预后老师指导教师

号 级：公 水平井分氮气伴注压裂增透研Keytechnologyresearchofhorizontal-wellstagednitrogeninjectionfracturingforincreasingthepermeabilityofcoalseams申请 申请 工程企业导李玉教授提交日 矿业工企业导李玉教授提交日

理工大时光如梭，转眼两年半的学习生涯即将结束，心中不舍的是这两年多对理工大学的挚爱情感，更舍不得朝夕相处的老师们和。在此，感谢本篇是在导师的悉心和殷切指导下完成的，在完成之际，首先向尊敬的导师倪老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意。在我的心中，导师是一个思维缜密、治学严谨、博学多识、果断干练的高大伟岸一生来学习和效仿。导师在撰写过，倾注了大量的心血，给予了我很多宝贵的指点，让我从对一开始的迷茫到逐渐的结构清晰、有条不紊，将使我终生受益。在生活中，导师给予了诸多我慈父般的和爱护，让我感觉到了家的温暖；这些都会成为我以后努力奋斗的动力和精神，在科研的道本在研究过，得到了企业导师李玉魁教授级高工的大力支持和无私帮助，同时也感谢省煤层气公司的和同事们给我耐心讲解现场的煤层气开况，使我对煤层气现场情况有了深刻的体会，这种经历，我将铭记在心，伴随一生。、及师妹稳，我们在学习生活上的热切交流，共同营造了积极再次，感谢文中所参考文献的编、译、作者的情谊和期望将是我不懈奋斗的动力。在此向各位亲友致以敬意与谢意！最后，要感谢各位评审、教授、老师在百忙之中参与本文的评审工作，真心期待得到各位的的批评和指导。的限制，改造范围有限；羽状水平井的产气量依赖于煤储层原始渗透率；水平井分压裂可以弥补垂直井产气“点”的局限性，增加供气面积，同时弥补了羽状水平井对储层原始渗透率的依赖，应用前景广阔。煤储层属性差异决定了压裂工艺参数的区别。果表明：I、II类煤峰值前加卸载渗透率变化幅度较小，峰值后加卸载渗透率变化幅度较大，此类煤现场压裂时应尽量增加压裂时间和排量。III、IV类煤易碎特点借助光学显微镜、扫描电镜、低温液氮孔径测试等观测方法，结合数值模拟，得出了研究区孔裂隙结构特征和不同尺度孔裂隙下气体渗流规律。即：孔隙主要以微孔为主，小孔次之，大中孔最少；连通性从大到小依次排序为：毫米级裂隙、渗流孔隙、微米级裂隙，但对渗透率的贡献率从大到小依次为毫米级/结合构建的注氮气储层能量变化、导流能力变化数学模型，查明了注氮气对煤储1Pa时，储层压力改变明显，能0.2~1.4Pa20Pa时，注氮气后的导流能力改善效果好，增幅在30~60um2·m；注氮前后孔径分布表明：氮气对小孔、中孔的孔容具有较明显的改善作用。在此基础上，对鹤壁六矿水平井分压裂施工参数进行了优化，得出：水平500m时，分91压裂较好，每需压裂液量300m3左右砂量50m3左右氮气注入排量在0.5m/min左右现场两种不同压裂数下的产气效果对比一定程度上验证了优化的准确性。水平井分压裂研究为相似地质条件下储层改造提供了借鉴。： Thecharacteristicoflowpressureandpermeabilityinourcountrydecidethatwhenverticalwellisusedtoreformthereservoir,getridofthelimitof“point”isinevitable,andthescopeoftransformationislimited;thegasproductionofpinnatehorizontalwellismuchdependsontheprimitivepermeabilityofcoalreservoirs;thehorizontalwellstagedfracturinghasawideapplicationinthefuture,itcanmakeupthelimitationof“point”inverticalwells,andincreasetheareaofgassupply,alsoitcanmakeupthe ingthatpinnatehorizontalwellattaenttotheprimitivepermeabilityofcoalreservoirs.Thediversityofreservoirpropertiesdecidesthedifferenceofthetechnologyparametersoffracturingtechnology.Inordertogetthebestreformationresultsofhorizontalwell,thecoalreservoircharacteristics,geologicalfeaturesandthesituationofminingdeploymentortootherfactorswereyzedsystematicallyinthispaper,thentheareaofdevelopmentevaluationofCBMingroundisdetermined.Onthisbasis,theevaluationindexsystemofevaluatesdistrictanddeterminationofwelltypewereestablishedseparay,thenorthernpartofevaluatesdistrictwasthepreferredareausingmultiplefuzzycomprehensiveevaluationmethodbycomparison;Basedontheconsideringofcoalmineworksafety,thedeveloshouldrelymainlyonhorizontalwellandtheverticalwellasthesupplementaryinthefirstselection.accordingtothetestofdifferentcoalbodystructurestressandstrainandpermeabilityindoors,itturnedoutthat:thechangeofpermeabilityofIandIIloadingandunloadingprocessbeforethepeakwassmaller,loadingandunloadingprocessafterthepeakwasbigger,suchcoalshouldincreasefracturingtimeanddisplacementasfaraspossiblewhenfieldoperation;thepermeabilityofIIIIVcoalchangedgreatlybecauseofthefragilecharacteristicandthefissurewaspronetoclogging,thereconstructioninfieldismorelimited.Withthehelpofsomeobservationalmethod,suchasmicroscope,scanningelectronmicroscope,low-temperatureliquidnitrogenaperturetest,combinedwithnumericalsimulationinthepore-fissurestructurefeaturesandseepagelawunderdifferentscalefracturesinresearchareaweregot.Thatistosay,Theporearemainlycomposedofmicroporous,aperturessecond,largeandmediumporetheconnectivityfrombigtosmallwasmillimeterfracture,seepagepore,micronfracture,butthecontributiontopermeabilityfrombigtosmallwasmillimetersfracture,micronfracture,seepagepore;Theeffectofincreasingenergyandbreathabilityonreservoirswerefoundoutbyadsorptionpermutationexperiments,experimentoftheconductivityofhydraulicfracture,combiningwiththebuildingofnitrogeninjectionreservoirenergychangeandmathematicalmodelofflowconductivity.Theresultsshowthat:whennitrogeninjectionpressureisgreaterthan1MPa,thechangeofreservoirpressureisobvious,risingabout0.2~1.4MPa;Whentheclosurepressureislessthan20MPa,theflowconductivityimprovementeffectwasbestafternitrogeninjection，theincreasesisabout30~60um2·cm.Thetestofporesizesdistributionbeforeandafternitrogeninjectionshowedthat:nitrogengashadobviouslyimprovementforporevolumeoftinyandmediumpore.Onthesebases,NO.6coalmineinHe-behorizontalwellstagedfracturingconstructionparameterswereoptimized.Theresultsshowedthat:whenhorizontalsectionis500m,9-11sectionsoffracturingwereneeded.Eachparagraphshouldbearound300m3fracturingfluid,andsandcontentshouldbe50m3orso,andnitrogeninjectioncapacityaround0.5m3/min.Tosomedegree,thecontrastofgasproductionresultsoftwodifferentfracturingstagesshowtheaccurateoftheoptimization.Thestudyofthekeytechniquesofstagedfracturingprovidesareferenceforthesamephysicalreservoirreconstruction.:stagedfracturing;nitrogeninjection;increasedenergyandseepagelaw;parameter 绪 研究目的与意 国内外研究现 水力压裂裂缝起裂/延伸规律研究现 煤层注氮气运移及能量变化规律研 水平井分水力压裂参数优化及效果评 存在的主要问 本文的主要研究内容及主要创新 主要研究内 主要创新 技术路 鹤壁六矿煤层气开发井型的确 鹤壁六矿地质概 鹤壁六矿煤层气开发有利区块优 地面开发煤层气有利区优选的影响因 鹤壁六矿煤层气开发有利区的确 鹤壁六矿煤层气开发井型确 煤层气开发井型确定评价体系构 开发区井型的确 本章小 分压裂水平井裂缝起裂、延伸规律研 水平井井身结 水平井分压裂方式的确 水平井分压裂工艺流程及特 不同煤体结构煤样压裂裂缝起裂、延伸规 本章小 分压裂氮气伴注增能增透机理研 鹤壁六矿煤储层孔隙结构特 鹤壁六矿煤储层裂隙结构特 基于蒙特卡罗方法的裂隙网络构 蒙特卡罗方法原 不同煤体结构不同尺度裂隙组合渗流特征研 Ⅰ、Ⅱ类煤不同尺度裂隙组合渗流特 Ⅲ、Ⅳ类煤不同尺度裂隙组合渗流特 注氮气对煤储层增能作用机理研 二元气体等温吸附、置换实验测 注氮气对流体压力梯度变化的影 注氮气前后储层压力变化数理模型构 注氮气对煤储层增透作用机理研 压裂后裂缝导流能力实验测 注氮气对孔裂隙结构变化特征研 注氮气对孔裂隙导流能力的影 本章小 鹤壁六矿水平井分氮气伴注压裂工程应 鹤壁六矿煤层气水平井分压裂参数优 鹤壁六矿煤层气水平井分压裂施工分 水平井分压裂产能预测数学模型构 压裂改造后裂缝形态数学模型构 压裂改造后产能预测数学模型构 氮气伴注压裂效果评 本章小 结论与建 结 建 参考文 作者简 数据 煤层气作为一种高效洁净能源及其与煤炭的密切关系，多年来一直受到各煤炭生产国的广泛关注自上世纪八十年代开始投入4.3亿用于基础理论研究，根据自身的地质条件形成了煤层气地质理论，认识到煤层气产出遵从排水降压-解吸-扩散-渗流过程。在此基础理论的指导下发展了储层强化技术和排水采气技术，个煤盆地中的 个盆地实现商业性开发。 年产气量达到 亿之后10均维持在500亿m3以上。我国在借鉴、吸收成功经验的基础上，建成了山西沁水盆地和鄂尔多斯东缘煤层气，实施了山西柿庄南、、陕西韩城等勘探项目，推进了、、、、、等省区勘探，在煤层气勘探中取得了突破。2014年，地面煤层气产气量达到了36亿m3。省埋深2000m以10501.48m32014年其地面煤层气产1亿m3。为了开发省丰富的煤层气资源煤层气工作者先后在焦作安阳鹤壁平顶山等地进行了地面煤层气井的开发，除个别井产气外，其他井的产气效果并不理想。究其原因，大部分地区发育着碎粒煤和糜棱煤，只在局部区域发育有原生结构煤和碎裂煤。垂直井压裂工艺技术主要适合于原生结构煤和碎裂煤，储层改造时裂缝影响范围有限，开发效果不甚理想。针对这种煤体结构不好的储层，煤层气的产出更要从“面”改造的角度综合考虑整个成藏范围内裂隙分布特征、应力场变化规律、流体渗流变化规律的互动影响。水平井技术是从石油产业发展起来的一门新型技术。以前的水平井主要是在煤层中进行钻进一个主支后，再侧钻出多个分支，形成“羽状”结构来沟通煤层中的裂隙，多分支羽状水平井对于低渗特低渗煤层改造效果不甚理想。煤储层水平井分压裂技术是最近几年发展起来的新型技术，通过分压裂既可以弥补碎粒煤和糜棱煤中垂直井生产“点”的局限性，通过压裂可以增加水平井的供气面积。不同地区煤储层属性的差异造成改造泵注程序有所区别为了最大限度提高分压裂水平井的产气量，本文以鹤壁六矿二1煤层为研究对象充分考虑煤矿安全生产通过构建评价体系优选区块和井型；应用岩体力学、煤层气开发地质学等理论，系统分析氮气伴注分水力压裂裂缝起裂、延伸变化规律；采用室内实验与现场试验相结合的方法，研究氮气伴注增能增透机理；充分考虑水平井分压裂工艺，对其参数进气分压裂增透机理提供了更科学的理论解释，宏观的压裂施工与微观的裂隙网煤层气水平井分氮气伴注水力压裂关键增能增透技术的研究，主要集中在煤储层孔裂隙结构特征，水平井水力压裂裂缝起裂、延伸规律，氮气伴注的增能1国内外研究者对煤中孔隙从成因角度进行了分类[1-5]，划分为气孔、残留植物组织孔、次生孔隙或晶间孔、溶蚀孔等。煤中孔隙的成因类型划分为更清晰的认识煤层气的生成起到了极大的推动作用，但无法解释孔隙结构对煤层气赋存、运移的影响为了对煤的孔隙结构进行更清晰的表征国内外研究者采用压法[6-9]、低温氮吸附法[10-14]T扫描[1517]得出了不同地区孔隙结构特征[18-9]。以此为基础，得出了煤层气在不同孔径下的易于气体的储集和运移，气体以容积型扩散为主；小孔和微孔以不平行板状毛细管孔和墨水瓶状孔为主，易于气体的储集，不利于气体的运移，气体以分子型扩75nm为界限，分为吸附扩散和渗流两种状态，即孔径75nm时，孔隙中的气体以扩散为主；孔径75nm时，气体以渗流为主。孔径8nm为表面扩散，8~20nm为混合扩散，20~65nmen扩散；65~325nm为稳定层流；325~1000nm为剧烈层流；1000nm[20-22]。这些研究成果对表征煤孔隙结构起到了极大的推动作用，但仍无法表征复杂的孔隙结构。20究推向。国外把煤层中的裂隙称为割理，在煤层中延伸较远的称为面割理；2080年代。国内研究者借鉴了国外裂隙连通性等进行较精细描述，国内研究者们通过手标本、扫描电镜观测、核磁成像法等[29-31]，发现煤中裂隙呈网状、孤立网状、孤立状、S形等形状，并据此划2为了研究煤储层孔裂隙网络连通性，国内外研究者采用实验测试、模拟技术等进行了卓有成效的研究。通过压实验进行了不同孔所占比例、进、退效率和曲线形态方面的研究[32]onterlo模拟技术，建立裂隙网络模型，耦合出裂隙密度与连通性的关系，对比了不同分布情况下的裂隙连通概率[3334][35-43]。或基于孔裂隙逾渗理论，构建了反映裂隙多孔介质连通性的量化参数属性模型。根据裂隙多孔介质连通性参数特征，对裂隙多孔介质进行了类型划分[4445]，利用随机决策树森林（F）建立了多孔隙结构[46]，为孔裂隙结构构建及连通性研究提供了新的思路。水力压裂裂缝起裂/延伸规律研究关于水力压裂过裂缝起裂、扩展、延伸规律的研究，大多数是从实1、基于测试、煤岩属性参数与力学理论相结合的裂缝延伸规律研究透率实验并在加/卸载过对煤岩样不同变形阶进行了声发射测试认为：随有效应力增加，渗透率呈负指数减少[47]，煤岩吸水膨胀导致强度降低，基质收缩引起渗透率增加[849]，弹性变形阶渗透率随应力增加略有下降，弹塑性变形阶大量新裂隙的生成与贯通导致渗透率剧增加[50]通“砂岩煤泥岩不同组合煤岩样进行单轴压缩试验下关键前兆点位置对比，认为裂缝延伸出现差别的主要原因是煤样间的差异性和非均质性[51]。通过改变注水压力、流[52]用岩石力学、断裂力学、复杂位势理论等力学理论，构建了裂缝附近的应力分布函数，提出了通过裂缝尖端应变能量密度确定裂缝延伸方向的方法。得出了裂缝2基于岩移数值方法[59]、流固耦合理论[60]、岩体非线性理论及裂缝扩展模裂缝端部位移变化规律；采用数值模拟[61-64]，分析了水力压裂过程不同压裂传统的力学方法还不足以较好的阐明水力压裂过煤岩应力迁移微观变化应力应变过声发射参数响应特征，应用分形理论，引入声发射分维值D反映岩石微裂隙的演规律[65-67]；通过声发射事件对岩石[68]一些研究者基于储集层裂隙系统的非线性特征，提出了由相空间重建、裂隙的关联维分析及裂隙的突变理论等多的裂隙非线性预测技术，对准确确定储层裂隙发育带、裂隙系统的识别提供了全新的思路[69]。煤层注氮气运移及能量变化规律研煤对不同气体吸附能力的差异使人们联想到可以利用氮气驱替煤中的甲烷气体。关于氮气驱替甲烷方面的研究，或借助吸附势理论，通过等温吸附、解吸置[70-71]；或通过煤基质弹性自调节效应理论、煤储层综合弹理论得出煤储层弹性能平面和垂向分布规律727]，研究煤层气藏有效运移系统，深化了煤层气富集成藏理论。或应用表面化学、弹性力学、热动力学、能量守恒原理等，建立吸附气体膨胀变形的数学模型[7475]变形渗透率同步测试装置[76]测定变形过程中渗透率变化，得出了随有效应力增加，渗透率呈负指数减小的变化规律[77]。omol应变为流体运移规律研究提供了法[78]或基于逾渗理论，探讨了油气运聚的优势路径形成的动力条件，得出了流体运移优势路径的最优影响因素组合7980]，为流体运移路径选择提供了一种研究方法。或利用裂隙网络拓扑结构，进行了一系列裂隙中流体运移物理模拟实验，得出了不同网络拓扑结构体运移方向与裂缝宽度、方向的关系[81]，为流体运移方向、有利区带的Kozeny-Carman孔渗方程，端面分析维数、绝对/相对粗糙度对煤层气运移规律的影响[82-83]，为煤层气产能水平井分水力压裂参数优化及效果评1随着水平井技术在煤层气中利用日趋成熟，水平井分压裂技术逐渐以其良在对水平井压裂裂缝起裂延伸机理研究的基础上，对比分析了直井、水平井裂缝起裂、延伸特点[84]，得出了水平井压裂裂缝延伸优势所在；构建了裂缝形态数学模型85-7]，分析了压裂水平长度、裂缝形态及裂缝导流能力等对水平井产能的影响，得出裂缝条数、缝长及裂缝导流能力是影响产能的主要因素，裂缝间基于复位势及势叠加理论[889]，结合气体状态方程及拟压力函数，建立了多裂缝干扰下的产能预测模型，对水力压裂参数进行了优化设计，优化结果可以为水平井分压裂多裂缝优化研究提供参考；基于遗传算法[90]，根据不同储层属性特征构建了相匹配的压裂智能优化设计方法，采用计算机编码方法替代人工输入裂缝参数复杂方法极大程度上的加速了最优解搜索空间，不需人工干预，提高了压裂参数优化效率；基于固体力学和多相渗流理论构建了水平井分压裂裂缝优化模型[91]，结合有限元模拟方法[92-96]分析了水平井单一水力压裂裂缝条件下裂缝优化的影响因素。在对水平井裂缝优化影响因素分析的基础上，采用数值模拟方法[97]，研究了裂缝形态对水平井改造效果的影响，研究结果可为分压裂水平井的施工设计提供理论指导。在水力参数优化的指导下，对压裂施工工具，如施工、喷嘴的尺寸和个数、喷射排量和时间等水力喷射压裂关键参数进行室内试验测试[98-100]射孔深度越深，同时喷嘴磨损程度增加；喷嘴尺寸越大，射孔效果越好；该实验研究为水力喷砂射孔压裂工艺中关键参数的选取提供了重要依据。2、分水力压裂效果评通过模拟不同条件储层改造后渗透性的大小以及产气能力，对储层改造效果进行评价。变化规律，采用有限元模拟软件中热分析模块，模拟压裂过流体渗流变化规存在的主要问国内外学者对分水力压裂裂缝的起裂、延伸及水力压裂工艺参数优化进行1针对水力压裂过裂缝延伸规律，大多都是从测试渗透率变化、数2、注氮气压裂过，氮气的增能增透作用机理尚不明本以鹤壁六矿原始地质资料、煤矿勘探开发资料为基础，充分考虑气伴注分压裂前后孔裂隙结构变化，压裂裂缝扩展、延伸规律，储层能量变化应变加卸载过渗透率变化特征；根据岩石力学、弹性力学等理论，构建压裂过程分布特征；应用数值软件，构建不同裂隙尺度下的裂隙网络模型，研究化、压力梯度变化的数理模型，探讨不同注氮条件下能量变化规律；根据分压裂氮气伴注参数优化及效果评价研资料，对分压裂支撑剂、压裂液、施工排量、泵注程序等参数进行合理选择，优化出与该矿煤储层特征相匹配的对煤储层较小的参数优化方案；根据现场裂隙结构变化测试等，构建了不同尺度裂隙的裂隙网络模型，初步查明了不水平水平井分氮气伴注压裂关键增透技术研究地质资现场测煤地工煤气体等温吸附置换数应力应变渗透率测光扫数特征研水平井分1-1Fig.1-1Researchtechnique释放煤层应力，是实现煤层瓦斯消突的重要。要进行煤层气地面开发，需要鹤壁六矿位于鹤壁煤田东部太行断隆的东缘，范围南起张庄向斜轴部，37311煤层800mESSW向，长度约9.5k，宽度约2.7km，面积为18.6k2。227.7（李古道北.3（6873号钻孔100.4m丘陵与岗垄，丘陵顶部可见新近系粘土或砾岩层，矿井中南部发育第四系冲沟坳地和平坦地带。该矿井构造形态为地层近S，倾向E，倾角038°的单斜构造。主要构造形迹为轴向近EESEE向小型背向斜相复合和EE向正断层经采掘和钻孔控制矿井范围内断52100m2条，分别为F40、44150100m4条，3050m15条，1030m16条，5~10m15条。另外，尚有落差小于5m的小断层80余条这些小断层均为正断层方向多与主干断层方向呈锐角或近于平行；成因主要为大断层的派、次、伴生断层。形成的区F40-1150m400m1.5发育，且呈局部地带相对集中，密度大的特点；地层产状急剧变化处较为发育，多。总体讲，小断层一般是正断层，方向多与主干断层方向呈锐角或近于平84424个。在褶曲相交的部位形成构造盆地或鞍状构造。其中张庄向斜为南部六、八矿分界线延伸长度2800m，向东倾伏的向斜；682-11背斜位于张庄向斜北侧，71-14-82-41800m，71-14-82-4向斜轴部近似呈ES2700m，两翼产状基本对称，且轴部被F876-10、6F10贯穿；71-15向斜位于中部，轴部近似呈NS向，2850m，向斜两翼产状东陡西缓；74-712-15向斜近似平行，两翼产状东缓西陡，且背斜轴部西翼小断层较多；44-31100米，向DFDF15、DF17、DF18、DF19、DF20围绕。综合鹤壁六矿地质构造特征分析，确定构造类型为中等构造。到目前为270925m2，无水。内未发现岩浆岩。具体鹤壁六矿构造纲要图如图2-1所示。气井的产气量与煤储层参数关；构造及水文地质特征也会对煤层气的开发比例尺矿煤推测向斜推比例尺矿煤推测向斜推测背斜断小断2-1Fig.2-1StructuralmapofHebiNo.6煤矿区进行煤层气地面开发时，首先需要考虑矿井生产需求。在矿井3-5年的区域，部署地面煤层气井，对瓦斯进行采前预抽，为煤矿后期安全生产提供保障。在采掘工程平面图上可看出，采动影响区位于上部区域，在采动布置。在采动区一定距离外，3~5年内矿井开拓延伸不到的区域，作为本次有利区块优选区，并把有利优选区分为南部、中部及中北部三个区域。鹤壁六矿矿2116工作图例推测背斜推测向斜煤巷道小正断6Fb边界ab 含气2116工作图例推测背斜推测向斜煤巷道小正断6Fb边界ab 含气量等值2-3 Fig.2-3GascontentdistributiondiagramoffavorableArea 采动影响南中北采动影响南中北中矿比例尺煤推测向斜推测背斜断小断Fig.2-2ExcavationengineeringdeploymentdiagramofNO.6coalmineinHe-2-310~25m3/t，且其南鹤壁二1煤层垂向上煤层具有浅部（南翼浅部90%以上的煤厚点5~7m之间，北翼浅部93%的煤厚点在6~12m之间深部煤层较厚（一般8~14m）的3.45~17.51m8~10m，表现出煤层厚度较大，但变化亦大的特点；南翼煤厚4.65~11.48m，一般6~8m，比北翼小，但煤层厚度变化小。另外，自西向东煤层厚度呈递增趋势变化。因此，鹤壁气的解吸产出。鹤壁六矿煤储层渗透率在0.03~0.05mD之间。本煤层在形成后后期构造破坏使煤层储层渗透性变差，渗透率普遍较低。煤体结构的分类方法很多，根据瓦斯地质学基础理论，将煤体结构划分为原生结构煤（I类、碎裂煤（II类、碎粒煤（I类）和糜棱煤（IV类）四种。不同煤体结构煤岩密度、裂缝密度、煤岩强度等的不同表现出不同的测井响应。大中子测井值高；自然伽马低、体积密度低、自然电位低。本节主要通过测井曲线判识，并结合钻井取芯观察，把鹤壁六矿煤体结构划分为原生结构煤、碎裂煤和构造煤三类。II类煤为主的局部区域。2-1。2-1 Tab.2-1Divisioryresultofdifferentstructureabout 煤

井

煤体结号号径变 命率1686.1- Ⅰ类煤（15%）Ⅱ类煤（65%）Ⅲ、Ⅳ类 的Ⅱ类2 Ⅰ类煤（5%）Ⅱ类煤（73%）含Ⅲ、Ⅳ类 的Ⅱ类3634.4- Ⅰ类煤（13%）Ⅱ类煤（72%）Ⅲ、Ⅳ类 的Ⅱ类4 煤储层压力和压力状态是煤层能量大小的重要表现，对煤层气解吸产出有重要影响。煤层气的开采需要足够的压力，将气体从储层排驱到井筒中。鹤壁六矿石炭二叠系煤储层压力梯度为0.45~0.86P/hm8孔煤储层原始压力为3.43P0.53P/hm力梯度小于正常的静水压力，煤储层压力较低，表明煤层的能量较低，需要降低较多的压力才能使气体解吸产出，对煤层气采收率有一定影响。使煤层的连续性、完整性破坏。因我国煤储层渗透率普遍较低，需进行储层从鹤壁六矿地质构造纲要图可以看出，鹤壁六矿有利评价区的北、中、6F13、6F14、DF44-3向斜的6F15-16F15-26F7682-11对简单，且位于6F7、6F12层之间，该区域范围较大，比较适合煤层气的开发。1煤有顶板砂岩裂隙含水层，单位涌水量为q＝0.0137~0.219L/s.m，富水性弱~1C3tL80.0123鹤壁六矿煤层气开发有利区的确12-2所示：2-2 Tab.2-2Evaluationsystemofoptimumpositioninfavorable 一 指

备选择 较 一 较

小较一较大 特 IⅡⅣ 渗透率/ 0.2- 0.2- 0.1- 储层压力Mpa5-4-3-地 少较中较多特（

0.1— 2得到不同层次不同评价指标对评价结果的影响程度，并由对两级评价指标分别进行打分，然后进行分数定量化处理，即可以得到各评价因素集的权重值。根据统计原理，建立了各 间的一级权重数学模型,Mm1,,

设第i个因素的指标评价体系为Riri1,ri2, ,rim，得到构建的二级指标权重 rrr2mrnrrnm 23V=｛好，较好，一般，较差，差uAu 0.9uAu A AA AuAu 2-3所示：2-3 Tab.2-3Comparisontableoffavorable 好较一较差量化值048~10m之间，且5~16m。15~25m3/t0.03~0.05mD较弱，煤体结构以含III、IV类煤的II类煤为主。0.53MPa/hm，煤储层压力较低。地质构造是影响鹤壁六矿煤层气开发井型选择的问题，水文地质特征是采掘影响区以下区域中北部断层数量较少，仅有一条DF66F15-1、6F76F15-2鹤壁六矿二1煤储层底板直接充水含水层为C3tL8-中等。2-4所示。2-4Tab.2-4Fuzzycomprehensiveevaluationsystemoffavorablearea coalbedmethanedevelopmentofNO.6coalmineinHe- 隶属关名权名名权名权区好较一较差南000煤层厚 中000变00南000中000煤000储南00 中00特00征南00煤体结中000000南00储层压中00000南000地 断中000构000地南000特 水文地中00000000000.20.1000000.20.1000.180.540 BAR0.80.200.70.30000.660.340

00.50.50 0.45 0.06=0 0 71.21分、71.46分、79.9分。因此，把有利区中北煤层气地面开发首选区确定后，需要选择合适的井型进行开发。目前，我国2-5。2-5 Tab.2-5EvaluationsystemofthedetermineaboutWell 井型一级指确定标 好较备选择一较差7-4-2-

特

煤体结构(u13) I类 渗透率/ 0.2- 0.2- 0.1- 储层压力/ 高 较 一 较 瓦斯抽采效果抽采效率高抽采达 效率中 效率较低效率 容 较 因 影响较有所影影响较 简中复钻 条 容中较难 0.6-0.3-0.1-开发区井型的确12-6所示。2-6Tab2-6FuzzycomprehensiveevaluationsystemoftheWelltypebout methanedevelopmentofNO.6coalmineinHe- 名 权 名 权 井 较 一 较 特煤安 生钻条

煤 厚 煤 结储 压 采衔 人 因地 构 坚固 系

23价。煤储层特征评价因素集B1、钻井条件评价因素集B2的一级评价结果如下： B1A1R10.30.10.20.3 000.6350.3450.02 00.75 B2A2R2B2A2R200000 0.5 0= 因此，根据各等级所对应百分制量化值表，可得到垂直井、水平井井型的评79.8875分、77.15分。77.991分、78.945分。稳定，煤变质程度较高，煤体结构较好，f0.45水平井分压裂是最近几年发展起来的一种新型压裂技术压裂工艺有多种水力喷射压裂因其工艺相对简单、工程风险低而成为目前主要的压裂技术。本论文以此压裂为基础进行研究。煤体结构的不同导致裂隙发育程度、煤岩力学性质等差异，导致压裂时裂缝起裂、延伸变化规律的不同，进而引起压裂泵注程序的不同，最终影响着压裂效果。要对压裂泵注程序进行优化，首先需查明不同煤体结构下压裂裂缝起裂、延伸变化规律。基于此思想，本章首先介绍鹤壁六矿的水平井井身结构及压裂方式然后在进行不同煤体结构煤的应力应变渗透率实验，得出不同煤体结构煤裂缝起裂、延伸变化规律。在此基础上，根据水平井水力喷射压裂特点，得出分压裂水平井裂缝起裂、延伸变化规律。井井位及井身结构。这部分不是本的重点，在此仅介绍其井身结构。鹤壁六矿共实施了两口水平井两口采用同一种井身结构下面以BS1U三开结构。一开主要是在黄土层钻进，钻至基岩以下。二开在一开钻进结束时开始钻进，钻至见煤点结束。然后采用三开继续钻进，直至钻进结束。垂直井采用两开结构。整个钻进过全井总进尺1315.00m，水平进尺583.00m，S13-1所示：3-1HB-S1Fig.3-1HB-S1wellstructure等。这些分压裂工艺特点如下表3-1所示：表3-1分压裂工艺技术特点一览Table.3-1Thefeatureslistofstagedfracturing分分压裂工艺类特

征，HB-S1井采用水力喷射与氮气伴注相结合的储层改造工艺，水力喷射是集射1、水平井分压裂工艺流通洗井。用合适尺寸通井规通井，并用活性水将井筒干净组装水力喷射工具，下入压裂施工至第一个设计压裂位置行第二次射孔、压裂，然后依次按照上述方法完成全部压裂压裂施工，最后起2、水平井氮气伴注分压裂工艺特氮气压裂与传统水基压裂相比优越性主要表现在①液视粘度高携砂和悬砂性能好支撑剂在液中的沉降速度与水基液的沉降速度相比较低有较好的携砂能力，可以有效控制裂缝形态的发展，降低压裂液在多裂缝发育的煤层中的滤失性。②液滤失系数低，液体滤失量小。液浸入裂缝壁面的深度一般在12.7m以内。③液体含量低，储层小，特别是对粘土含量高的水敏性地层可减少粘土膨胀；④摩阻损失小，液摩阻比清水可降低40%～60%⑤压裂液返排速度快排出程度高氮气压裂井平均1.5天排液完成后开始产气。而大大地提高入体的返排速度，将入体大量排出地面，这对于开发低渗流能力；而氮气属于惰性气体，仅微溶于地层流体，不会引起储层的。研究不同煤体结构不同裂隙发育程度裂缝起裂、延伸规律，是指导水力压裂从而减小了裂缝的有效沟通长度，对储层改造产生负效应。因此，煤体结构对裂缝延伸的正效应与不同裂隙发育程度的负效应的耦合作用的相互匹配，在水力压裂过对储层改造起着动态的影响作用。不同煤体结构煤样应力-应变-规律的不同。为了查明不同煤体结构、不同裂隙发育程度的煤在加载过应力-11实验的主要设备包括RMT-150B岩石力学实验系统、试件加工设备—钻石机、mm百分表及百分表架和天平（1000g0.01gFig.3-2TestingsystemofrockmechanicsaboutRMT-2、煤样及测试方煤样根据煤炭工业部标准MT38-48-87《煤与岩石物理力学性质测定方定要求，并结合鹤壁六矿煤样易破碎特点，鹤壁六矿I类、II类煤样加工成直径为50mm50mm3-3所示。且鹤壁六矿部分煤体破坏较严鹤壁六矿已有的煤岩性质用煤和一定量的水泥混合，在模具里加工成直径为50mm50mm的圆柱体。图3-3煤样实物Fig.3-3RealproductsdiagramaboutPreparationofcoal3-23-2 Tab.3-2Testingschemeofcoal 围857855采用围压/0.5MPa/s的速度加载至5.00与8.00Mpa0.1MPa/s5.00Mpa时，加载结束。在加载过通体注入管路，进行气体（氮气）注入，其中进口压力2.202Mpa0.00500mm/s速度继续进行轴向加70%附近停止。0.00500mm/s速度进行卸载，卸载1Mpa左右。（2（3煤是一种复杂的多孔介质，其裂隙是水和煤层气储集场所与运移通道，（应变渗透率的研究较多对于IIIIV类的研究相对较少于此类煤样品较因此本次实验以型煤来代替进行不同条件下的加载实验，研究其应力应变过渗透率的变化。I、II类煤应力-应变-根据鹤壁六矿的I类II类煤样制成的煤柱进行三轴循环加卸载试验测试，3-4所示：3-4Fig.3-4PhysicaldiagramofCoalsampleaboutbeforeandafterfracturingofNO.6coalmineinHe-be3-5、3-63-5H49Fig.3-5TrialresultoftriaxialcompressionaboutCoalsampleof3-6H51Fig.3-6TrialresultoftriaxialcompressionaboutCoalsampleof通过图3-53-649.412~64.823MPa，煤样产生的轴向最大应变范围为0.0127~0.01854；弹性模量最大变化范围为4.360~4.956GPa；值前后加卸载过渗透性变化特征不同加卸载路径下煤样的孔裂隙演化特征不同渗透性变化特征亦不同。通过对鹤壁I、II类煤样H49、H51进行分析，其变化规律大致相似。为了避免重复性论述，本文以H51煤样的为例进行峰值前后加卸载过3-7所示。 H49煤 H51煤图3-7峰值前加卸载过应力-应变-渗透性关系Fig.3-7Relationshipdiagramofstress-strain-permeabilityduringloadingandunloadingprocessbeforethepeak呈线性形式增加；渗透率呈现先迅速减小，最后缓慢减小。当应变增加至6.3410-6μm21.4110-6μm2始加载时，煤样应变对应力敏感性较强，应力的小幅增加，即可产生应变，且刚开始的加载阶属于压实/弹性变形阶煤中原始孔裂隙闭合，导致了渗透率降低当应力达到42Pa时加载过程结束进入卸载阶此时应变降低速度与加载过应变增加速度近似一致，渗透率变化先增加后趋于平稳，渗透率增加1.4110-6μm22.5110-6μm2过煤体发生了弹性变形同时在局部区域也存在着不可逆的塑性变形，卸载结束后，由于应变恢复不到原来的状态。因此，卸载后的渗透率要低于原始渗透率。果如图示H49煤 H51煤图3-8峰值后加卸载过应力-应变-渗透性关系Fig.3-8Relationshipdiagramofstress-strain-permeabilityduringloadingandunloadingprocessafterthepeak从图3-8可以看出峰值后加载阶随着加载的开始渗透性开始降低当0.001960.0087862.410-6μm29.6210-7μm2，达到最小值。主要是由于弹性变形引起孔裂隙的闭合。随着加载的继续进行，渗0.0087860.0126来的9.62×10-7μm2增加至7.07×10-6μm2，此时加载过程结束。卸载过程开始初期6.28×10-6μm238.6MPa6.28×10-6μm28.48×10-4μm2，说明峰值后加载阶煤岩产生了新的裂缝，卸载后新的裂缝就成为了流体通过对III类煤样峰值前后两次加卸载过程渗透率变化特征的分析可以得渗透性曲线较应力应变曲线滞后渗透性曲线较应力应变曲线滞后性明显说明峰值后的加载过程煤岩的孔裂隙结构在逐渐发生变化随着加载应力的增加，煤岩开始形成新的裂缝，并在煤岩中扩展、延伸，当加载结束时，由于应变改变的滞后性，应变会持续增加一时间，然后开始逐渐减小。而渗透率由于新的裂缝产生，导致了煤岩渗透性远远大于峰值前加卸载过程渗透率。I、IV类煤应力-应变-鹤壁六矿的III类和IV类煤样，在里采用机将煤样进行破碎40~80目的煤粉，放入容器中，然后加入少量水后搅拌均匀，并按后成型为Φ50mm×50mm3-9所示。煤样 煤样3-9Fig.3-9Physicaldiagramofthebeforeandafteraboutbriquettecoalsample根据型煤的应力-应变-渗透率实验测试可得到型煤煤样在应力加载过的3-3所示。3-3Tab.3-3Testresultsofpermeabilityvariationduringloadingprocessofbriquette煤密峰值应弹性模峰值应（/10-9.6610-4~1.1810-7.3210-4~4.1810-7.9610-4~3.8410-8.3510-4~2.6810-3-3.47~16.57P0.03476~0.038157.3210-4~4.1810-3um2在制作过煤体孔裂隙结构已经破坏，初始损伤较严重，在加载过，导致渗透率较高，因此，只是反映了煤体的易碎程度。反映不了IIIIVIIIIVYXZRMT-150B岩石力学实验系统作用下，煤样受到垂向及环向应力的共同施x方向的YXZ3-10Fig.3-10ExtensionfeaturesofCoalseamcracksinexperiment在应力应变渗透率试验过，由于煤样受到的剪切应力大于煤体内聚力，使得裂缝不断扩展和延伸，导致了煤样渗透率也随之不断变化。而应用于生产现场的煤层气井水力压裂增透技术，即是利用水的不可压缩性，在煤层各弱面内对煤壁面进行支撑使弱面发生张开扩展和延伸对煤层形成分割如图在与裂缝面正交的拉应力作用下，裂缝面产生张开位移而形成了一种张开型的裂y方向的位移分量不连续。而在层理或切割裂缝张开度增大的过，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，将在该位置处发生次级弱面起裂，水在压力作用下进入其中，同样发生上一级弱面所经历的扩展延伸过程，依此规律反复发展下去，直至达到煤分层中的微裂缝，水便达到对煤层的逐级分割作用。这种分割过程一方面通过弱面的张开和扩展增加了裂缝等弱面的空间体积，提理或切割裂缝的张开度和导通性；另一方面通过裂缝等弱面的延伸增加了裂缝之间的连通，从而形成一个相互交织的多裂缝连通网络。YYXZ图3-11现场水力压裂过煤层裂缝扩展特Fig.3-11ExtensionfeaturesofCoalseamcracksduringthehydraulicfracturing④水力压裂过忽略煤层内上下之间的应力差及液体的滤失⑤煤层压裂起裂方向与延伸方向相同，天然裂缝存在基础上的压裂起裂方基于上述假设，裂缝将在拉应力最集中处发生起裂，天然裂隙裂缝不同发育γγ=-2βHhHhcos

式中：γ为天然裂隙破裂点正应力，MPa；h为最小主应力，MPa；H为最大主应力，MPa；γ为压裂扩展方向与原裂隙长轴夹角。

rSf

储层孔隙压力，MPa0。PfthSt

式中：Pft为煤层破裂形成裂缝的极限压力，MPa；St为煤体抗张强度，MPa当Pff=Pft时，即水力压裂时在天然裂隙和未有天然裂隙的地方同时破裂，此时可求出极限夹角γ0，从而求出天然裂隙面与最大水平主应力的临界夹角0，即-

2=2

h式中：0为天然裂隙与未有裂隙同时张开时天然裂隙面与最大水平主应力的临界不同煤体结构不同裂隙发育程度煤储层的煤体结构不同，采用的压裂工艺技术有所不同，在压裂的过，压裂裂缝裂隙的扩展延伸规律也不尽相同。就目前的压裂工艺技术条件而言，压裂的目的层主要选择原生结构煤和碎裂煤，有利于煤层气井压裂改造的过根据煤样应力应变渗透性测试及不同裂隙发育程度煤体裂缝起裂扩展延伸规律，探讨煤储层在压裂的过压裂裂缝的扩展延伸规律。1、I、II针对I、II类煤而言，由于原始裂隙发育程度的差异性，在压裂的过，压I、II3-12所示。在天天然裂最大主应力方3-12Fig.3-12Developmentoforiginalcrackaboutcoal在压裂的初期阶压裂液持续泵入煤储层，原始裂隙的逐渐升高，当原始裂隙中的高于煤储层的起裂压力时煤储层的原始裂隙在的作用下开始起裂延伸。裂缝延伸后，由于裂缝体积空间变大，裂缝中的降低，此时裂缝在的作用下，继续延伸，但裂缝延伸的方向以原始裂隙的方向为主，即沟通煤储层中的原始裂隙，形成初始阶的压裂裂缝，如图313所示。由于煤储层的起裂压力相对较低，且原始裂隙发育的数量与压裂形成的裂缝相比，数量相对较少，因此，压裂前期阶的持续时间相对较短。天天然裂最大主应力方图3-13煤储层原始裂隙发育时压裂初始阶的裂缝延伸方Fig.3-13FracturingcrackextensiondirectionoftheinitialstagewhentheDevelopmentoforiginalcrackaboutcoalreservoir3-14所示，由于煤储层中未发育原始裂隙的区域相对较多，因此，后后期阶裂缝延伸方天然裂初始阶裂缝延伸方图3-14煤储层原始裂隙发育时压裂后期阶的裂缝延伸方Fig.3-14Fracturingcrackextensiondirectionofthelatestagewhenthedevelopmentoforiginalcrackaboutcoalreservoir提高煤储层的渗透率，有利于煤层气井后期的排采，促进煤层气较大范围内的解I、II响，最终形成的煤的原始裂隙发育程度不同。对于原始裂隙不发育的I、II类煤，其裂隙发育状况如图3-15所示，据此分析在压裂不同阶的裂缝延伸扩展规律。天天然裂最大主应力方3-15Fig.3-15Nodevelopmentoforiginalcrackaboutcoal对于原始裂隙不发育的煤储层，在压裂的过，由于煤储层的原始裂隙不在整个压裂改造的过，当井底压裂液的静压力高于原始裂隙的起裂压力时，缝的延伸以最大主应力方向为主。同时，在压裂的过，当形成的压裂裂缝遇3-16所示。复杂的网状裂缝系统，能有效增加煤储层的导流能力，便于提高煤后后期压裂裂缝延伸方天然裂初始压裂裂缝延伸方最大主应力方3-16Fig.3-16Extendingoutspreaddiagramofcrackwhenoriginalcrackofcoalreservoirnotdevelopment2、III、IV的勘探开发过，对于煤体结构较破碎的III、IV类煤，利用水力压裂工艺对煤储层进行改造的相对很少。因此，不讨论III、IV类煤进行水力压裂时的裂缝扩展容易流体容易产生渗流导致渗透率较高仅反映了煤体的易碎程度反映不了ⅢⅣ类煤真实状态下的渗透率。从侧面也反映了IIIIV类煤水力压裂的局限性：根据岩石力学、弹性力学等力学理论，探讨了不同煤体结构、不同裂隙发育程度组合条件下的压裂裂缝扩展延伸规律，得出：I、I类煤原始裂隙发育时，裂缝延伸分为裂缝延伸初期、后期两个阶延伸前期阶延伸方向以原始裂隙方向为主，持续时间相对较短；延伸后期阶裂缝的起裂将在煤储层中无裂隙的区域，以最大主应力方向延伸为主，且持续时间较长。I、I类煤原始裂隙不发育时，压裂一开始即形成新的压裂裂缝，裂缝的延伸以最大主应力方向为主。与此同时，在裂缝延伸的过，遇到原始裂隙时，与其沟通，最终在煤储层中形成复杂的网状裂缝系统。水力压裂是煤储层改造最直接、最有效的增产方法。在煤层气勘探开发历程中，活性水压裂作为我国最成压裂技术广泛应用于煤层气开发中。我国煤储层地质赋存条件比较复杂，尤其在地质构造错综复杂、煤体结构分布不均、裂隙连通性较差的地区，采用单一的活性水压裂进行储层改造，可能会导致效果不甚理想，甚至有可能造成压裂失败。采用氮气伴注活性水压裂，对煤储层地质条件当氮气进入煤储层中，不仅增加了储层流体压力，进而提高了储层能量；同时氮气可以进入活性水达不到的孔裂隙通道，有效增加了孔裂隙通道的长度，并提高了流体在孔裂隙系统中的运移速度，从而提高了煤储层的渗透性，因此，研究注氮气对煤储层增能增透机理对储层改造效果具有重要的指导意义。基于此，本章通过测试、构建数学模型和数值模拟等方法研究了鹤壁六矿煤储层孔裂隙结构特征，模拟煤体中不同尺度裂隙的分布情况以及渗流特征，查明了注氮气对煤储层增能增透机理。煤是一种多级多孔储气空间介质，煤中甲烷主要是以吸附状态在煤孔隙75nm的孔隙作为渗流孔75nm的孔隙作为吸附孔隙。1煤储层孔隙结构测试大多采用的是压法或低温液氮吸附法。本文采用常用的孔隙测试方法-低温液氮吸附法。实验测试煤样来自鹤壁六矿，煤样粒径60-80ASAP2020比表面积及孔径分布测量仪，4-1所示。4-1Fig.4-1Specificsurfaceareaandporesizedistributionmeasurement24-1所示：4-11 Tab.4-1CryogenicnitrogenadsorptiondataofHebiTWO1 BET比表面

>10010-100 <10>10010-100 <10>10010-100 <10>10010-100 <10 矿>10010-100<10>10010-100<104-10.006155ET1.3371m2/g21.96%，15.4%小孔次之，大中孔最少。说明了鹤壁六矿煤中甲烷主要是以吸附态存在于微孔孔隙中，且各孔径比例差异较明显，大中孔较少，导致了煤层气运移阻力加大，不方式提供一定的指导意义。低温液氮吸附实验测试的吸附-4-2所4-2鹤壁六矿煤样吸附-Fig.4-2CurveofadsorptionandstripofcoalsampleofNO.6coalmineinHe-快速上升，然后平稳上升，最后快速上升趋势。当相对压力p/p0小于0.2时，吸附p/p00.2~0.8时，吸附呈近似线性增加，增加幅度较小，说明此时微孔的吸附p/p00.8力开始减小，脱附量呈现指数形式下降，且逐渐远离吸附曲线，下降幅度剧烈，说明吸附在大中孔隙中的氮气最先发生脱附现象，而且由于孔径相对较大，氮气很容易在较小的压差动当相对压力p/p0在0.50.8时脱附量基本保持不变而且，从吸附曲线与脱附曲线的走势，不难发现，脱附曲线是逐渐远离吸附曲线，在相对压力p/p0为0.5时，吸附曲线与脱附曲线最远，说明脱附比较而且当相对压力p/p00.10.12m3/g，脱附曲线趋于平缓，脱附量基本保持不变。综上所述，说明鹤壁六矿煤样的微孔占有较大比例，且煤中孔隙连通性较差。煤储层裂隙是流体产生渗流的主要通道。在地质历史演化过，煤层经历了抬升、沉降、剥蚀等构造运动，使得煤层受到不同方向上的构造应力作用，导不仅分布着肉眼可识别的毫米级裂隙，同时存在着微米级和纳米级等微裂隙，是肉眼观测不到的。因此，查清不同尺度的裂隙结构特征，对研究煤层气渗流规律具有重要的理论意义。1用裂隙的长度、高度、宽度、裂隙表面形态、裂隙组合样式以及次生矿化及充填状态等来刻画。微观裂隙由于用肉眼无法进行观测，因此，需要借助光学显微镜进行观测。及成煤后所受应力不同，也会导致裂隙发育程度的不同。本节主要是通过井下观2L试-001、SQ-2等多个钻井取芯，对煤样进行裂隙观察和统计发现，煤层二1煤层以块状-柱状、粉状互层出现，粉状煤芯中肉眼无法看到裂隙发育情况，块状～2~4条/5cm，裂隙无充填，裂隙张开度1煤层煤芯上部呈碎块状、柱状，外生裂隙不发育，内生裂隙较为发育，密4~13条/5cm，下部均呈粉沫状、粒状，肉眼无法看到裂隙发育情况。4-2。4-2Tab.4-2DescriptionofstructureofCoalbedmethanewellcoreand macrolithotypeof 井煤岩类分层厚煤样状外生裂 内生裂2条/5 12条/5 2条/58条/5SQ1碎11条/510条/5碎13条/5L试1 碎碎4条/5柱13条/52条/58条/5SQ210条/5碎碎HL参-碎碎4-34-3 Tab.4-3Characteristicsofcoalandrockofthemicroscopiccoal 采 煤地 成

镜

平均=1.60宽度测量值：0.5均=0.43

134.32平均89.64

1.43.3、2.12.3、2.1条/um平均：2.25条/

隙大都未被通性较差、裂隙不发育暗 宽度测量值：0.230.25，平均=0.24

性差、无充4-31煤层中显微裂隙特征a镜煤；b亮煤；cFig.4-3MicroscopicfracturefeaturesofTWO1coal4-34-312.25条/mm1.60μm且裂隙大都未被充填或有少量充填；亮煤中裂隙发育明显比镜煤差，一般只89.64μm0.51m组，其总体特征形态弯曲、连通性差，几乎无充填。8~33条/5cm2条/5cm。从显微裂隙宽度、长度和密度对鹤壁六矿不同煤岩成分进行裂隙描述，得出镜煤裂隙连通性较好，亮煤差，暗煤连通性蒙特卡罗（MonteCarlo）17世纪时已经雏形，2040年代提出来。因为当时采用的思想是对具有随机事件进行直接annE.FermiS.N.Metropolis等数学家在蒙特卡罗方法雏形的基础上，通过对随机现象进行直有随机性质的问题，按照随机性质问题解决，这种转化过程就显得特别重要，转定性与随机性的交叉性质的问题时，会遇到许多本质上的，这也是这个阶仿真方法的崛起，使得蒙特卡罗方法进入到迅速发展的阶的适应性，问题的几何形状的复杂程度对其影响不大，能快速求解复杂实际问题的近似解。通过编制计算机程序语言进行岩体产状参数的统计随机分布1本文通过软件编程，构建不同裂隙尺度网络模型，并对煤体中裂隙然后以蒙特卡罗随机理论为基础，采用数值编写计算机语言，对络中的几何位置关系，借助于编制计算机语言，将孤立裂隙剔除。及二定渗流数学原理，构建二定渗流的水头边界条件下的渗透率计算算法，并通过编程，实现对剔除孤立裂隙后的裂隙网络模型的计算。2样品本次鹤壁六矿的煤样破碎成小块后抛光制成近似3cm×3cm×2cm的4-4。 4-4部分制作的煤样Fig.4-4Partsoftheproductionof裂隙模拟时用到的几何参数主要有密度、，迹长与张开度等。首先需对生符合其它分布的随机数。本次采用线性同余的方法生成[0,1]bnabn1cmodM

bn,nN

式中：M为模数，modM为表示对模数取余值；a为乘子；c为增量；b0为初值；rn为区间[0,1]均匀分布随机数。当产生了均匀分布的随机数，继而可以产生其它分布的随机数，例如：xxx

2ln(rand)cos(2rand①裂隙网络的生成域由裂隙长度确定。例如：裂隙平均长度为l，则裂隙的生成域尺寸为6l6l。（x，y，度为（定义为自x轴逆时针旋转到裂隙的角度，则裂隙的端点坐标为：

y

y0y

NS或N

SS

式中：N表示裂隙的面密度；S为生成域的面积；s为裂隙的长度；d为裂隙间距的平均值。剔除这些孤立裂隙。剔除的方法是赋零法。具体方法为：运用软件求出一交点矩阵之中，不相交或交点在边界延长线，则在交点矩阵的相应位置赋零，4新的总交点矩阵，通过判断裂隙交点的个数将不符合要求的裂隙剔除。计算矩阵方程式分析裂隙网络中水的渗流。国内学者仵彦卿曾推出二定渗ATATHATATHA ATHATATHA

TATHA 式中：A1、A2、A3为衔接矩阵，T为对角矩阵，H1-内节点水头矢量，m；H2-模型型左右边界交点流量值，流入为正值，流出为负值，m3。HD1式中：DATAT，D1为D的逆矩阵；

TH

求出H1后带入公式（4-3）TTTT

10mm×10mmVHQHVHQH

k

式中：η为水的动力粘滞性系数；ρ为水的密度；g为重力加速度，k孔裂隙网络越复杂，流体运移阻力越大，在流动中能量损失越多，不利于后期流体向井筒附近运移。因此，构建不同尺度孔裂隙网络，不仅能够对孔裂隙网络有更清晰的认识，而且能够优化出流体的最佳运移路径，为流体的运移规律提供了新的思路。14-4。4-4 Table.4-4Geometricparametersof 分密均均 均 标12的中心点服从均匀分布，迹长服从正态分布，服从对数正态分布，张开度服4-43.315mm20mm×20mm，由公式（4-2）可得每组的裂隙条数为40条，通过编写4-44-5。86420 - - - - 4-5Fig.4-5Millimeterfracturenetwork4-5裂隙的剔除，剔除后的裂隙网络将有效裂隙的交点按相连即可求得水在裂隙4-6。 4-6Fig.4-6SeepageflowingModel级裂隙中对渗透率的主要贡献参数，需要在其他参数保持不变的情况下，改变一4-7。04-7Fig.4-7Relationshipsbetweenmillimetercrackdensityand4-5。4-5Table.4-5Calculationresultsaboutpermeabilityunderdifferentcrack渗透率4.3157×10-3.09/4.3749×10-4.5473×10-4.7433×10-4.7616×10-4.7649×10-为了得出裂隙宽度对渗透率值的影响，其他参数相同情况下，忽略裂隙宽度4-8。4-8Fig.4-8Relationshipsbetweenmillimeterfracturewidthand2由于煤样中微米级裂隙的观测统计相对较，本文中对于微米级裂隙的统4-6。4-6 Table.4-6Geometricparametersof 分 密角均均 均 标12裂隙的中心点服从均匀分布，迹长服从正态分布，服从对数正态分布；4-669.2um数为128条，通过编写程序，结合表4-6参数，得出煤样的裂隙网络模4-9。0 - - - 4-9Fig.4-9ModelDiagramofMicronsca