三維旋轉水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術研究.pdf

1、對于松軟、低透氣性煤層，特別是單一突出煤層，采用現(xiàn)有的瓦斯抽采技術難以實現(xiàn)抽采達標。采取煤層增透措施，是解決此難題的關鍵。煤體結構改造是煤層增透的焦點，而以水射流和水力壓裂為代表的水力化技術，是煤體結構改造的有效途徑。本文以水力化煤層增透技術為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗室實驗與井下試驗相結合的方法，對三維旋轉水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術進行了較為深入系統(tǒng)的研究，并進行了現(xiàn)場試驗及應用，具有重要的理論和實際意義。全文取得了以下

2、主要研究成果：
　　采用理論計算和數(shù)值模擬相結合的方法，研究了非均勻應力場下穿層鉆孔擴孔后煤層增透的力學機制。結果表明，隨著孔徑的增大，其圍巖塑性區(qū)的面積呈近似拋物線形快速增長，而圍巖塑性區(qū)的等效直徑與孔徑基本成線性關系，因而采用水射流擴孔的方法能夠實現(xiàn)煤層的卸壓、增透。
　　利用ANSYS研究了淹沒條件下旋轉水射流噴嘴的流場特性，經優(yōu)選確定出現(xiàn)場擴孔用噴嘴所配葉輪的導向角為45°。在實驗室的水射流試驗系統(tǒng)上測試了淹沒條件下

3、旋轉水射流噴嘴的破巖、擴孔能力。對非淹沒條件下三維旋轉水射流流場的模擬結果表明，通過噴頭帶動旋轉水射流噴嘴旋轉所產生的三維旋轉水射流的速度，特別是切向速度，要高于不旋轉時，從而提高了水射流的破煤擴孔能力?；谝陨涎芯?，提出了三維旋轉水射流擴孔方法。
　　應用彈性力學理論分析了地應力場對穿層鉆孔水力壓裂的起裂壓力和裂縫擴展方位角的控制作用。對水射流擴孔后鉆孔周圍不同方向上水平主應力分布的分析結果表明，擴孔后再進行水力壓裂，裂縫容易沿

4、最大主應力方向擴展。從彈性力學和滲流力學的角度，研究了早期壓裂裂縫的誘導應力對后期裂縫的發(fā)育所產生的誘導作用。采用RFPA2D-Flow模擬了不同鉆孔布置和壓裂方式下裂縫的起裂、延伸與擴展規(guī)律，驗證了控制鉆孔對裂縫的導控作用，證實了同步壓裂期間在先形成的裂縫對后發(fā)育裂縫的誘導作用下，后期裂縫轉向擴展并最終形成了網狀裂縫結構。揭示了三維旋轉水射流擴孔與水力壓裂聯(lián)作增透的機理。
　　提出了三維旋轉水射流擴孔與水力壓裂聯(lián)作增透的技術方法