預后老師指導教師

號 級：公 水平井分氮氣伴注壓裂增透研Keytechnologyresearchofhorizontal-wellstagednitrogeninjectionfracturingforincreasingthepermeabilityofcoalseams申請 申請 工程企業(yè)導李玉教授提交日 礦業(yè)工企業(yè)導李玉教授提交日

理工大時光如梭，轉(zhuǎn)眼兩年半的學習生涯即將結(jié)束，心中不舍的是這兩年多對理工大學的摯愛情感，更舍不得朝夕相處的老師們和。在此，感謝本篇是在導師的悉心和殷切指導下完成的，在完成之際，首先向尊敬的導師倪老師表示衷心的感謝和誠摯的敬意。在我的心中，導師是一個思維縝密、治學嚴謹、博學多識、果斷干練的高大偉岸一生來學習和效仿。導師在撰寫過，傾注了大量的心血，給予了我很多寶貴的指點，讓我從對一開始的迷茫到逐漸的結(jié)構(gòu)清晰、有條不紊，將使我終生受益。在生活中，導師給予了諸多我慈父般的和愛護，讓我感覺到了家的溫暖；這些都會成為我以后努力奮斗的動力和精神，在科研的道本在研究過，得到了企業(yè)導師李玉魁教授級高工的大力支持和無私幫助，同時也感謝省煤層氣公司的和同事們給我耐心講解現(xiàn)場的煤層氣開況，使我對煤層氣現(xiàn)場情況有了深刻的體會，這種經(jīng)歷，我將銘記在心，伴隨一生。、及師妹穩(wěn)，我們在學習生活上的熱切交流，共同營造了積極再次，感謝文中所參考文獻的編、譯、作者的情誼和期望將是我不懈奮斗的動力。在此向各位親友致以敬意與謝意！最后，要感謝各位評審、教授、老師在百忙之中參與本文的評審工作，真心期待得到各位的的批評和指導。的限制，改造范圍有限；羽狀水平井的產(chǎn)氣量依賴于煤儲層原始滲透率；水平井分壓裂可以彌補垂直井產(chǎn)氣“點”的局限性，增加供氣面積，同時彌補了羽狀水平井對儲層原始滲透率的依賴，應(yīng)用前景廣闊。煤儲層屬性差異決定了壓裂工藝參數(shù)的區(qū)別。果表明：I、II類煤峰值前加卸載滲透率變化幅度較小，峰值后加卸載滲透率變化幅度較大，此類煤現(xiàn)場壓裂時應(yīng)盡量增加壓裂時間和排量。III、IV類煤易碎特點借助光學顯微鏡、掃描電鏡、低溫液氮孔徑測試等觀測方法，結(jié)合數(shù)值模擬，得出了研究區(qū)孔裂隙結(jié)構(gòu)特征和不同尺度孔裂隙下氣體滲流規(guī)律。即：孔隙主要以微孔為主，小孔次之，大中孔最少；連通性從大到小依次排序為：毫米級裂隙、滲流孔隙、微米級裂隙，但對滲透率的貢獻率從大到小依次為毫米級/結(jié)合構(gòu)建的注氮氣儲層能量變化、導流能力變化數(shù)學模型，查明了注氮氣對煤儲1Pa時，儲層壓力改變明顯，能0.2~1.4Pa20Pa時，注氮氣后的導流能力改善效果好，增幅在30~60um2·m；注氮前后孔徑分布表明：氮氣對小孔、中孔的孔容具有較明顯的改善作用。在此基礎(chǔ)上，對鶴壁六礦水平井分壓裂施工參數(shù)進行了優(yōu)化，得出：水平500m時，分91壓裂較好，每需壓裂液量300m3左右砂量50m3左右氮氣注入排量在0.5m/min左右現(xiàn)場兩種不同壓裂數(shù)下的產(chǎn)氣效果對比一定程度上驗證了優(yōu)化的準確性。水平井分壓裂研究為相似地質(zhì)條件下儲層改造提供了借鑒。： 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 緒 研究目的與意 國內(nèi)外研究現(xiàn) 水力壓裂裂縫起裂/延伸規(guī)律研究現(xiàn) 煤層注氮氣運移及能量變化規(guī)律研 水平井分水力壓裂參數(shù)優(yōu)化及效果評 存在的主要問 本文的主要研究內(nèi)容及主要創(chuàng)新 主要研究內(nèi) 主要創(chuàng)新 技術(shù)路 鶴壁六礦煤層氣開發(fā)井型的確 鶴壁六礦地質(zhì)概 鶴壁六礦煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊優(yōu) 地面開發(fā)煤層氣有利區(qū)優(yōu)選的影響因 鶴壁六礦煤層氣開發(fā)有利區(qū)的確 鶴壁六礦煤層氣開發(fā)井型確 煤層氣開發(fā)井型確定評價體系構(gòu) 開發(fā)區(qū)井型的確 本章小 分壓裂水平井裂縫起裂、延伸規(guī)律研 水平井井身結(jié) 水平井分壓裂方式的確 水平井分壓裂工藝流程及特 不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣壓裂裂縫起裂、延伸規(guī) 本章小 分壓裂氮氣伴注增能增透機理研 鶴壁六礦煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)特 鶴壁六礦煤儲層裂隙結(jié)構(gòu)特 基于蒙特卡羅方法的裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 蒙特卡羅方法原 不同煤體結(jié)構(gòu)不同尺度裂隙組合滲流特征研 Ⅰ、Ⅱ類煤不同尺度裂隙組合滲流特 Ⅲ、Ⅳ類煤不同尺度裂隙組合滲流特 注氮氣對煤儲層增能作用機理研 二元氣體等溫吸附、置換實驗測 注氮氣對流體壓力梯度變化的影 注氮氣前后儲層壓力變化數(shù)理模型構(gòu) 注氮氣對煤儲層增透作用機理研 壓裂后裂縫導流能力實驗測 注氮氣對孔裂隙結(jié)構(gòu)變化特征研 注氮氣對孔裂隙導流能力的影 本章小 鶴壁六礦水平井分氮氣伴注壓裂工程應(yīng) 鶴壁六礦煤層氣水平井分壓裂參數(shù)優(yōu) 鶴壁六礦煤層氣水平井分壓裂施工分 水平井分壓裂產(chǎn)能預測數(shù)學模型構(gòu) 壓裂改造后裂縫形態(tài)數(shù)學模型構(gòu) 壓裂改造后產(chǎn)能預測數(shù)學模型構(gòu) 氮氣伴注壓裂效果評 本章小 結(jié)論與建 結(jié) 建 參考文 作者簡 數(shù)據(jù) 煤層氣作為一種高效潔凈能源及其與煤炭的密切關(guān)系，多年來一直受到各煤炭生產(chǎn)國的廣泛關(guān)注自上世紀八十年代開始投入4.3億用于基礎(chǔ)理論研究，根據(jù)自身的地質(zhì)條件形成了煤層氣地質(zhì)理論，認識到煤層氣產(chǎn)出遵從排水降壓-解吸-擴散-滲流過程。在此基礎(chǔ)理論的指導下發(fā)展了儲層強化技術(shù)和排水采氣技術(shù)，個煤盆地中的 個盆地實現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)。 年產(chǎn)氣量達到 億之后10均維持在500億m3以上。我國在借鑒、吸收成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建成了山西沁水盆地和鄂爾多斯東緣煤層氣，實施了山西柿莊南、、陜西韓城等勘探項目，推進了、、、、、等省區(qū)勘探，在煤層氣勘探中取得了突破。2014年，地面煤層氣產(chǎn)氣量達到了36億m3。省埋深2000m以10501.48m32014年其地面煤層氣產(chǎn)1億m3。為了開發(fā)省豐富的煤層氣資源煤層氣工作者先后在焦作安陽鶴壁平頂山等地進行了地面煤層氣井的開發(fā)，除個別井產(chǎn)氣外，其他井的產(chǎn)氣效果并不理想。究其原因，大部分地區(qū)發(fā)育著碎粒煤和糜棱煤，只在局部區(qū)域發(fā)育有原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤。垂直井壓裂工藝技術(shù)主要適合于原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，儲層改造時裂縫影響范圍有限，開發(fā)效果不甚理想。針對這種煤體結(jié)構(gòu)不好的儲層，煤層氣的產(chǎn)出更要從“面”改造的角度綜合考慮整個成藏范圍內(nèi)裂隙分布特征、應(yīng)力場變化規(guī)律、流體滲流變化規(guī)律的互動影響。水平井技術(shù)是從石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來的一門新型技術(shù)。以前的水平井主要是在煤層中進行鉆進一個主支后，再側(cè)鉆出多個分支，形成“羽狀”結(jié)構(gòu)來溝通煤層中的裂隙，多分支羽狀水平井對于低滲特低滲煤層改造效果不甚理想。煤儲層水平井分壓裂技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的新型技術(shù)，通過分壓裂既可以彌補碎粒煤和糜棱煤中垂直井生產(chǎn)“點”的局限性，通過壓裂可以增加水平井的供氣面積。不同地區(qū)煤儲層屬性的差異造成改造泵注程序有所區(qū)別為了最大限度提高分壓裂水平井的產(chǎn)氣量，本文以鶴壁六礦二1煤層為研究對象充分考慮煤礦安全生產(chǎn)通過構(gòu)建評價體系優(yōu)選區(qū)塊和井型；應(yīng)用巖體力學、煤層氣開發(fā)地質(zhì)學等理論，系統(tǒng)分析氮氣伴注分水力壓裂裂縫起裂、延伸變化規(guī)律；采用室內(nèi)實驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研究氮氣伴注增能增透機理；充分考慮水平井分壓裂工藝，對其參數(shù)進氣分壓裂增透機理提供了更科學的理論解釋，宏觀的壓裂施工與微觀的裂隙網(wǎng)煤層氣水平井分氮氣伴注水力壓裂關(guān)鍵增能增透技術(shù)的研究，主要集中在煤儲層孔裂隙結(jié)構(gòu)特征，水平井水力壓裂裂縫起裂、延伸規(guī)律，氮氣伴注的增能1國內(nèi)外研究者對煤中孔隙從成因角度進行了分類[1-5]，劃分為氣孔、殘留植物組織孔、次生孔隙或晶間孔、溶蝕孔等。煤中孔隙的成因類型劃分為更清晰的認識煤層氣的生成起到了極大的推動作用，但無法解釋孔隙結(jié)構(gòu)對煤層氣賦存、運移的影響為了對煤的孔隙結(jié)構(gòu)進行更清晰的表征國內(nèi)外研究者采用壓法[6-9]、低溫氮吸附法[10-14]T掃描[1517]得出了不同地區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)特征[18-9]。以此為基礎(chǔ)，得出了煤層氣在不同孔徑下的易于氣體的儲集和運移，氣體以容積型擴散為主；小孔和微孔以不平行板狀毛細管孔和墨水瓶狀孔為主，易于氣體的儲集，不利于氣體的運移，氣體以分子型擴75nm為界限，分為吸附擴散和滲流兩種狀態(tài)，即孔徑75nm時，孔隙中的氣體以擴散為主；孔徑75nm時，氣體以滲流為主?？讖?nm為表面擴散，8~20nm為混合擴散，20~65nmen擴散；65~325nm為穩(wěn)定層流；325~1000nm為劇烈層流；1000nm[20-22]。這些研究成果對表征煤孔隙結(jié)構(gòu)起到了極大的推動作用，但仍無法表征復雜的孔隙結(jié)構(gòu)。20究推向。國外把煤層中的裂隙稱為割理，在煤層中延伸較遠的稱為面割理；2080年代。國內(nèi)研究者借鑒了國外裂隙連通性等進行較精細描述，國內(nèi)研究者們通過手標本、掃描電鏡觀測、核磁成像法等[29-31]，發(fā)現(xiàn)煤中裂隙呈網(wǎng)狀、孤立網(wǎng)狀、孤立狀、S形等形狀，并據(jù)此劃2為了研究煤儲層孔裂隙網(wǎng)絡(luò)連通性，國內(nèi)外研究者采用實驗測試、模擬技術(shù)等進行了卓有成效的研究。通過壓實驗進行了不同孔所占比例、進、退效率和曲線形態(tài)方面的研究[32]onterlo模擬技術(shù)，建立裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，耦合出裂隙密度與連通性的關(guān)系，對比了不同分布情況下的裂隙連通概率[3334][35-43]?；蚧诳琢严队鉂B理論，構(gòu)建了反映裂隙多孔介質(zhì)連通性的量化參數(shù)屬性模型。根據(jù)裂隙多孔介質(zhì)連通性參數(shù)特征，對裂隙多孔介質(zhì)進行了類型劃分[4445]，利用隨機決策樹森林（F）建立了多孔隙結(jié)構(gòu)[46]，為孔裂隙結(jié)構(gòu)構(gòu)建及連通性研究提供了新的思路。水力壓裂裂縫起裂/延伸規(guī)律研究關(guān)于水力壓裂過裂縫起裂、擴展、延伸規(guī)律的研究，大多數(shù)是從實1、基于測試、煤巖屬性參數(shù)與力學理論相結(jié)合的裂縫延伸規(guī)律研究透率實驗并在加/卸載過對煤巖樣不同變形階進行了聲發(fā)射測試認為：隨有效應(yīng)力增加，滲透率呈負指數(shù)減少[47]，煤巖吸水膨脹導致強度降低，基質(zhì)收縮引起滲透率增加[849]，彈性變形階滲透率隨應(yīng)力增加略有下降，彈塑性變形階大量新裂隙的生成與貫通導致滲透率劇增加[50]通“砂巖煤泥巖不同組合煤巖樣進行單軸壓縮試驗下關(guān)鍵前兆點位置對比，認為裂縫延伸出現(xiàn)差別的主要原因是煤樣間的差異性和非均質(zhì)性[51]。通過改變注水壓力、流[52]用巖石力學、斷裂力學、復雜位勢理論等力學理論，構(gòu)建了裂縫附近的應(yīng)力分布函數(shù)，提出了通過裂縫尖端應(yīng)變能量密度確定裂縫延伸方向的方法。得出了裂縫2基于巖移數(shù)值方法[59]、流固耦合理論[60]、巖體非線性理論及裂縫擴展模裂縫端部位移變化規(guī)律；采用數(shù)值模擬[61-64]，分析了水力壓裂過程不同壓裂傳統(tǒng)的力學方法還不足以較好的闡明水力壓裂過煤巖應(yīng)力遷移微觀變化應(yīng)力應(yīng)變過聲發(fā)射參數(shù)響應(yīng)特征，應(yīng)用分形理論，引入聲發(fā)射分維值D反映巖石微裂隙的演規(guī)律[65-67]；通過聲發(fā)射事件對巖石[68]一些研究者基于儲集層裂隙系統(tǒng)的非線性特征，提出了由相空間重建、裂隙的關(guān)聯(lián)維分析及裂隙的突變理論等多的裂隙非線性預測技術(shù)，對準確確定儲層裂隙發(fā)育帶、裂隙系統(tǒng)的識別提供了全新的思路[69]。煤層注氮氣運移及能量變化規(guī)律研煤對不同氣體吸附能力的差異使人們聯(lián)想到可以利用氮氣驅(qū)替煤中的甲烷氣體。關(guān)于氮氣驅(qū)替甲烷方面的研究，或借助吸附勢理論，通過等溫吸附、解吸置[70-71]；或通過煤基質(zhì)彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)理論、煤儲層綜合彈理論得出煤儲層彈性能平面和垂向分布規(guī)律727]，研究煤層氣藏有效運移系統(tǒng)，深化了煤層氣富集成藏理論?；驊?yīng)用表面化學、彈性力學、熱動力學、能量守恒原理等，建立吸附氣體膨脹變形的數(shù)學模型[7475]變形滲透率同步測試裝置[76]測定變形過程中滲透率變化，得出了隨有效應(yīng)力增加，滲透率呈負指數(shù)減小的變化規(guī)律[77]。omol應(yīng)變?yōu)榱黧w運移規(guī)律研究提供了法[78]或基于逾滲理論，探討了油氣運聚的優(yōu)勢路徑形成的動力條件，得出了流體運移優(yōu)勢路徑的最優(yōu)影響因素組合7980]，為流體運移路徑選擇提供了一種研究方法?；蚶昧严毒W(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，進行了一系列裂隙中流體運移物理模擬實驗，得出了不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)體運移方向與裂縫寬度、方向的關(guān)系[81]，為流體運移方向、有利區(qū)帶的Kozeny-Carman孔滲方程，端面分析維數(shù)、絕對/相對粗糙度對煤層氣運移規(guī)律的影響[82-83]，為煤層氣產(chǎn)能水平井分水力壓裂參數(shù)優(yōu)化及效果評1隨著水平井技術(shù)在煤層氣中利用日趨成熟，水平井分壓裂技術(shù)逐漸以其良在對水平井壓裂裂縫起裂延伸機理研究的基礎(chǔ)上，對比分析了直井、水平井裂縫起裂、延伸特點[84]，得出了水平井壓裂裂縫延伸優(yōu)勢所在；構(gòu)建了裂縫形態(tài)數(shù)學模型85-7]，分析了壓裂水平長度、裂縫形態(tài)及裂縫導流能力等對水平井產(chǎn)能的影響，得出裂縫條數(shù)、縫長及裂縫導流能力是影響產(chǎn)能的主要因素，裂縫間基于復位勢及勢疊加理論[889]，結(jié)合氣體狀態(tài)方程及擬壓力函數(shù)，建立了多裂縫干擾下的產(chǎn)能預測模型，對水力壓裂參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果可以為水平井分壓裂多裂縫優(yōu)化研究提供參考；基于遺傳算法[90]，根據(jù)不同儲層屬性特征構(gòu)建了相匹配的壓裂智能優(yōu)化設(shè)計方法，采用計算機編碼方法替代人工輸入裂縫參數(shù)復雜方法極大程度上的加速了最優(yōu)解搜索空間，不需人工干預，提高了壓裂參數(shù)優(yōu)化效率；基于固體力學和多相滲流理論構(gòu)建了水平井分壓裂裂縫優(yōu)化模型[91]，結(jié)合有限元模擬方法[92-96]分析了水平井單一水力壓裂裂縫條件下裂縫優(yōu)化的影響因素。在對水平井裂縫優(yōu)化影響因素分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法[97]，研究了裂縫形態(tài)對水平井改造效果的影響，研究結(jié)果可為分壓裂水平井的施工設(shè)計提供理論指導。在水力參數(shù)優(yōu)化的指導下，對壓裂施工工具，如施工、噴嘴的尺寸和個數(shù)、噴射排量和時間等水力噴射壓裂關(guān)鍵參數(shù)進行室內(nèi)試驗測試[98-100]射孔深度越深，同時噴嘴磨損程度增加；噴嘴尺寸越大，射孔效果越好；該實驗研究為水力噴砂射孔壓裂工藝中關(guān)鍵參數(shù)的選取提供了重要依據(jù)。2、分水力壓裂效果評通過模擬不同條件儲層改造后滲透性的大小以及產(chǎn)氣能力，對儲層改造效果進行評價。變化規(guī)律，采用有限元模擬軟件中熱分析模塊，模擬壓裂過流體滲流變化規(guī)存在的主要問國內(nèi)外學者對分水力壓裂裂縫的起裂、延伸及水力壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化進行1針對水力壓裂過裂縫延伸規(guī)律，大多都是從測試滲透率變化、數(shù)2、注氮氣壓裂過，氮氣的增能增透作用機理尚不明本以鶴壁六礦原始地質(zhì)資料、煤礦勘探開發(fā)資料為基礎(chǔ)，充分考慮氣伴注分壓裂前后孔裂隙結(jié)構(gòu)變化，壓裂裂縫擴展、延伸規(guī)律，儲層能量變化應(yīng)變加卸載過滲透率變化特征；根據(jù)巖石力學、彈性力學等理論，構(gòu)建壓裂過程分布特征；應(yīng)用數(shù)值軟件，構(gòu)建不同裂隙尺度下的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，研究化、壓力梯度變化的數(shù)理模型，探討不同注氮條件下能量變化規(guī)律；根據(jù)分壓裂氮氣伴注參數(shù)優(yōu)化及效果評價研資料，對分壓裂支撐劑、壓裂液、施工排量、泵注程序等參數(shù)進行合理選擇，優(yōu)化出與該礦煤儲層特征相匹配的對煤儲層較小的參數(shù)優(yōu)化方案；根據(jù)現(xiàn)場裂隙結(jié)構(gòu)變化測試等，構(gòu)建了不同尺度裂隙的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，初步查明了不水平水平井分氮氣伴注壓裂關(guān)鍵增透技術(shù)研究地質(zhì)資現(xiàn)場測煤地工煤氣體等溫吸附置換數(shù)應(yīng)力應(yīng)變滲透率測光掃數(shù)特征研水平井分1-1Fig.1-1Researchtechnique釋放煤層應(yīng)力，是實現(xiàn)煤層瓦斯消突的重要。要進行煤層氣地面開發(fā)，需要鶴壁六礦位于鶴壁煤田東部太行斷隆的東緣，范圍南起張莊向斜軸部，37311煤層800mESSW向，長度約9.5k，寬度約2.7km，面積為18.6k2。227.7（李古道北.3（6873號鉆孔100.4m丘陵與崗壟，丘陵頂部可見新近系粘土或礫巖層，礦井中南部發(fā)育第四系沖溝坳地和平坦地帶。該礦井構(gòu)造形態(tài)為地層近S，傾向E，傾角038°的單斜構(gòu)造。主要構(gòu)造形跡為軸向近EESEE向小型背向斜相復合和EE向正斷層經(jīng)采掘和鉆孔控制礦井范圍內(nèi)斷52100m2條，分別為F40、44150100m4條，3050m15條，1030m16條，5~10m15條。另外，尚有落差小于5m的小斷層80余條這些小斷層均為正斷層方向多與主干斷層方向呈銳角或近于平行；成因主要為大斷層的派、次、伴生斷層。形成的區(qū)F40-1150m400m1.5發(fā)育，且呈局部地帶相對集中，密度大的特點；地層產(chǎn)狀急劇變化處較為發(fā)育，多?？傮w講，小斷層一般是正斷層，方向多與主干斷層方向呈銳角或近于平84424個。在褶曲相交的部位形成構(gòu)造盆地或鞍狀構(gòu)造。其中張莊向斜為南部六、八礦分界線延伸長度2800m，向東傾伏的向斜；682-11背斜位于張莊向斜北側(cè)，71-14-82-41800m，71-14-82-4向斜軸部近似呈ES2700m，兩翼產(chǎn)狀基本對稱，且軸部被F876-10、6F10貫穿；71-15向斜位于中部，軸部近似呈NS向，2850m，向斜兩翼產(chǎn)狀東陡西緩；74-712-15向斜近似平行，兩翼產(chǎn)狀東緩西陡，且背斜軸部西翼小斷層較多；44-31100米，向DFDF15、DF17、DF18、DF19、DF20圍繞。綜合鶴壁六礦地質(zhì)構(gòu)造特征分析，確定構(gòu)造類型為中等構(gòu)造。到目前為270925m2，無水。內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖。具體鶴壁六礦構(gòu)造綱要圖如圖2-1所示。氣井的產(chǎn)氣量與煤儲層參數(shù)關(guān)；構(gòu)造及水文地質(zhì)特征也會對煤層氣的開發(fā)比例尺礦煤推測向斜推比例尺礦煤推測向斜推測背斜斷小斷2-1Fig.2-1StructuralmapofHebiNo.6煤礦區(qū)進行煤層氣地面開發(fā)時，首先需要考慮礦井生產(chǎn)需求。在礦井3-5年的區(qū)域，部署地面煤層氣井，對瓦斯進行采前預抽，為煤礦后期安全生產(chǎn)提供保障。在采掘工程平面圖上可看出，采動影響區(qū)位于上部區(qū)域，在采動布置。在采動區(qū)一定距離外，3~5年內(nèi)礦井開拓延伸不到的區(qū)域，作為本次有利區(qū)塊優(yōu)選區(qū)，并把有利優(yōu)選區(qū)分為南部、中部及中北部三個區(qū)域。鶴壁六礦礦2116工作圖例推測背斜推測向斜煤巷道小正斷6Fb邊界ab 含氣2116工作圖例推測背斜推測向斜煤巷道小正斷6Fb邊界ab 含氣量等值2-3 Fig.2-3GascontentdistributiondiagramoffavorableArea 采動影響南中北采動影響南中北中礦比例尺煤推測向斜推測背斜斷小斷Fig.2-2ExcavationengineeringdeploymentdiagramofNO.6coalmineinHe-2-310~25m3/t，且其南鶴壁二1煤層垂向上煤層具有淺部（南翼淺部90%以上的煤厚點5~7m之間，北翼淺部93%的煤厚點在6~12m之間深部煤層較厚（一般8~14m）的3.45~17.51m8~10m，表現(xiàn)出煤層厚度較大，但變化亦大的特點；南翼煤厚4.65~11.48m，一般6~8m，比北翼小，但煤層厚度變化小。另外，自西向東煤層厚度呈遞增趨勢變化。因此，鶴壁氣的解吸產(chǎn)出。鶴壁六礦煤儲層滲透率在0.03~0.05mD之間。本煤層在形成后后期構(gòu)造破壞使煤層儲層滲透性變差，滲透率普遍較低。煤體結(jié)構(gòu)的分類方法很多，根據(jù)瓦斯地質(zhì)學基礎(chǔ)理論，將煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤（I類、碎裂煤（II類、碎粒煤（I類）和糜棱煤（IV類）四種。不同煤體結(jié)構(gòu)煤巖密度、裂縫密度、煤巖強度等的不同表現(xiàn)出不同的測井響應(yīng)。大中子測井值高；自然伽馬低、體積密度低、自然電位低。本節(jié)主要通過測井曲線判識，并結(jié)合鉆井取芯觀察，把鶴壁六礦煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤和構(gòu)造煤三類。II類煤為主的局部區(qū)域。2-1。2-1 Tab.2-1Divisioryresultofdifferentstructureabout 煤

井

煤體結(jié)號號徑變 命率1686.1- Ⅰ類煤（15%）Ⅱ類煤（65%）Ⅲ、Ⅳ類 的Ⅱ類2 Ⅰ類煤（5%）Ⅱ類煤（73%）含Ⅲ、Ⅳ類 的Ⅱ類3634.4- Ⅰ類煤（13%）Ⅱ類煤（72%）Ⅲ、Ⅳ類 的Ⅱ類4 煤儲層壓力和壓力狀態(tài)是煤層能量大小的重要表現(xiàn)，對煤層氣解吸產(chǎn)出有重要影響。煤層氣的開采需要足夠的壓力，將氣體從儲層排驅(qū)到井筒中。鶴壁六礦石炭二疊系煤儲層壓力梯度為0.45~0.86P/hm8孔煤儲層原始壓力為3.43P0.53P/hm力梯度小于正常的靜水壓力，煤儲層壓力較低，表明煤層的能量較低，需要降低較多的壓力才能使氣體解吸產(chǎn)出，對煤層氣采收率有一定影響。使煤層的連續(xù)性、完整性破壞。因我國煤儲層滲透率普遍較低，需進行儲層從鶴壁六礦地質(zhì)構(gòu)造綱要圖可以看出，鶴壁六礦有利評價區(qū)的北、中、6F13、6F14、DF44-3向斜的6F15-16F15-26F7682-11對簡單，且位于6F7、6F12層之間，該區(qū)域范圍較大，比較適合煤層氣的開發(fā)。1煤有頂板砂巖裂隙含水層，單位涌水量為q＝0.0137~0.219L/s.m，富水性弱~1C3tL80.0123鶴壁六礦煤層氣開發(fā)有利區(qū)的確12-2所示：2-2 Tab.2-2Evaluationsystemofoptimumpositioninfavorable 一 指

備選擇 較 一 較

小較一較大 特 IⅡⅣ 滲透率/ 0.2- 0.2- 0.1- 儲層壓力Mpa5-4-3-地 少較中較多特（

0.1— 2得到不同層次不同評價指標對評價結(jié)果的影響程度，并由對兩級評價指標分別進行打分，然后進行分數(shù)定量化處理，即可以得到各評價因素集的權(quán)重值。根據(jù)統(tǒng)計原理，建立了各 間的一級權(quán)重數(shù)學模型,Mm1,,

設(shè)第i個因素的指標評價體系為Riri1,ri2, ,rim，得到構(gòu)建的二級指標權(quán)重 rrr2mrnrrnm 23V=｛好，較好，一般，較差，差uAu 0.9uAu A AA AuAu 2-3所示：2-3 Tab.2-3Comparisontableoffavorable 好較一較差量化值048~10m之間，且5~16m。15~25m3/t0.03~0.05mD較弱，煤體結(jié)構(gòu)以含III、IV類煤的II類煤為主。0.53MPa/hm，煤儲層壓力較低。地質(zhì)構(gòu)造是影響鶴壁六礦煤層氣開發(fā)井型選擇的問題，水文地質(zhì)特征是采掘影響區(qū)以下區(qū)域中北部斷層數(shù)量較少，僅有一條DF66F15-1、6F76F15-2鶴壁六礦二1煤儲層底板直接充水含水層為C3tL8-中等。2-4所示。2-4Tab.2-4Fuzzycomprehensiveevaluationsystemoffavorablearea coalbedmethanedevelopmentofNO.6coalmineinHe- 隸屬關(guān)名權(quán)名名權(quán)名權(quán)區(qū)好較一較差南000煤層厚 中000變00南000中000煤000儲南00 中00特00征南00煤體結(jié)中000000南00儲層壓中00000南000地 斷中000構(gòu)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，把有利區(qū)中北煤層氣地面開發(fā)首選區(qū)確定后，需要選擇合適的井型進行開發(fā)。目前，我國2-5。2-5 Tab.2-5EvaluationsystemofthedetermineaboutWell 井型一級指確定標 好較備選擇一較差7-4-2-

特

煤體結(jié)構(gòu)(u13) I類 滲透率/ 0.2- 0.2- 0.1- 儲層壓力/ 高 較 一 較 瓦斯抽采效果抽采效率高抽采達 效率中 效率較低效率 容 較 因 影響較有所影影響較 簡中復鉆 條 容中較難 0.6-0.3-0.1-開發(fā)區(qū)井型的確12-6所示。2-6Tab2-6FuzzycomprehensiveevaluationsystemoftheWelltypebout methanedevelopmentofNO.6coalmineinHe- 名 權(quán) 名 權(quán) 井 較 一 較 特煤安 生鉆條

煤 厚 煤 結(jié)儲 壓 采銜 人 因地 構(gòu) 堅固 系

23價。煤儲層特征評價因素集B1、鉆井條件評價因素集B2的一級評價結(jié)果如下： B1A1R10.30.10.20.3 000.6350.3450.02 00.75 B2A2R2B2A2R200000 0.5 0= 因此，根據(jù)各等級所對應(yīng)百分制量化值表，可得到垂直井、水平井井型的評79.8875分、77.15分。77.991分、78.945分。穩(wěn)定，煤變質(zhì)程度較高，煤體結(jié)構(gòu)較好，f0.45水平井分壓裂是最近幾年發(fā)展起來的一種新型壓裂技術(shù)壓裂工藝有多種水力噴射壓裂因其工藝相對簡單、工程風險低而成為目前主要的壓裂技術(shù)。本論文以此壓裂為基礎(chǔ)進行研究。煤體結(jié)構(gòu)的不同導致裂隙發(fā)育程度、煤巖力學性質(zhì)等差異，導致壓裂時裂縫起裂、延伸變化規(guī)律的不同，進而引起壓裂泵注程序的不同，最終影響著壓裂效果。要對壓裂泵注程序進行優(yōu)化，首先需查明不同煤體結(jié)構(gòu)下壓裂裂縫起裂、延伸變化規(guī)律。基于此思想，本章首先介紹鶴壁六礦的水平井井身結(jié)構(gòu)及壓裂方式然后在進行不同煤體結(jié)構(gòu)煤的應(yīng)力應(yīng)變滲透率實驗，得出不同煤體結(jié)構(gòu)煤裂縫起裂、延伸變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水平井水力噴射壓裂特點，得出分壓裂水平井裂縫起裂、延伸變化規(guī)律。井井位及井身結(jié)構(gòu)。這部分不是本的重點，在此僅介紹其井身結(jié)構(gòu)。鶴壁六礦共實施了兩口水平井兩口采用同一種井身結(jié)構(gòu)下面以BS1U三開結(jié)構(gòu)。一開主要是在黃土層鉆進，鉆至基巖以下。二開在一開鉆進結(jié)束時開始鉆進，鉆至見煤點結(jié)束。然后采用三開繼續(xù)鉆進，直至鉆進結(jié)束。垂直井采用兩開結(jié)構(gòu)。整個鉆進過全井總進尺1315.00m，水平進尺583.00m，S13-1所示：3-1HB-S1Fig.3-1HB-S1wellstructure等。這些分壓裂工藝特點如下表3-1所示：表3-1分壓裂工藝技術(shù)特點一覽Table.3-1Thefeatureslistofstagedfracturing分分壓裂工藝類特

征，HB-S1井采用水力噴射與氮氣伴注相結(jié)合的儲層改造工藝，水力噴射是集射1、水平井分壓裂工藝流通洗井。用合適尺寸通井規(guī)通井，并用活性水將井筒干凈組裝水力噴射工具，下入壓裂施工至第一個設(shè)計壓裂位置行第二次射孔、壓裂，然后依次按照上述方法完成全部壓裂壓裂施工，最后起2、水平井氮氣伴注分壓裂工藝特氮氣壓裂與傳統(tǒng)水基壓裂相比優(yōu)越性主要表現(xiàn)在①液視粘度高攜砂和懸砂性能好支撐劑在液中的沉降速度與水基液的沉降速度相比較低有較好的攜砂能力，可以有效控制裂縫形態(tài)的發(fā)展，降低壓裂液在多裂縫發(fā)育的煤層中的濾失性。②液濾失系數(shù)低，液體濾失量小。液浸入裂縫壁面的深度一般在12.7m以內(nèi)。③液體含量低，儲層小，特別是對粘土含量高的水敏性地層可減少粘土膨脹；④摩阻損失小，液摩阻比清水可降低40%～60%⑤壓裂液返排速度快排出程度高氮氣壓裂井平均1.5天排液完成后開始產(chǎn)氣。而大大地提高入體的返排速度，將入體大量排出地面，這對于開發(fā)低滲流能力；而氮氣屬于惰性氣體，僅微溶于地層流體，不會引起儲層的。研究不同煤體結(jié)構(gòu)不同裂隙發(fā)育程度裂縫起裂、延伸規(guī)律，是指導水力壓裂從而減小了裂縫的有效溝通長度，對儲層改造產(chǎn)生負效應(yīng)。因此，煤體結(jié)構(gòu)對裂縫延伸的正效應(yīng)與不同裂隙發(fā)育程度的負效應(yīng)的耦合作用的相互匹配，在水力壓裂過對儲層改造起著動態(tài)的影響作用。不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣應(yīng)力-應(yīng)變-規(guī)律的不同。為了查明不同煤體結(jié)構(gòu)、不同裂隙發(fā)育程度的煤在加載過應(yīng)力-11實驗的主要設(shè)備包括RMT-150B巖石力學實驗系統(tǒng)、試件加工設(shè)備—鉆石機、mm百分表及百分表架和天平（1000g0.01gFig.3-2TestingsystemofrockmechanicsaboutRMT-2、煤樣及測試方煤樣根據(jù)煤炭工業(yè)部標準MT38-48-87《煤與巖石物理力學性質(zhì)測定方定要求，并結(jié)合鶴壁六礦煤樣易破碎特點，鶴壁六礦I類、II類煤樣加工成直徑為50mm50mm3-3所示。且鶴壁六礦部分煤體破壞較嚴鶴壁六礦已有的煤巖性質(zhì)用煤和一定量的水泥混合，在模具里加工成直徑為50mm50mm的圓柱體。圖3-3煤樣實物Fig.3-3RealproductsdiagramaboutPreparationofcoal3-23-2 Tab.3-2Testingschemeofcoal 圍857855采用圍壓/0.5MPa/s的速度加載至5.00與8.00Mpa0.1MPa/s5.00Mpa時，加載結(jié)束。在加載過通體注入管路，進行氣體（氮氣）注入，其中進口壓力2.202Mpa0.00500mm/s速度繼續(xù)進行軸向加70%附近停止。0.00500mm/s速度進行卸載，卸載1Mpa左右。（2（3煤是一種復雜的多孔介質(zhì)，其裂隙是水和煤層氣儲集場所與運移通道，（應(yīng)變滲透率的研究較多對于IIIIV類的研究相對較少于此類煤樣品較因此本次實驗以型煤來代替進行不同條件下的加載實驗，研究其應(yīng)力應(yīng)變過滲透率的變化。I、II類煤應(yīng)力-應(yīng)變-根據(jù)鶴壁六礦的I類II類煤樣制成的煤柱進行三軸循環(huán)加卸載試驗測試，3-4所示：3-4Fig.3-4PhysicaldiagramofCoalsampleaboutbeforeandafterfracturingofNO.6coalmineinHe-be3-5、3-63-5H49Fig.3-5TrialresultoftriaxialcompressionaboutCoalsampleof3-6H51Fig.3-6TrialresultoftriaxialcompressionaboutCoalsampleof通過圖3-53-649.412~64.823MPa，煤樣產(chǎn)生的軸向最大應(yīng)變范圍為0.0127~0.01854；彈性模量最大變化范圍為4.360~4.956GPa；值前后加卸載過滲透性變化特征不同加卸載路徑下煤樣的孔裂隙演化特征不同滲透性變化特征亦不同。通過對鶴壁I、II類煤樣H49、H51進行分析，其變化規(guī)律大致相似。為了避免重復性論述，本文以H51煤樣的為例進行峰值前后加卸載過3-7所示。 H49煤 H51煤圖3-7峰值前加卸載過應(yīng)力-應(yīng)變-滲透性關(guān)系Fig.3-7Relationshipdiagramofstress-strain-permeabilityduringloadingandunloadingprocessbeforethepeak呈線性形式增加；滲透率呈現(xiàn)先迅速減小，最后緩慢減小。當應(yīng)變增加至6.3410-6μm21.4110-6μm2始加載時，煤樣應(yīng)變對應(yīng)力敏感性較強，應(yīng)力的小幅增加，即可產(chǎn)生應(yīng)變，且剛開始的加載階屬于壓實/彈性變形階煤中原始孔裂隙閉合，導致了滲透率降低當應(yīng)力達到42Pa時加載過程結(jié)束進入卸載階此時應(yīng)變降低速度與加載過應(yīng)變增加速度近似一致，滲透率變化先增加后趨于平穩(wěn)，滲透率增加1.4110-6μm22.5110-6μm2過煤體發(fā)生了彈性變形同時在局部區(qū)域也存在著不可逆的塑性變形，卸載結(jié)束后，由于應(yīng)變恢復不到原來的狀態(tài)。因此，卸載后的滲透率要低于原始滲透率。果如圖示H49煤 H51煤圖3-8峰值后加卸載過應(yīng)力-應(yīng)變-滲透性關(guān)系Fig.3-8Relationshipdiagramofstress-strain-permeabilityduringloadingandunloadingprocessafterthepeak從圖3-8可以看出峰值后加載階隨著加載的開始滲透性開始降低當0.001960.0087862.410-6μm29.6210-7μm2，達到最小值。主要是由于彈性變形引起孔裂隙的閉合。隨著加載的繼續(xù)進行，滲0.0087860.0126來的9.62×10-7μm2增加至7.07×10-6μm2，此時加載過程結(jié)束。卸載過程開始初期6.28×10-6μm238.6MPa6.28×10-6μm28.48×10-4μm2，說明峰值后加載階煤巖產(chǎn)生了新的裂縫，卸載后新的裂縫就成為了流體通過對III類煤樣峰值前后兩次加卸載過程滲透率變化特征的分析可以得滲透性曲線較應(yīng)力應(yīng)變曲線滯后滲透性曲線較應(yīng)力應(yīng)變曲線滯后性明顯說明峰值后的加載過程煤巖的孔裂隙結(jié)構(gòu)在逐漸發(fā)生變化隨著加載應(yīng)力的增加，煤巖開始形成新的裂縫，并在煤巖中擴展、延伸，當加載結(jié)束時，由于應(yīng)變改變的滯后性，應(yīng)變會持續(xù)增加一時間，然后開始逐漸減小。而滲透率由于新的裂縫產(chǎn)生，導致了煤巖滲透性遠遠大于峰值前加卸載過程滲透率。I、IV類煤應(yīng)力-應(yīng)變-鶴壁六礦的III類和IV類煤樣，在里采用機將煤樣進行破碎40~80目的煤粉，放入容器中，然后加入少量水后攪拌均勻，并按后成型為Φ50mm×50mm3-9所示。煤樣 煤樣3-9Fig.3-9Physicaldiagramofthebeforeandafteraboutbriquettecoalsample根據(jù)型煤的應(yīng)力-應(yīng)變-滲透率實驗測試可得到型煤煤樣在應(yīng)力加載過的3-3所示。3-3Tab.3-3Testresultsofpermeabilityvariationduringloadingprocessofbriquette煤密峰值應(yīng)彈性模峰值應(yīng)（/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在制作過煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，初始損傷較嚴重，在加載過，導致滲透率較高，因此，只是反映了煤體的易碎程度。反映不了IIIIVIIIIVYXZRMT-150B巖石力學實驗系統(tǒng)作用下，煤樣受到垂向及環(huán)向應(yīng)力的共同施x方向的YXZ3-10Fig.3-10ExtensionfeaturesofCoalseamcracksinexperiment在應(yīng)力應(yīng)變滲透率試驗過，由于煤樣受到的剪切應(yīng)力大于煤體內(nèi)聚力，使得裂縫不斷擴展和延伸，導致了煤樣滲透率也隨之不斷變化。而應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場的煤層氣井水力壓裂增透技術(shù)，即是利用水的不可壓縮性，在煤層各弱面內(nèi)對煤壁面進行支撐使弱面發(fā)生張開擴展和延伸對煤層形成分割如圖在與裂縫面正交的拉應(yīng)力作用下，裂縫面產(chǎn)生張開位移而形成了一種張開型的裂y方向的位移分量不連續(xù)。而在層理或切割裂縫張開度增大的過，其張開壁面的切向拉應(yīng)力增加。當在某位置的切向拉應(yīng)力大于與此相連的次級弱面的壁面之間的聯(lián)結(jié)力和相應(yīng)切線方向的原始應(yīng)力之和時，將在該位置處發(fā)生次級弱面起裂，水在壓力作用下進入其中，同樣發(fā)生上一級弱面所經(jīng)歷的擴展延伸過程，依此規(guī)律反復發(fā)展下去，直至達到煤分層中的微裂縫，水便達到對煤層的逐級分割作用。這種分割過程一方面通過弱面的張開和擴展增加了裂縫等弱面的空間體積，提理或切割裂縫的張開度和導通性；另一方面通過裂縫等弱面的延伸增加了裂縫之間的連通，從而形成一個相互交織的多裂縫連通網(wǎng)絡(luò)。YYXZ圖3-11現(xiàn)場水力壓裂過煤層裂縫擴展特Fig.3-11ExtensionfeaturesofCoalseamcracksduringthehydraulicfracturing④水力壓裂過忽略煤層內(nèi)上下之間的應(yīng)力差及液體的濾失⑤煤層壓裂起裂方向與延伸方向相同，天然裂縫存在基礎(chǔ)上的壓裂起裂方基于上述假設(shè)，裂縫將在拉應(yīng)力最集中處發(fā)生起裂，天然裂隙裂縫不同發(fā)育γγ=-2βHhHhcos

式中：γ為天然裂隙破裂點正應(yīng)力，MPa；h為最小主應(yīng)力，MPa；H為最大主應(yīng)力，MPa；γ為壓裂擴展方向與原裂隙長軸夾角。

rSf

儲層孔隙壓力，MPa0。PfthSt

式中：Pft為煤層破裂形成裂縫的極限壓力，MPa；St為煤體抗張強度，MPa當Pff=Pft時，即水力壓裂時在天然裂隙和未有天然裂隙的地方同時破裂，此時可求出極限夾角γ0，從而求出天然裂隙面與最大水平主應(yīng)力的臨界夾角0，即-

2=2

h式中：0為天然裂隙與未有裂隙同時張開時天然裂隙面與最大水平主應(yīng)力的臨界不同煤體結(jié)構(gòu)不同裂隙發(fā)育程度煤儲層的煤體結(jié)構(gòu)不同，采用的壓裂工藝技術(shù)有所不同，在壓裂的過，壓裂裂縫裂隙的擴展延伸規(guī)律也不盡相同。就目前的壓裂工藝技術(shù)條件而言，壓裂的目的層主要選擇原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，有利于煤層氣井壓裂改造的過根據(jù)煤樣應(yīng)力應(yīng)變滲透性測試及不同裂隙發(fā)育程度煤體裂縫起裂擴展延伸規(guī)律，探討煤儲層在壓裂的過壓裂裂縫的擴展延伸規(guī)律。1、I、II針對I、II類煤而言，由于原始裂隙發(fā)育程度的差異性，在壓裂的過，壓I、II3-12所示。在天天然裂最大主應(yīng)力方3-12Fig.3-12Developmentoforiginalcrackaboutcoal在壓裂的初期階壓裂液持續(xù)泵入煤儲層，原始裂隙的逐漸升高，當原始裂隙中的高于煤儲層的起裂壓力時煤儲層的原始裂隙在的作用下開始起裂延伸。裂縫延伸后，由于裂縫體積空間變大，裂縫中的降低，此時裂縫在的作用下，繼續(xù)延伸，但裂縫延伸的方向以原始裂隙的方向為主，即溝通煤儲層中的原始裂隙，形成初始階的壓裂裂縫，如圖313所示。由于煤儲層的起裂壓力相對較低，且原始裂隙發(fā)育的數(shù)量與壓裂形成的裂縫相比，數(shù)量相對較少，因此，壓裂前期階的持續(xù)時間相對較短。天天然裂最大主應(yīng)力方圖3-13煤儲層原始裂隙發(fā)育時壓裂初始階的裂縫延伸方Fig.3-13FracturingcrackextensiondirectionoftheinitialstagewhentheDevelopmentoforiginalcrackaboutcoalreservoir3-14所示，由于煤儲層中未發(fā)育原始裂隙的區(qū)域相對較多，因此，后后期階裂縫延伸方天然裂初始階裂縫延伸方圖3-14煤儲層原始裂隙發(fā)育時壓裂后期階的裂縫延伸方Fig.3-14Fracturingcrackextensiondirectionofthelatestagewhenthedevelopmentoforiginalcrackaboutcoalreservoir提高煤儲層的滲透率，有利于煤層氣井后期的排采，促進煤層氣較大范圍內(nèi)的解I、II響，最終形成的煤的原始裂隙發(fā)育程度不同。對于原始裂隙不發(fā)育的I、II類煤，其裂隙發(fā)育狀況如圖3-15所示，據(jù)此分析在壓裂不同階的裂縫延伸擴展規(guī)律。天天然裂最大主應(yīng)力方3-15Fig.3-15Nodevelopmentoforiginalcrackaboutcoal對于原始裂隙不發(fā)育的煤儲層，在壓裂的過，由于煤儲層的原始裂隙不在整個壓裂改造的過，當井底壓裂液的靜壓力高于原始裂隙的起裂壓力時，縫的延伸以最大主應(yīng)力方向為主。同時，在壓裂的過，當形成的壓裂裂縫遇3-16所示。復雜的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，能有效增加煤儲層的導流能力，便于提高煤后后期壓裂裂縫延伸方天然裂初始壓裂裂縫延伸方最大主應(yīng)力方3-16Fig.3-16Extendingoutspreaddiagramofcrackwhenoriginalcrackofcoalreservoirnotdevelopment2、III、IV的勘探開發(fā)過，對于煤體結(jié)構(gòu)較破碎的III、IV類煤，利用水力壓裂工藝對煤儲層進行改造的相對很少。因此，不討論III、IV類煤進行水力壓裂時的裂縫擴展容易流體容易產(chǎn)生滲流導致滲透率較高僅反映了煤體的易碎程度反映不了ⅢⅣ類煤真實狀態(tài)下的滲透率。從側(cè)面也反映了IIIIV類煤水力壓裂的局限性：根據(jù)巖石力學、彈性力學等力學理論，探討了不同煤體結(jié)構(gòu)、不同裂隙發(fā)育程度組合條件下的壓裂裂縫擴展延伸規(guī)律，得出：I、I類煤原始裂隙發(fā)育時，裂縫延伸分為裂縫延伸初期、后期兩個階延伸前期階延伸方向以原始裂隙方向為主，持續(xù)時間相對較短；延伸后期階裂縫的起裂將在煤儲層中無裂隙的區(qū)域，以最大主應(yīng)力方向延伸為主，且持續(xù)時間較長。I、I類煤原始裂隙不發(fā)育時，壓裂一開始即形成新的壓裂裂縫，裂縫的延伸以最大主應(yīng)力方向為主。與此同時，在裂縫延伸的過，遇到原始裂隙時，與其溝通，最終在煤儲層中形成復雜的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。水力壓裂是煤儲層改造最直接、最有效的增產(chǎn)方法。在煤層氣勘探開發(fā)歷程中，活性水壓裂作為我國最成壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤層氣開發(fā)中。我國煤儲層地質(zhì)賦存條件比較復雜，尤其在地質(zhì)構(gòu)造錯綜復雜、煤體結(jié)構(gòu)分布不均、裂隙連通性較差的地區(qū)，采用單一的活性水壓裂進行儲層改造，可能會導致效果不甚理想，甚至有可能造成壓裂失敗。采用氮氣伴注活性水壓裂，對煤儲層地質(zhì)條件當?shù)獨膺M入煤儲層中，不僅增加了儲層流體壓力，進而提高了儲層能量；同時氮氣可以進入活性水達不到的孔裂隙通道，有效增加了孔裂隙通道的長度，并提高了流體在孔裂隙系統(tǒng)中的運移速度，從而提高了煤儲層的滲透性，因此，研究注氮氣對煤儲層增能增透機理對儲層改造效果具有重要的指導意義?；诖?，本章通過測試、構(gòu)建數(shù)學模型和數(shù)值模擬等方法研究了鶴壁六礦煤儲層孔裂隙結(jié)構(gòu)特征，模擬煤體中不同尺度裂隙的分布情況以及滲流特征，查明了注氮氣對煤儲層增能增透機理。煤是一種多級多孔儲氣空間介質(zhì)，煤中甲烷主要是以吸附狀態(tài)在煤孔隙75nm的孔隙作為滲流孔75nm的孔隙作為吸附孔隙。1煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)測試大多采用的是壓法或低溫液氮吸附法。本文采用常用的孔隙測試方法-低溫液氮吸附法。實驗測試煤樣來自鶴壁六礦，煤樣粒徑60-80ASAP2020比表面積及孔徑分布測量儀，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 礦>10010-100<10>10010-100<104-10.006155ET1.3371m2/g21.96%，15.4%小孔次之，大中孔最少。說明了鶴壁六礦煤中甲烷主要是以吸附態(tài)存在于微孔孔隙中，且各孔徑比例差異較明顯，大中孔較少，導致了煤層氣運移阻力加大，不方式提供一定的指導意義。低溫液氮吸附實驗測試的吸附-4-2所4-2鶴壁六礦煤樣吸附-Fig.4-2CurveofadsorptionandstripofcoalsampleofNO.6coalmineinHe-快速上升，然后平穩(wěn)上升，最后快速上升趨勢。當相對壓力p/p0小于0.2時，吸附p/p00.2~0.8時，吸附呈近似線性增加，增加幅度較小，說明此時微孔的吸附p/p00.8力開始減小，脫附量呈現(xiàn)指數(shù)形式下降，且逐漸遠離吸附曲線，下降幅度劇烈，說明吸附在大中孔隙中的氮氣最先發(fā)生脫附現(xiàn)象，而且由于孔徑相對較大，氮氣很容易在較小的壓差動當相對壓力p/p0在0.50.8時脫附量基本保持不變而且，從吸附曲線與脫附曲線的走勢，不難發(fā)現(xiàn)，脫附曲線是逐漸遠離吸附曲線，在相對壓力p/p0為0.5時，吸附曲線與脫附曲線最遠，說明脫附比較而且當相對壓力p/p00.10.12m3/g，脫附曲線趨于平緩，脫附量基本保持不變。綜上所述，說明鶴壁六礦煤樣的微孔占有較大比例，且煤中孔隙連通性較差。煤儲層裂隙是流體產(chǎn)生滲流的主要通道。在地質(zhì)歷史演化過，煤層經(jīng)歷了抬升、沉降、剝蝕等構(gòu)造運動，使得煤層受到不同方向上的構(gòu)造應(yīng)力作用，導不僅分布著肉眼可識別的毫米級裂隙，同時存在著微米級和納米級等微裂隙，是肉眼觀測不到的。因此，查清不同尺度的裂隙結(jié)構(gòu)特征，對研究煤層氣滲流規(guī)律具有重要的理論意義。1用裂隙的長度、高度、寬度、裂隙表面形態(tài)、裂隙組合樣式以及次生礦化及充填狀態(tài)等來刻畫。微觀裂隙由于用肉眼無法進行觀測，因此，需要借助光學顯微鏡進行觀測。及成煤后所受應(yīng)力不同，也會導致裂隙發(fā)育程度的不同。本節(jié)主要是通過井下觀2L試-001、SQ-2等多個鉆井取芯，對煤樣進行裂隙觀察和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，煤層二1煤層以塊狀-柱狀、粉狀互層出現(xiàn)，粉狀煤芯中肉眼無法看到裂隙發(fā)育情況，塊狀～2~4條/5cm，裂隙無充填，裂隙張開度1煤層煤芯上部呈碎塊狀、柱狀，外生裂隙不發(fā)育，內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，密4~13條/5cm，下部均呈粉沫狀、粒狀，肉眼無法看到裂隙發(fā)育情況。4-2。4-2Tab.4-2DescriptionofstructureofCoalbedmethanewellcoreand macrolithotypeof 井煤巖類分層厚煤樣狀外生裂 內(nèi)生裂2條/5 12條/5 2條/58條/5SQ1碎11條/510條/5碎13條/5L試1 碎碎4條/5柱13條/52條/58條/5SQ210條/5碎碎HL參-碎碎4-34-3 Tab.4-3Characteristicsofcoalandrockofthemicroscopiccoal 采 煤地 成

鏡

平均=1.60寬度測量值：0.5均=0.43

134.32平均89.64

1.43.3、2.12.3、2.1條/um平均：2.25條/

隙大都未被通性較差、裂隙不發(fā)育暗 寬度測量值：0.230.25，平均=0.24

性差、無充4-31煤層中顯微裂隙特征a鏡煤；b亮煤；cFig.4-3MicroscopicfracturefeaturesofTWO1coal4-34-312.25條/mm1.60μm且裂隙大都未被充填或有少量充填；亮煤中裂隙發(fā)育明顯比鏡煤差，一般只89.64μm0.51m組，其總體特征形態(tài)彎曲、連通性差，幾乎無充填。8~33條/5cm2條/5cm。從顯微裂隙寬度、長度和密度對鶴壁六礦不同煤巖成分進行裂隙描述，得出鏡煤裂隙連通性較好，亮煤差，暗煤連通性蒙特卡羅（MonteCarlo）17世紀時已經(jīng)雛形，2040年代提出來。因為當時采用的思想是對具有隨機事件進行直接annE.FermiS.N.Metropolis等數(shù)學家在蒙特卡羅方法雛形的基礎(chǔ)上，通過對隨機現(xiàn)象進行直有隨機性質(zhì)的問題，按照隨機性質(zhì)問題解決，這種轉(zhuǎn)化過程就顯得特別重要，轉(zhuǎn)定性與隨機性的交叉性質(zhì)的問題時，會遇到許多本質(zhì)上的，這也是這個階仿真方法的崛起，使得蒙特卡羅方法進入到迅速發(fā)展的階的適應(yīng)性，問題的幾何形狀的復雜程度對其影響不大，能快速求解復雜實際問題的近似解。通過編制計算機程序語言進行巖體產(chǎn)狀參數(shù)的統(tǒng)計隨機分布1本文通過軟件編程，構(gòu)建不同裂隙尺度網(wǎng)絡(luò)模型，并對煤體中裂隙然后以蒙特卡羅隨機理論為基礎(chǔ)，采用數(shù)值編寫計算機語言，對絡(luò)中的幾何位置關(guān)系，借助于編制計算機語言，將孤立裂隙剔除。及二定滲流數(shù)學原理，構(gòu)建二定滲流的水頭邊界條件下的滲透率計算算法，并通過編程，實現(xiàn)對剔除孤立裂隙后的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的計算。2樣品本次鶴壁六礦的煤樣破碎成小塊后拋光制成近似3cm×3cm×2cm的4-4。 4-4部分制作的煤樣Fig.4-4Partsoftheproductionof裂隙模擬時用到的幾何參數(shù)主要有密度、，跡長與張開度等。首先需對生符合其它分布的隨機數(shù)。本次采用線性同余的方法生成[0,1]bnabn1cmodM

bn,nN

式中：M為模數(shù)，modM為表示對模數(shù)取余值；a為乘子；c為增量；b0為初值；rn為區(qū)間[0,1]均勻分布隨機數(shù)。當產(chǎn)生了均勻分布的隨機數(shù)，繼而可以產(chǎn)生其它分布的隨機數(shù)，例如：xxx

2ln(rand)cos(2rand①裂隙網(wǎng)絡(luò)的生成域由裂隙長度確定。例如：裂隙平均長度為l，則裂隙的生成域尺寸為6l6l。（x，y，度為（定義為自x軸逆時針旋轉(zhuǎn)到裂隙的角度，則裂隙的端點坐標為：

y

y0y

NS或N

SS

式中：N表示裂隙的面密度；S為生成域的面積；s為裂隙的長度；d為裂隙間距的平均值。剔除這些孤立裂隙。剔除的方法是賦零法。具體方法為：運用軟件求出一交點矩陣之中，不相交或交點在邊界延長線，則在交點矩陣的相應(yīng)位置賦零，4新的總交點矩陣，通過判斷裂隙交點的個數(shù)將不符合要求的裂隙剔除。計算矩陣方程式分析裂隙網(wǎng)絡(luò)中水的滲流。國內(nèi)學者仵彥卿曾推出二定滲ATATHATATHA ATHATATHA

TATHA 式中：A1、A2、A3為銜接矩陣，T為對角矩陣，H1-內(nèi)節(jié)點水頭矢量，m；H2-模型型左右邊界交點流量值，流入為正值，流出為負值，m3。HD1式中：DATAT，D1為D的逆矩陣；

TH

求出H1后帶入公式（4-3）TTTT

10mm×10mmVHQHVHQH

k

式中：η為水的動力粘滯性系數(shù)；ρ為水的密度；g為重力加速度，k孔裂隙網(wǎng)絡(luò)越復雜，流體運移阻力越大，在流動中能量損失越多，不利于后期流體向井筒附近運移。因此，構(gòu)建不同尺度孔裂隙網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠?qū)琢严毒W(wǎng)絡(luò)有更清晰的認識，而且能夠優(yōu)化出流體的最佳運移路徑，為流體的運移規(guī)律提供了新的思路。14-4。4-4 Table.4-4Geometricparametersof 分密均均 均 標12的中心點服從均勻分布，跡長服從正態(tài)分布，服從對數(shù)正態(tài)分布，張開度服4-43.315mm20mm×20mm，由公式（4-2）可得每組的裂隙條數(shù)為40條，通過編寫4-44-5。86420 - - - - 4-5Fig.4-5Millimeterfracturenetwork4-5裂隙的剔除，剔除后的裂隙網(wǎng)絡(luò)將有效裂隙的交點按相連即可求得水在裂隙4-6。 4-6Fig.4-6SeepageflowingModel級裂隙中對滲透率的主要貢獻參數(shù)，需要在其他參數(shù)保持不變的情況下，改變一4-7。04-7Fig.4-7Relationshipsbetweenmillimetercrackdensityand4-5。4-5Table.4-5Calculationresultsaboutpermeabilityunderdifferentcrack滲透率4.3157×10-3.09/4.3749×10-4.5473×10-4.7433×10-4.7616×10-4.7649×10-為了得出裂隙寬度對滲透率值的影響，其他參數(shù)相同情況下，忽略裂隙寬度4-8。4-8Fig.4-8Relationshipsbetweenmillimeterfracturewidthand2由于煤樣中微米級裂隙的觀測統(tǒng)計相對較，本文中對于微米級裂隙的統(tǒng)4-6。4-6 Table.4-6Geometricparametersof 分 密角均均 均 標12裂隙的中心點服從均勻分布，跡長服從正態(tài)分布，服從對數(shù)正態(tài)分布；4-669.2um數(shù)為128條，通過編寫程序，結(jié)合表4-6參數(shù)，得出煤樣的裂隙網(wǎng)絡(luò)模4-9。0 - - - 4-9Fig.4-9ModelDiagramofMicronsca