断裂网络,为高效天然气开采提供优良的条件。因此,开槽宽度的增加是关键参数来评估性能的高压水射流割缝装置。然而,在这个领域的工作,开槽宽度是受制于许多条件,如泵的压力、开槽喷嘴性能,煤和岩石强度。因此,开槽宽度的选择应该取决于地质条件和设备性能,从而达到最好的缓解压力的效果。

2.3.3。开槽长度的影响煤层的应力消除

研究开槽长度的影响煤层的应力消除,60厘米的切口长度,90厘米,120厘米选择模拟,分别。槽周围的煤层的应力分布不同的开槽长度数据所示9和10。可以看出,在一个小范围内的变异,开槽的长度没有影响煤层的应力消除效果通过使用液压开槽。此外,开槽的长度也与开槽系统的性能。越高,开槽长度可能引发煤与瓦斯突出。所以,没有必要完全改善槽长度。

3所示。田间试验

3.1。测试地点和方案

3.1.1。测试设备

液压开槽设备主要包含钻头,浅spiral-integral钻杆,高压旋转水尾、水泵、远程操作地板,压力转换插床,高压软管,安全防护配件,等等,可以看到在图11。设备可以实现集成钻井和开槽。远程控制是在100米远的地方,开槽,保证开槽过程的安全性和效率。

3.1.2。液压开槽过程

液压开槽过程主要包括三个阶段:开槽准备阶段,钻孔施工阶段,开槽阶段。液压开槽的操作过程可以看到从图12。(1)开槽准备阶段:开槽之前,供水和供电系统应该满足的要求开槽操作。同时,泵送管道网络和泵送计量装置应该安装,提前完成,和孔密封材料应该做好准备。此外,钻头,钻杆开槽设备,等等也组装成液压铣槽系统。所有的工作都是运行平稳的开槽设备。(2)钻孔施工阶段:在这个阶段,低压水是用来钻钻孔设计深度。重要的是要注意,密封圈应该安装在连接钻杆,钻杆的线程和内腔应清洗。(3)开槽阶段:钻井施工完成后,需要手动删除低压水尾,连接高压水尾和高压管道,设置警戒线。然后,水泵通过井眼打开,直到水溢出,届时钻床打开。最后,缓慢而均匀调整压力值指定的压力阀。 At this time, the water flows through the high-pressure hose into the drill pipe, and the jet is formed by the nozzle on the slitter to cut the coal. The time of cutting the coal body is about 20–25 min each time. After the end of each knife slit, the pump is pressed back to zero and then shut down. According to the set slit spacing, the backward slit operation method is used to continue until the slit is completed.

3.1.3。测试地点和方案

测试我的选择是在汉城Sangshuping二号煤矿城市,山西省,是煤与瓦斯突出矿井。这个提取seam 3 #煤层,平均厚度为5.97米,0.4 - -0.94 MPa的气体压力,气体含量的8 - 14.57³/ t。我主要采用气体preextraction顺层钻孔。然而,由于气体含量高和煤层的渗透性差、天然气开采效率不能达到预期的效果。,仍有一些动态现象发生在钻井过程中,喷孔和夹紧钻头等,严重限制了矿井安全、高效生产。

测试地点位于3306工作面煤层的厚度是4.35∼4.35,煤层坚固系数0.4∼0.5,和煤的破坏类型II级。的最大3号煤层原始瓦斯含量测量的测试区域是12.24米³/ t,这表明测试区域煤与瓦斯突出的风险很高。工作面煤层地质条件的改善液压铣槽的有利条件测试(42]。

16顺层钻孔钻在这个测试。水井分为两组进行比较的测试结果,在哪里年代₁- - - - - -年代₈开槽的水井,D₁- - - - - -D₈是普通的水井。通过综合考虑数值模拟研究和现场实际条件,优化液压开槽工艺参数决定的,也就是说,钻孔直径90毫米,钻井深度是80米,钻孔间距是12米,封孔深度是12米,开槽的长度是1.2米,开槽宽度是6厘米,开槽间距是1米(43]。测试网站和钻孔的布置可以看到在图13。

3.2。结果和分析

3.2.1之上。天然气在水井流和衰减系数

液压开槽的切削效果越好,煤层的渗透率越大,钻孔的初始气体流量越大。天然气流是一个重要的指标描述最初的透气性。因此,在连接与井下排水管道,天然气流槽钻孔和普通钻孔测量,分别。测量结果如图14。

图14表明,天然气流量钻孔年代₁∼年代₈0.0203 - -0.0813米³/(最低·hm);天然气流动钻孔D₁- - - - - -D₈0.0052∼0.0363米吗³/(最低·恩)。天然气流动钻孔水力割缝后平均上涨3 - 4次。可以看出,煤层的渗透率明显改善完成后在初始阶段液压开槽。一方面,液压铣槽引起井眼周围的煤卸压,导致大量的新的骨折和二次骨折。另一方面,开槽在钻孔周围煤体应力降低,和压缩的原始煤增加裂纹张开。他们两人共同促进钻孔周围的裂缝网络的连接和为天然气运移提供了有利条件。此外,开槽增加了煤和加速暴露区气体解吸速度,这也是一个重要原因增加钻孔的气体流量。

钻孔的气体流量的衰减系数是一个重要的指标来评价煤层天然气开采的难度。衰减系数越大,越气耗尽和采矿。本文选择年代₆和年代₇和D₇和D₈钻洞,分别测量气体排放初始速度和获取钻孔的气体流量的衰减系数的数学拟合。结果如图所示15。

从图15可以看出,随着时间的延长,每个钻孔瓦斯涌出初速度的显示了一个下降的趋势,但有槽钻孔的还原程度明显高于普通钻孔。此外,开槽的气流的衰减系数的水井年代₆和年代₇0.0215 d⁻¹和0.0237 d⁻¹,分别。,普通的水井的气体流量的衰减系数D₇和D₈0.0763 d⁻¹和0.1231 d⁻¹,分别。即衰减系数的气流槽钻孔1/6-1/3倍小于普通的水井。这是因为,有效应力的作用下,槽骨折的开放程度逐渐降低,甚至关闭,煤层的渗透性是克制。然而,对于普通的水井,煤产生的裂缝救援在水井的数量是有限的,和关闭裂缝有效应力也很小。它还表明,液压开槽对煤层渗透性的影响比钻孔卸压。

3.2.2。液压开槽改善气体提取量的影响

气体提取纯度是一个重要的参数来表示天然气开采效果。气体提取纯度越高,残余的煤层瓦斯含量越低,具有重要意义,以减少甚至消除煤层突出的风险。分析气体提取量的改善效果液压铣槽,日常天然气开采数量的最大值和平均值的开槽钻孔和普通的水井,如图16。的最大数量和平均气体提取槽钻孔是133.1米³/ d和93.0³分别/ d。最大和平均气体提取大量的普通的水井66.7³/ d和40.4³分别/ d。因此,开槽的水井高出2 - 3倍的天然气数量比普通的水井。

3.2.3。有效半径的天然气开采液压开槽

高压水力割缝测试前,测试区域的最大原始瓦斯含量测定为12.24 m³/ t。据中国煤炭行业的要求,测试区域的瓦斯含量应减少到小于8米³/ t满足排水标准,这也是确定的标准有效排水半径。根据测量数据,提取半径计算的步骤如下:(1)计算气体的总量在测试区域,提取和公式如下: 在哪里l₁是提取孔的长度控制区域,米,l₂是提取孔的宽度控制区域,米,h平均煤层厚度,米,是煤的体积密度,t / m³,W煤层瓦斯含量,米³/ t,是天然气开采率,%(2)计算所需的钻孔数量达到在规定的时间内提取的标准,和公式如下: 在哪里是单孔的总量在一定时间内,天然气开采m³(3)计算的有效半径钻井排水,公式如下: 在哪里l相当于提取提取区域的长度,米,K井下布局的不平衡系数,值的范围从1.0到1.3吗

根据上面的计算过程,提取结果长圆孔的半径和普通孔如图17。可以看出,普通钻孔的有效半径天然气开采后30天,60天,90天,180天是0.32米,0.6米,0.84米,1.36米,分别;,开槽的有效半径天然气开采钻孔后30天,60天,90天,180天是0.8米,1.25米,1.75米和1.36米。因此,开槽的有效半径天然气开采钻孔是普通的水井的2 - 3倍。

4所示。结论

(1)开槽前后井眼周围的应力分布进行了分析。开槽之前,小面积在钻孔减压出现,和一圈应力集中造成的成立。开槽后,煤层钻孔周围的压力完全释放,即使开槽宽度只有6厘米,一个明显的减压区为6.4米×1.2米将钻孔周围形成。(2)开槽的影响参数对减压的煤层进行了研究。开槽宽度对缓解压力有很大的影响作用,而井眼直径和槽长度没有影响减压的效果。(3)现场结果表明,天然气开采效率高度增强了液压开槽。开槽的天然气流动水井平均提高3 - 4倍。气体流槽的衰减系数小水井是1/6-1/3倍比普通的水井。的数量和有效的天然气开采天然气开采半径由液压铣槽,提高2 - 3倍。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现都包含在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2018 yfc0808305)。

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