（安全技术及工程专业论文）高瓦斯煤层掘进工作面水力压挤技术研究.pdf

安徽理t 大学硕士论文摘要 a b s 妇c t w 汕妇i r 脚s 吨o f 位t 1 1 j ：山g d 印曲，岫p o t e 埘a l 忙t y l l a z 捌i s o l 衄a n d j n g 曲yb y d a y ，t h e i n c i d 肌t h a 岬0 c c a 萄o m n y 1 1 h e a r es o m e m 豳d i s 船t e r 曩ha s g a s e 冲1 0 s i o n ，c o l a l a n d g a s o m b n 】s t ，0 0 a l d l 】s 【e x p i o o n 卸d s 00 1 1a 】驴i s 妞i i l a i l l p f e v e 商o n d i s a 姗i 1 1 c o a l m k 鲥可p m d 删o n i i l o f d 盯t 0 肼撕m t 锄d 妇t 1 1 ea t 蚶鹊雠0 f t l l e 捌d 酬，l o t s o f 咖 p i 】t 南m 刚a 】0 to f f b 西b l e m e l l l o d s 甜妇m 向s u 髓t h ep 驴盯s | i l d ) ，a d o 讲t o l l 】r e e m 甜谢ss u c h 1 1 1 e o l y 锄嘶s i s ，a ) n l p m e r 蚰删撕o n 甜l dt e s lt h e 糟跚m e 州n c o n c l u s i o l l sa sf o l l a w s ： n 啪b e f so f 删g a s i 劬髓删y f o r l l l e o f g a s 洲o na n dg a s c o n c e l l n 觚0 n0 f w o r k j n 乎融刚i f i 盯。【p l o s i o nf 胁雠t e s td a t ao f 3 2 4 6l 鲫蹦忸yo fq i d d n gc o a l m i l l e w e c a n h 酊w m 砒n 硷g 笛。出删v o l u m er e a c h t 0 4 2 5 2c u b i c m 悯a n de ) ( 虮l s i o n 删o w a s 他a c h6 6p c 锄晦出eg 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e l 叩e n l e h y 蛐e x 嘛妇l q 科e 胝6 v e l ya n d c o 嘣b 眦 t o c o a lm j n es a l 两肿嘶正o n f i g u r e s ：3 3 t 曲1 e s ：1 7r e l 砾眦髓：4 l k 眄w o m s ：h y d 唧i i i c 勋c 缸e ；c o a ld u s t ；昀m 血k 驴s ； ( ：h i f l e s ec a t e g o f yn 啪b e c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞煎垄墨盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 勘珞劬期：趔年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽塑太堂有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞 徼堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权安微理工大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：搠槲签字日期：汩牌月f 日 导师签名：易彳务m 恢 签字日期：蚺? 月z 日 安徽理【：大学硕士论文 引言 引言 自世界石油危机导致了各国政府就全球燃料能源制定新策略以来，在各国各项工业产 品的燃料总耗和比阮不新增长，煤炭的开采量和使用量不断增加的情况下，不仅导致了地 下开采条件和生态环境的恶化，而且煤炭生产所使用的其它工业部门的产品也不断增加， 这些负面因素的影响已经引起世界各国能源政策的改变。在2 0 0 5 年以前，煤炭已经作为主 要能源载体在其开采过程中需要进行综铺平估，其原因是一方面要同时考虑到世界石油储 量及开采量的刚氐以及煤炭开采费用的增高，另方面煤炭资源生成过程中的伴生物一瓦 斯资源的利用价值在不断地得到开发和稠。有关专家预计，到2 0 2 0 年，我国的煤炭需求 量将是目前的两倍，这样的需求不仅会导致煤炭的大量开采，不可再生能源开采寿命进 步缩短，而目j 丕会进一步导致环境生态的恶化，这其中不仅包括固体煤炭资源的燃烧所产 生的有害物，还包括煤炭伴生物一瓦斯气体的大量h 嘣喇环境生态的影响。因此，对于我 国这样一个富煤、贫油、少气的国家，对煤炭资源开采的综合洋估和深度开发利用显得更 加迫切和重要。 众所周知，煤在其地质历史演变形成过程中，其主要的伴生物便是瓦航沼气) ，当其 周围地质环境具备贮存条件时，便残留贮存在煤体之中，形成煤层气，随着煤体的开采和 剥离，瓦斯便随之释放出来。截止目前，人们对贮存在煤层内的瓦斯的认识主要还是集中 在其对煤炭生产所造成的危害上，如瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等，而且随着煤炭开采深度 的增加，瓦斯灾害更有日趋严重的趋势，这不仅严重或胁着矿井工作人员的生命安全，制 约着矿井生产的发展。而目还给煤炭企业带来沉重的经济负担，因此国家每年都要投入大 量的人力、物力和财力，进行深入的治理研究。 建国以来，煤炭工业经过5 0 年的建设，安全状况戥黥自较大的改善，但是煤矿事故仍 然比较严重。在近些年来，重大恶性事故时有发生，特别是进入9 0 年代以来，煤矿瓦斯爆 炸、煤与瓦斯突出等重大恶性事故更是不容忽视。煤巷掘进工作面是煤与瓦斯突出的多发 区。截至2 0 0 3 年底，在我国累计发生2 0 0 0 0 次突出事故中，煤巷掘进突出事故约占突出次 数的8 0 。因此，及时有效地消除双突矿井突出危险性的重要性是不可低估的。 v 安彀理t 大学骥士论文 绪论 1 1 选题的意义 l 绪论 我国强奏熬轰煤矿筠1 簸，年产量太予3 羽0 0 t 豹璐方潮黉煤矿1 6 约个。羧据1 9 9 2 年 矿井瓦斯鉴定，各级瓦期矿井的分布如下表l | i l o 表1 瓦斯等级矿井分布表 糯l 弭砖g 罄灌暾g 喇辩d l 虫l 嘲。n 国有重点煤矿年f 哆3 0 0 0 0 吨国有重点地方煤矿总计 矿井瓦斯等级 个 个 个 蓑瓦嫠矿势 3 9s 描9 5 05 7 五1 3 1 75 6 零 高瓦斯矿井 2 0 口 2 8 8 6 2 23 7 78 2 43 5 o 突出矿井 1 3 2 1 8 8 7 8 4 72 l o9 0 台诗 7 ol 6 5 0l 2 3 5 ll 由表1 可以看出，全国熟肖1 0 3 4 个高鬣斯和突出矿井，占全国总矿撇的4 4 。为 了加强突出矿井的管理，我嗣当前采用四位体的综合防突措蒯2 1 ，在矿井生产过程中， 毅窆闽至露阉郝蒡霪突出蔻殓瞧i 砉 = 短睦溺秘强魏，麸莛丈大黻了突塞漂鼷睬戆安垒性。 阱位一体综合防突措旋包括下歹四个环节：突出危险性预测：防突投术措施；防突 攒旖有效性检验；人身安全留神嘴施。随之而来的问题虢琏突出危险性的预濒螂防突搜 零疆戆。葫趣缭采工终瑟靛酝突是我藿稼突工终豹薄i 暴繇节。姥罄综象戳搬纯豹发展，邀 一问题目显重豢。当前，阳泉、鸡西、平顶山、焦作及松藻等局的帆采工作面的突出阔蹶 已成为制约生产的重要环节。目前我国高瓦斯和突出矿井采用的防突技术方法和措施有： 越蓊钻孑l 、水力；串孔、松动爆破、超蔻支护、掩护挡扳、卸压槽、高压波水、l 开采保护联 等等。这些接施魄荚燃离了开采的安全羧，蠹于舞采谶餍条件特殊爱杂。本论文辩篷 实际条件下撮出了较新的防突与治理瓦斯的方法一水力压挤技术。 所潺水力疆努疑援裂) 就轰蝴整工作面前) 亨a q 煤壁，每隔一定的孑l 距，用煤电钻打钻孔， 然嚣再霜高舔椽羧快速鳎藤辩l 螽进行藏黻注窳，将漂夔隐近壹压豢内豹嚣巍揍窭。熬 方法起到“拽兰效”的效果。一是通过高聪注水将煤体聪裂，增大了煤髓i 方的卸雁带 的宽度，使裂隙带# 穆，大大降低了煤的突出的可能性，起到了消突的作用。二是通过商 糕注承褥漾落襞稼孛徽态嚣蘩盔捡渗骧舞挺辩窭，旗轸7 落漾薅豹琵戆涌出量，觚 7 微降低了瓦斯积聚的河蹶。三是煤层淀水后，可将其中的原生煤尘磁姥阵破碎前预先 蜜徽理l ：天学琰士论文绪论 湿润湿煤体，使其失去飞扬的熊力，从而有效地消除尘源，建妲0 了防尘的作用。同时高愿 永浚至燃中黪煤诲篷裹，阻癜了啜瓣嚣簸靛霉凌簿褥。承力蘧接“技三效”豹效暴， 为煤矿的安全璧产提供了安全深障，同时也解决了瓦斯积聚和煤的突出闯蹶，为煤矿安全 生产提供了技术嶷撑，从而文火提高煤矿生产的经济效益，为煤矿的安全缝产作出贡献。 。2 国内蛰磷究琨棱 水力压裂技术盔石油开采中用的较早，之后这技术被广泛应用于其似e 隍领域。例 如：千热岩体中姻地热开发、梭废料处置、地应力测量、煤艘气开发等极为广泛的工程领 域。英经i 童半令畿纪每发震耨麓鸯瓣年氏容缓来，在藤g 凌浮、区袋液辩溪嘲裁、支簿 剂、压裂设备和脏测仪器以及裂缝检测等方顽都获得了迅速的发展，使水力压裂技术在缝 高控制技术，高渗层防砂压裂网，重复压裂，深穿透压裂以及太砂量多级滕裂等方面都出 瑷7 叛豹突破。鬻在理功压袈懈兔洼劳溪产淫注戆主簧揍楚，己广泛敷藤予爨i 参透灞 气嗣的开发中，通过水力压裂改饕了井底附近的渗流条件，撼漪了油井产能，在美国有3 0 的原油产量是通过压裂获得的，国内低渗油田的产量和通过水力压裂改造获得的产量也在 逐激增热，特别粪狮瞳正蝴澹紧缺豹对代，黄溅力压裂技采的广泛眩黼籀漾走沃卖懿 研究可望给石油工业注 薪的活力和生梳，水力压裂技术的簸优实施和关键憔技术的突破， 将给石油工业带浓不可估量的前景。 1 2 - l 藿芥承力鹾裂技术废嬲瑰妖 承力压裂技术鸯l 舛7 年在美函送萨崭，h 试蚴至今i 酸拳拿鬯己了，捧为溜并豹主要 增产措施正日蘸s 糖i 心：界各国石油工作者的重视和关注。其黢展j 堋大致可分以下几个阶 段：6 0 年代中期以前，以研究i 惹应浅层的水警裂缝为主这一对期我国主要以油井解堵为 瓣静开展了小羹藤袈试验。国肇代中赣疆磊，瓣羲产嚣l 潦，赣摊奁裂缝为主。这一 时期的压裂目的耀解堵襁增产，通常称之为常规压裂，这一时期，我国进入工业性生产实 用阶段，发展了滑套式分层压裂配套技术。7 0 年代，进入改i 擞密气层的大型水力压裂时 期，这一瓣期，筏嚣在分墓蠢裁| 搠芒揪匕发疑7 逶瘦舞爱炙量爨霉敬蠛球选誊踺丞 裂工艺，以及化学堵水与压裂配套的综合改造技术。8 0 年代，进 洲氐渗油藏改造时期， 聪秘规模从加液煅只有1 9 心精确控制短小裂缝的小型麟阻到加液量5 8 3 0 耐，用砂量 2 鼬瓠裂缝长一公壁多，耗资l l o 万美元鼓上瓣犬墼拳力篷袈，其工监技拳在缀多方瑟帮 褥到了发展，除燕要用于压裂低渗透油层来撬离原油和天然气产量外，水力压裂还可用予 包括水源井，注农井等辅助井。还可对二次并油方案的生产井和注水井进行压裂；压裂干 熟瓣层靛生产势鞠注求井，扶手热岩瑟中获褥嫩热毪量。在遴 亍大型匿裂之熬进行小型试 验压裂，确定靛戮髭匿汲周蠢瓣艨豹应寿黻。这一跨8 饿灏发展了透露予黥萄藿，薄灞 安徽理【大学硕士论文 绪论 层多层改造的限流法完并压裂和投球法多层压裂技术。 1 ) 8 0 年代中后期，开始了压裂经济最优化，即优化水力压裂设计。包括4 个方面| 斗叫： ( ”预测裂缝长度和裂缝导流能力 首先，用油藏动态摸拟器预测不同的裂缝长度和裂缝导流能力可望达到的油气产量， 用所测得的数据建立起裂缝长度和净收益之间的关系，确定达到不同裂缝长度和导流能力 所需的费用，最大限度地提高经济回收总额。压裂经济最优化的个主要因素就是使裂缝 特性和地层性质之间达到适当的平衡，般认为渗透率高的储层要求高导流能力的裂缝， 但裂缝长度相对要求不太长。 ( 2 ) 压裂参数设计 影响压裂效果的因素很多，搞好压裂设计的基础是参数设计，也是压裂能否成功的先 决条件。目前还不能完全 为地控制裂缝在地层中的延伸状态，但可以人为地选择适当的 压裂液、支撑剂等压裂材料的类型、数量、泵入速度，准确控韦峭层裂缝长度、宽度、裂 缝的导流能力、缝高、方位、形状等方法目前仍处于实验阶段。优化水力压裂设计的关键 参数为：支撑裂缝几何形状和导流能力，井口施工条件和生产管柱尺寸，岩石力学性质和当 地应力分布，压裂液粘度和滤失性，前置液和支撑剂浓度，排量和施工压力等。 ( 3 ) 压裂数学模型设计 近年来压裂设计水平的提高突出地表瑚在数学模型的发展和应用上，人们发展和应用 了水力压裂的三维数学模型。简单的二维模型，事先人为地假定了裂缝的高度，并认为裂 缝的高度在压裂过程中保持不变。裂缝几何尺寸是按线弹性二维计算，流体在裂缝中的流 动按一维计算。典型的二维模型有适应于裂缝长而窄，要求缝长远大于缝高的p k n 模型 和适应于裂缝较短较宽，要求缝高大于缝长的k g d 模型。这两种模型均不符合现场实际 压裂条件，在实际的压裂过程中，缝高和缝长在同时增加，不可自邰阳e 缝高不变。从而人 们开始了拟三维模型的实验研究，它是利用简化的三维裂缝模型的概念发展起来的，可以 计算出裂缝在二卜_ z 方向的三维扩展。在计算方法e 采用了二维的线弹性扩展或二维 的流体流动，有的采用了维的流体流动。多采用研( n 模型作为缝长的延伸，k c d 模型 作为缝高的延伸，就是利用两个二维模型计算出三维的扩展，可以近似预测出裂缝的几何 形状，现已为现场广泛采用。而全三维模型的实际研究，它是根据平衡裂缝的线弹性方程 和裂缝平面内的三维流体流动发展起来的。大半使用应力强度因子和裂缝前缘的几何形状， 伴之以三维流体流动来模拟裂缝的延伸过程。 ( 4 ) 压裂数学模型应用研究 国外压裂数学模型在现场得到广泛的应用，它可用于现场各种不同的场合和条件，如 裂缝在油层和具有地应力差的相邻层中的扩展分析，地应力和静水压力梯度对控制裂缝垂 安徽理1 大学硕士论文 绪论 向扩展的作用，停泵后裂缝的进一步扩展，从铹i 彤压裂试验中估计地层渗透性能，不同类 型压裂液交界面的位置变化以及支撑剂在缝内的分布等。根据不同的用途和目的，国外各 石油公司或服务公司都有自己研制的全三维或拟三维压裂模型和软件，例如s h e l l 公司 的e n e r - n t a c 佃，艮as s o c s 公司m f r a c ，8 m j 皤a 】醇髓吨辨蛔“r e 跏。公司的 f 凡岖p r o ，s 洲呦姆公司的f r a ( 瑚等口全三| 缀弱彩抖m c a 鼬公司的1 1 璁r a f r a c ， m a m t h o n o i l c o 公司的g 0 乇r ，呦i 曲u i l i v 商i y 的h y f r a c 3 d 等。 2 ) 9 0 年代水力压裂技术的新材料、新技术发展； 9 0 年代，人们从各种不同的方向研究了与水力压裂技术有关豹新材料、新技术，新方 法和新工艺，其主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研制发展支撑耕系列 近几年中等强度的支撑剂逐渐发展起来，与高强度支撑剂、石英砂形成了大支撑剂系 列，中等强度的支撑剂有树脂包层石英眇，这种树脂包层石英砂分为两种：可固化的树 脂石英砂。预先固化的树脂包层石英砂，其密度略轻于眇子为2 5 5 ( 砂子的密度为2 6 5 ) 。 树腊包层石英砂在一定的温度下可使砂粒固化并加以粘合增加了砂粒之间的接触面积，从 而提高了抵抗 j 拾压力的能力。树脂薄膜可将压碎的砂粒碎块包裹起来防止堵塞通道，因 为这种支撑剂渗透率高，强度比砂大，具有较好盼传导率。目前，人们还发展了支撑剂双 涂层技术、部分固化支撑裔u 技术、呋喃棚黻技术等，使用效果有了很大提高。同时国 外还建立了各种支撑剂选择模型，用以确定低渗透储层压裂设计的最佳参数。计算处理的 模型可以在压裂前测定出支撑剂类型、粒径、数量的变化，对压裂后几个月甚至几年内产 生的影响，可以选择能满足具体井的经济目标的压裂施工设计。 ( 2 ) 研制新型压裂液和添加剂 目前，国内外采用的压摹蠛多为水基压裂渍( 占9 q ，泡涮涸粼占定比例( 占1 0 左右) ，而油基压裂液使用量很少。几种新型的压裂液为：水基弧胶压裂液。其价格低， 滤失低，对油层损害低，适宜各种地层温度。聚合物乳化压裂液。它由份油份水组 成，耐高温，损害地层较小，适宜深并压裂使用。高温油基压裂液。由改性磷酸脂油凝 胶剂和铝酸钠活性剂组成，适用于高温水敏性地层。速溶压裂液。由种干粉稠化剂加 水配制而成，具有耐高温、低摩阻、携砂能力强等特点。0 0 2 泡沫压裂液。由7 0 的 c 0 2 和3 0 的水溶液混合而成，水溶液中加入增粘剂、表面活性剂和稳定剂。适合高温、 深部、低渗透眇层压裂使用。延缓交联压裂液。其摩阻低、在裂缝内粘度高，对裂缝损 害小。适合于大型水力压裂施工。 ( 3 ) 压裂液流体力学和流变学发展 除常用的幕律流体模型外，人们又发展了e 几l s 模型、b i i l 乒脚模型和 i 踯c h e l - b i u k i e y 4 安徽理一l ：大学硕士论文 绪论 模型来描述压裂液的流变特性，并发展了各种仪器来测量压裂液的流变参数。 ( 钔高砂比压裂技术发展与优化 商眇e 匕黻咏为缝瑞脱眇聪殴，尉鲫牟发瞒铼用于中、高渗透蝴压裂、重 复压裂及地甚防砂的种新型压裂工艺。特点是有控制的在一定缝长的端部形成砂堵，阻 止裂缝继续向前延伸，同时以一定排量继续泵注高砂比压裂液，迫使裂缝膨胀变宽，以获 得较高的裂缝导流能力，满足中高渗透地层压裂改造的要求。该技术在疏松地层的压裂防 砂、中高渗透地层压裂改造和老井重复压裂中得到了广泛的应用。目前提高高砂比的途径 有两条：采用高粘度压裂液。高粘度压裂液携砂能力强，支撑剂的沉降速度小，可使支 撑剂保持悬浮状态流动。美国哈里伯顿公司、道威尔公司、西方公司等大多采用胍胶作压 裂液，特别是羟基丙基胍胶的使用更为广泛。提高地面机械设备性能来提高高砂比。目 前高砂比匿裂施工还有特殊的监测、搅拌和安全设施。例如检测压力波动和砂子析出的压 力传感器，装在套管上能防止压力超过极限压力的检测井底压力的液压安全阀。 ( 5 ) 重复压裂技术发展 重复压裂技术是改造失效井和产量已处于经济生产线以下压裂井的有效措施。美国对 重复压裂技术的理论研究、工艺技术和矿场应用等女作了大量的工作，取得了较好的效果。 如美国的r a l l g e l y 油田在8 9 1 口井上作业1 7 0 0 多次，许多井压裂达4 次之多，重复压裂成 功率达到7 0 8 0 。n o n l l w 剐啪k i m i t 油田在重复压裂作业时采用先进的强制闭合技术 和顶端脱砂技术，取得了很好的经济效益。国内大庆、胜利、玉门、长庆等油田也进行了 重复压裂工作，取得了些经验和认识。重复压裂技术在使用中也存在些问题有待于解 决，如重复压裂造缝机理、造新缝的可能性及条件，重复压裂地层澳嶂式及评价方法，重复 压裂施工工艺技术，经济 吩及效果分析，重复压裂数字模拟技术等。 ( 6 ) 压裂监澳4 技术发展 压裂后对压裂裂缝的几何形态澳4 量是压裂作业的项熏要工作，为了获得较为准确的 裂缝形态，人们采用不同的检澳4 方渤盯泛的比较，同时使用几种不同的方法来提高解 释的准确性。现将国外采用的监测方法与使用工具介绍如下：裂缝高趋誊睑测。目前，人 们采用井温测量方法和放射性同位素示踪法来检澳蟪嘲目自渡。基本原理为：先测出地层基 准温度剖面，压裂时将冷或热的压裂液注入裂缝中，被压开的地层就发生温度的异常，根 据停注后所测得的温度异常可以确定裂缝高度。放射性同位素示踪法测量裂缝高度，可以 分两种方法进行：种是在支撑荆中混 示踪剂，压裂后用伽马射线澳拼法测量裂缝中的 放射性示踪剂；另种方法是在施工最后，在压裂液中加入示踪剂，再迸行伽马测井，这 种方法与井温测量法相互补充，可提 辅定裂缝高度精度。裂缝方位和宽度检测。目前， 在套管井中仍无肯定的睑测方法。国外许多公司在裸眼井中用井下电视测量法获得井壁图 安徽理1 大学硕士论文绪论 像，根据图像观察确定裂缝方位和宽度。压裂实时资料监测技术发展。实时监控与监测 技术是通过在现场实时测定压裂液、支撑剂和施工参数，模拟水力裂缝，1 舸形状变化，随 时修改施工方案，以获得最优的支撑裂缝和最佳的经济效益。n 车能i 司时监测2 0 台压 裂设备和1 6 台辅助设备，可以指示支撑剂浓度、泡沫压裂中氮气排量、液体摩阻、井底温 度和压裂压力。可以绘制裂缝图，它由声波监澳旺具和工具支撑系统、数据采集系统和信 号分析软件鲴成。 压裂中缝高控制技术发展 压裂过程中，当油层很薄或阻挡层为弱应力层时，裂缝可能穿透生产层进入阻挡层， 缝高过大，将减少缝长，达不至崃穿目的。所以，将裂缝高度控帛牲油气层内是压裂成功 的关键因素之一。美国建立了三项缝高控制技术，在油田应用效果很好。建立人工隔层 控制缝高。这种方法主要是根据地层条件，注入e 浮或下沉暂堵剂对垂向裂缝端进行封堵， 形成 工隔层，控制裂缝垂向延伸。非支撑剂液体段塞控制缝高。这项技术主要是在前 置液和携砂液中间注入非支撑剂液体段塞，达到控制缝高的目的。由载液和判土者颗凇组成， 大的颗粒形成桥堵，小颗粒填充大颗粒间的缝隙，形成非渗透性阻隔段，以达控制缝高增 大的目的。调整压裂液密度控制缝高。该方法根据压裂梯度来计算压裂液的密度，如果 要控制裂缝的垂向延伸，就要控制压裂液中垂向压力的分布；若要控制裂缝向上矧申，就应 采用密度较高的压裂液若要控制裂缝向下延伸，应采用密度较低的压裂液。冷水水力压 裂控带4 缝高。这种方法主要用于胶结性较差的地层和采用常规水力压裂技术难以控制裂缝 延伸方向的油气层，它是采用冷却地层和降低地层应力的方法，将缝高和缝长控制在规定 的产层范围内。工艺方法是：采用低排量低温液体预冷地层，保持注入压力要低于破裂压力， 使被冷却区域以相对井筒呈圆柱体的形状发展。当预冷地层的范围和应力条件达到预期要 求时，提高排量，注 含高浓度降滤帮i 浓度冷水前置液，压开裂缝，并使其延伸。或者， 在注入f 耐躺辩静争却地层期间某一时间，将注液压力提高至造缝压力，压开一条裂缝，进 而采用控常i 崩 量和压力的方法控制裂缝的垂向及延伸程度，这种缝高控制方法1 9 8 7 年获美 国专利。 ( 8 ) 压力设计方法改进 进入9 0 年代以来，世界各主要石油服务公司在研究拟三维和全三维压裂模型基础已 编制了进一步适合于生产设计的压裂软件系统，将裂缝几何参数设计、支撑裂缝设计和压 裂液体系设计、裂缝闭合期间和生产过程中填砂裂缝的动态变化进行了综合考虑和优化设 计。同时，从日l 井压裂设计发展到以获得最大产能、采收率和经济效益为目标的油藏或区 域整体设计。近几年来，水力压裂发展迅速，选择它不仅仅用于低渗油气田的改造，而且 在中、高渗透性地层，特别是环境条件恶劣的地区布井开发方案中也被作为个重要的影 6 安徽理工大学硕士论文 绪论 响因素受到广泛的重视。我国主要开展了特低渗透性油气藏的平衡限流完井压裂技术和低 损害新型压裂液体系的研究，设计了整套油层保护措施，开发了适合于中低温的交联压 裂液( 聚合物压裂液) ，有效的防止了压裂过程中压裂液对油层的损害。西南石油学院任书 泉等人在水力压裂方面也作了大量的研究工作，他们主要在压裂工艺方面进行了较为系统 的研究。石油勘探开发科学院支0 翔鹗、蒋阗、单文文等翻译和出版了经典的水力压裂新 进展一书，在国内首次提出了滚动式压裂技术的研究，解决了低渗透油藏开发初期由于 地层复杂、资料缺乏、又须增产改造的技术难题，不断的认识罐层系统与水力压裂系统， 逐步建立与完善整体压裂优化设计，为以后低渗边际油藏开发提供了少投入多产出的可操 作的方法。他们所在的万庄酸化压裂中心，是我国目前压裂领域的权威研究机构。石油大 学王鸿勋、张士诚、陈勉、黄荣樽、陈治喜等人，在水力压裂领域也作了大量细致的研究 工作，取得了可喜的成果，为我国水力压裂技术的提高和完善作了较大贡献。经过九五， 攻关的深入研究，可望在水力压裂领域的各个方面缩短我国与国外先进技术之间的差距， 填补国内空白，为低、中、高渗透油田打下个坚实的基础。 1 2 2 我国水力压裂技术发展趋势 ( i ) 开发全三维水力压裂 基于国内和国外现在水力压裂技术发展水平，首先我们应该大力开发全三维水力压裂 软件，在软件开发的过程中，应该将水压裂缝和天然裂缝的相互作用和影响有机地结合考 虑。以前人们在进行压裂经济评价时，只考虑了水压裂缝的几何形态的变化规律对它的影 响，而没有考虑天然裂缝的影响程度。现在国外的最新研究表明，这种形式的评价误差是 非常大的，为我国的水力压裂设计提供套理论依据。 ( 2 1 研究裂缝诊断技术和装置 大力发展裂缝现场实时监测和诊断技术，开发出较好的监禊惦断装置，诊断出实际的 水压裂缝的几何形态，这是d ( 力压裂技术进一步发展的关键。目前，美国已建立了个为 开发致密气层试验，耗资将达4 5 亿美元的小井距多井试验场m s 沁试验场，在该试验开 发和使用了井下微地震波与倾斜仪等裂缝诊断高新技术和水平井压后耽谶术及数模技 术。综合研究证明，在含天然裂缝的复杂砂岩致密油气藏中。形成的水力裂缝决非单一裂 缝，而是有相当数量的多条裂缝。水力裂缝将在天然裂缝中延伸扩展，并且证实了现场裂 缝导流能力远远小于实验室的结果。因此，研究裂缝诊断技术和装置是非常重要的。国外 目前采用的诊断方法，如估计裂缝方位，虽取得一定效果，但还有很大局限性，倾斜仪测 量只在浅层中能解释精确。用于地震测绘得地震检波器虽可用于深层，但提供得结果不明 确，只能给出所有深度处得模糊象估计。目前认为有希望的技术有：详细解释短期压力不 稳定现象井下传送裂缝边界反馈的斯道耐里倦丽应力波来凛4 定裂缝几何尺寸，这些技术 安徽理l j 天学琰士论文绪论 尚需进一步的研究。在压裂工哉技术的研究和发展中，我们与豳外相比还有一定差距。我 国低渗透渣气资潦丰富，对已投 开发豹老 虫融令麓z 提离巾低渗透产层瓣避i 鳍量，增 产稳产的繁重佼务的实现，躐依靠压裂技术的提高由于水力鹾裂技术主嚣随用在浊弗的 开采中，而应用程煤矿方面才刚刚起步，煤矿斑业主要用于防治瓦斯目的的水力压裂技术 世够翔悃l l 起步。隧整采煤移l 碱化，集中化程度的提葱德国煤矿的粉尘问题亦日盏突出。 赚艨注瘩俸为释传统豹爨垒方法，在德国褥鬟了广程懿馥麓，其注东方式主要采羯长链 孔、短钻孔及深钻孔三种。基于长钻孔煤层注水具有防尘效率高，采、注干扰小等优点。 德鞠煤矿的粉尘主要采用该i 生水方式。例如，1 9 8 9 年德国西部2 2 对应用长钻孔注水的矿 势孛t 骞9 瓣“蹩赉酾豹短懿举l 注东致惩粥l 注承，垂手簿嚣煤矿窝采王佟瑟长褒羧 较长在( 3 0 0 m ) 左右，所以如何自日大钻孔长度，增加煤体的湿澜筒j 丘n 年研究的主要课题。 8 安徽理上大学硕士论文 水力压挤的“三防”原理 2 水力压挤的“三防”原理 2 1 水力压挤防尘原理 煤层注水防尘的实质是用水预先湿润尚未采落的煤体，使其在开采过程中的产尘量大 大降低。在压力的作用下，水通过注水锵l j 进 煤体，水均匀分布于煤层中无数细微的裂 隙和孔隙之中，被湿润的煤体降低了产生浮游煤尘的能力。水的除尘作用有以下三个方面： ( 1 ) 湿润了煤体内的原生煤尘 煤体内各类裂隙中都存在着原生煤尘，它们随煤体被破碎而飞扬于矿井空气中。水进 入裂隙后，可将其中的原生煤尘在煤体破碎前预先湿润，使其失去飞扬的能力，从而有效 地消除尘源。 ( 2 ) 有效地包裹了煤体的每个细小部分 水进 煤体各类裂隙、孔隙之中，不仅在较大的构造裂隙、层理、节理中有水存在， 而且在极细微的孔隙中都有水注 ，甚至在i 岬以下的微孔隙中也充满了毛细水，这样就 使整个煤体有效地被水所包裹起来。当煤体在开采中受至岣碎时，因为在绝大多数的破碎 面均有水的存在，从而消除了细粒煤尘的飞扬，即使煤体破碎得极细。渗入细微孔隙的水 也能使之都预先湿润，达到预防浮煤尘产生的目的。 ( 3 ) 改变了煤体的物理力学性质 水进 煤体后，湿润的煤炭塑性增强，脆性减弱。当煤炭受外力作用时，许多脆性破 碎变为塑性形变，因丽大量减少了煤炭被破碎为尘粒的可自旨陛，降低了煤尘的产生量。根 据一些试验资料m 表明，正确地采用注水防尘，煤尘的产生量比综合采用其他多种防尘措 麓时低3 0 倍，落煤效率可提高2 5 左右。在自然界里可以发现些天然潮湿的煤层，开 采时_ 股都不会产生严重的煤尘问题：在有的自然含水达7 8 的煤层中，甚至无须采 用任何防尘措施，就很容易使工作面含尘量达到规定的卫生标淮。而在那些干燥煤层中， 即使在开采用洒水的方法使耗水量达到和自然含水量样的标准，也决不可能达到同样的 防尘效果。 经过注水而得到预先湿润的煤炭，在整个矿井生产流程中都具有连续防尘作用。它不 仅在落煤时可以防尘，而且在装载、运输、转载、提升直至地面筛选时，即一切再破碎过 程中均具有防尘作用，而其他的防尘方法则多数为局部性措施，不具备这种连续防尘作用。 采煤工作面的煤炭产量占垒矿产量的9 0 以上，它是矿井煤尘产生量最高的地点，如果使 9 0 的煤炭大部分预先湿润，则在整个井巷系统中将大量减少煤尘的产生和飞扬，沉积和 再飞扬，这就必然改变了整个矿井的防尘面貌。 一般情况，采煤工作面进行煤层注水后，采掘工作面的粉尘浓度大幅度降低，劳动条 9 安徽理一f 大学硕士论文 水力压挤的“二防”原理 件改善。在进行煤层注水降尘的工作面，般都取得较好的降尘效果，降尘率在6 0 9 0 之间。注水后浮游煤尘浓度最低可降至数毫彭立方米。随着工作浮游煤尘的大幅度下降， 井巷系统的沉积煤尘也相应减少，冲洗和清扫工作量减轻，全矿井煤尘管理局面将得到根 本改善。 2 _ 2 水力压挤防治煤与瓦斯突出原理 瓦斯压力大而透气性又很小的煤层中，在地压和瓦断压力等因素的综合作用下常发生 煤与瓦斯突出。一些国家也= 茁研究采用煤层注水的方法预防煤与瓦斯突出，我国河南理工 大学等单位也开始试验水力挤出消突，试验取得了一定效果。 采用煤层注水预防煤和瓦斯突出的依据是：在透气性小而瓦斯压力大的煤层中，游离 瓦斯占瓦斯总含量的比例是很微小的，煤层注水后，水进入煤体裂隙、孔隙虽然驱动甚微 的游离瓦斯，但不会引起瓦斯医力的升高，恰恰相反，由于水进入裂隙，孔隙封闭了吸附 瓦斯解吸的通道，阻止了瓦斯的释放，使瓦斯不能显现其压能，所以就降低了瓦斯释放时 产生的能量，减少了瓦斯破碎煤体的可能性。试验研究表明，水在细微孔隙中封闭着瓦斯 解吸流动的通路，孔隙宣径愈小，水愈能牢固地封闭瓦斯，愈能承受大的瓦斯压力。实验 证明，经过注水的煤炭瓦艇放散速度降低了9 0 如要转变为如像干煤那样排放瓦斯，在 实验室中需经s 个月。由此可见，对突出煤层进行注水，煤壁瓦斯涌出量减少，瓦斯压 力显著降低，减少了突出的危险性。 在欧洲、日本和俄罗斯等国采用煤层高压注水预防煤和瓦斯突出，收到了一定效果， 其主要作法是： ( 1 ) 煤巷掘进时，对煤壁进行高压注水，即在工作面煤壁上打3 4 m 深的钻孔。注入 1 5 肚1 8 0 大气压的高压水。高压水进入煤体后使煤壁向空间位移l 肌加鲫，煤壁内形成3 m 以上的裂隙带既隋氐了瓦斯压力，又减轻了地应力集中程度，起到了预防突出的作用。 ( 2 1 采用高于瓦斯压力而低于地层压力的压力水，对煤体进行长时间注水。掘进工作 面钻孔为3 0 、4 0 m ，采煤工作面从下向匕超前打眼进行长孔注水，孔底距风巷不超过2 0 m ， 注水量按煤体水分不超过4 确定。注水时间2 帖3 0 天，使煤体懈力下降至安全值， 有效地预防了煤和瓦斯的突出。 煤层注水不仅对预防煤与瓦斯突出有较好效果，对排放瓦斯也有很好效果。水进入煤 体后，对瓦斯的瓣用是 隧杂的。由糯瓦斯含量、瓦斯压力及：唰秦扩诎的不同， 水对瓦斯的作用也不同。 在透气性较好而瓦斯压力不大的煤层中，游离瓦斯是瓦斯存在的主要形式。水从煤体 的裂隙、孔隙中驱赶自由状态的大量游离瓦斯，同时使吸附状态的瓦斯延迟了解吸释放的 1 0 安徽理j 大学硕七论文水力压挤的“三防”原理 时间，使煤层的游离瓦斯在开采前提前泄出，而吸附瓦斯又推迟了释放，因而大大降低了 落煤时瓦斯涌出的高峰值，从而避免了瓦斯超限。游离瓦斯被驱动表现为以下现象： ( ”注水过程中瓦斯向摊放钻孔的泄出速度加快了。 ( 2 ) 用钻孔向煤体i 生水后，提高了邻近瓦斯抽放钻孔的抽放效率。 ( 3 ) 注水结束后，开采中的瓦斯涌出量显著刚氐。 在透气性较差的煤层中，中、高压注水可使煤体形成新的裂隙，增大了瓦斯运移的通 道，提高了煤层的透气性，瓦斯的抽出量增加。 2 3 提高水力压挤注水效果的措施 在煤层条件和注水设备确定后，提高注水效果可以在注水工艺e 采取一些措施。 ( 1 ) 间歇注水 在注水时，压力水快速流入煤体裂隙，裂隙表面往往为气泡所覆盖，因而可能阻碍水 湿润作用。而当采用间歇反复注水时，则可消| 汆j 塞缺点。另外间歇注水可以在两次注水 之间空出一定时间，使进 裂隙系统的水在毛细作用下渗入孔隙。当注水结束时，煤体内 产生的裂隙是可变的，第一次注水时菱瞅的地点，在第二次注水时不一定继续泄水， 这说明在两次注水间歇时间里，煤体i 显润嘭胀变形使原有裂隙封闭，阳i t 继续泄水，所以 间歇注水要比连续注水的湿润效果好。 ( 2 ) 孔内震动爆破提高透水性 在注水孔内装药进行注水前的震动爆破，可以有效地提高注水流量，陌氐注水压力。 石炭井矿务局在透水性较差的煤层中，采用孔内震动爆破方法提高了注水流量。它是在钻 孔中盛满水，将矿用安全炸药( 扣5 匍置于防水套中做成爆破筒送入钻孔内，爆破筒中放置 2 个起爆雷管引爆，在孔口敞开自懒下进行水圭螨鞫玻。爆破时，孔内的水将爆* 陋力均 匀传递给孔壁，以很高的压力挤 煤体，形成或扩大了煤体裂隙，并使之与其他裂隙沟通， 增加了煤体的透水性。爆破结束后，即可封孔j 主水。孔内爆破的作用是利用煤破产生的高 压作为注水的初始医力，打开裂隙，同时在爆破震动下，煤体得至蚣动，为正常注水创造 条件。经过孔内爆破的钻孔注水流量可以提高数倍至数十倒”。 2 4 水力压挤技术囊黧扩机理 2 4 1 高压水对煤层压裂过程的定性分析 通过煤及煤层的形成过程可以了解到，煤分层中含有大量的原生微裂隙，而煤层中分 层之间存在着层理弱面，同时受地质构造的作用，在煤分层和煤层内部将产生与层面成一 定角度的构造裂隙。这种构造裂隙楸只存在于煤分层之中，也有可能贯穿于分层之间， 安徽理1 ：大学硕士论文 水力压挤的“三防”原理 故将其系统称为切割裂隙。 由于层理、切割裂隙、以及原生微裂隙的分割作用，在煤层内音粥其分害喊一些单独 的块体，而在块体内又分布着大量裂隙。 当采用水力压裂提高煤层的渗透率时，高压水对煤层的结构破坏过程不同于实验室单 轴压缩条件下破坏过程。单轴压缩作用下煤的破坏是煤体在外力作用下的破坏，而煤层注 水压裂破坏是借助流体水在煤层各种弱面内对弱面两壁面的支撑作用，使弱面发生张开、 扩展和延伸，从而对煤层形成内部分割。这种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加 了裂隙等弱面的空间体积，另一方面通过裂隙等弱面的延伸增加了裂隙之间的连通，从而 形成一个相互交织的多裂隙连通网络。正是由于这种裂隙连通网路的形成，致使煤层的渗 透率大大提高。 由于煤层在原始状态下其内部层理、切割裂隙、原生微裂隙、孔隙存在的规模和尺度 存在差异，以及这些弱面所在平面与原岩应力场中主应力方向之间的空间位置关系不同， 导致压力水在侵入其中的顺序和运动状态上也不样。在顺序e 表现为先从张开度大、联 接能力弱的级弱面开始，然后到二级弱面，最后到分层中的原生微裂隙和孔隙中。而压 力水在煤层内的运动状态匕可依次分为渗流、毛细浸润和水分子扩散三种状态。 在渗流状态下，水首先沿着规模大的层理或切割裂隙流动，保持渗流工作状态的一个 特点是压力水的最大压力不应超过某极限值，当水的注 压力很高时，和渗流状态时一 样块体并不发生破坏，而表现为水在压力作用下提高层理或切割裂隙的张开度和导液性上， 表现出该弱面的扩展和延伸。 在层理或切割裂隙张开度增大的过程中，其张开壁面的切向拉应力增加，当在某位置 的切向拉应力大于与此相连的次级弱面的壁面之间的联结力和相应切线方向的原始应力之 和时，将在该位置发生次级弱面起裂，水在压力作用下将进入其中，同样发生e 一级弱面 所经历的扩展延伸过程。依次规律反复发展下去，直至达到煤分层中的微裂隙，水便达到 对煤层的逐级分割作用。需要说明的是，无论是祖哪_ 卟锻别的裂隙弱面发生扩展和延伸 的过程中，均会伴随有水的扩散和毛细浸润过程。 根据以上的分析，压力水在煤层内的运动过程可表示为图l 。 通过以上定性分析可知，压力水对煤层的压裂破坏过程，是通过对各级裂隙弱面产生 内压，从而导致裂隙弱顽在空间e 发生扩展和延f 申来实现的，是建立在原始裂隙弱面的基 础上的扩展延伸以至相互贯通的分解过程，并不是产生新自啾隙而对煤体产生压裂分解的 过程。 总之，通过匕瘟的定性分析可以得出以下几点结论： 安徽理工大学硕士论文 水力压挤的“三防”原理 1 ，级弱面2 ，二级弱面3 ，三级弱面 图1 压力水流动次序示意图 f 电1 t h es e q n c e c 瞰0 f p r e s s u r e w a m e r m a v e m e m 1 1 压力水在煤层中的流动压裂过程是有一定顺序的，即由张开度比较大的层理或切割 裂隙等一级弱面开始，而后是二级裂隙弱面，依次下去，直到煤分层的原生微裂隙。 2 ) 水在煤层内的运动状态具有渗流、毛细浸润和水分子扩散三种状态，且在渗流过程 中伴随有毛细浸润和水分子扩散过程。 3 1 压力水的压裂分解作用是通过水在裂隙弱面内对壁面产生内雁佑用下，导致裂隙弱 面发生扩展、延伸、以至相互之间发生联接贯通过程来完成的，该过程是建立在原始各级 弱面的基础上的变化过程。 4 1 正是通过压力水剐煤体的以e 压裂分解过程，导致内部裂隙弱面的扩展、延伸、以 及相互之间连通，才形成了相互交织的贯通裂隙网络，从而达到了提黼渗透率的目的。 2 4 2 注水压裂裂稼弱面的扩展延伸的机理1 ”“1 钻孔在高压水的作用下发生起裂后，水在注水压力作用下进入煤层之中，并在煤层中 的层理面、切割裂隙，以及原生裂隙等各级弱面内通过对弱面面壁产生内水压力，从而产 生空间上的膨胀，促使该级弱面发型槲展和延冲，并逐步珀蝴中相互! 萄鳓贯通 网络，造成煤层的压裂分解。这1 据都是通过各级弱面的内水压力来完成。各级弱面在 内水压力作用下的扩展和延伸，首先应满足注入水压力大于渗失水压力这一条件。 所谓注入水压力，是指水注入弱面充水空间时的压力，该压力主要由注水泵来提供。 而渗失水压力是揩由于煤体本身是种多孔隙介质，因其浸润和毛细作甩战成部分水的 散失，从而引起注入水压力降低而失去对弱面充水空间起膨胀作用的那部分水压力。对于 层理面和切割裂隙等具有一定充填介质存在的弱面，压力水渗炷要发生在裂隙充水空间 安徽理 ：人学硕士论文 水力压挤的“三防”原理 边缘部位置处；对于煤允甚中的腺生微裂隙，则以裂隙弱画空f 司壁衄上的漫润和毛细作用 散失为主。若保证注入水压力能对弱面空间起到扩展和延伸作用，则必须保证注入水压力 大于其渗失压力，这样才能保证内水压力的储存和增加，5 l 而保 正该弱面发生空间上的扩 展、展开，