脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯微觀動(dòng)力學(xué)特性及液相滯留機(jī)制研究.pdf

1、我國(guó)煤礦70％左右的高瓦斯突出煤層具有微孔隙、低滲透率、高吸附性的特征，導(dǎo)致大部分煤層抽采困難，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。水力壓裂是提高煤層瓦斯抽采效率的有效技術(shù)措施之一，但是現(xiàn)有水力壓裂技術(shù)效果不穩(wěn)定、存在卸壓不充分等現(xiàn)象。脈動(dòng)水力壓裂是在常規(guī)水力壓裂的基礎(chǔ)上旨在提高煤層卸壓增透效果的新技術(shù)。但是，缺乏對(duì)其瓦斯解吸、擴(kuò)散等微觀動(dòng)力學(xué)特性、脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)機(jī)制等方面的深入探討，影響了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值擬合

2、等方法，深入研究了脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯微觀動(dòng)力學(xué)特性及液相滯留機(jī)制，以?xún)?yōu)化關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及工藝，主要成果如下：
　　采用壓汞法、液氮吸附法，增大孔徑測(cè)試范圍，對(duì)脈動(dòng)波作用煤孔隙度、孔徑分布等變化特性進(jìn)行定量分析；結(jié)合環(huán)境掃描電鏡測(cè)試和能量色散譜儀測(cè)試，研究煤樣表面各種礦物質(zhì)遷移變化規(guī)律。得出在脈動(dòng)載荷下對(duì)煤樣孔隙度的影響程度大于靜壓載荷；微孔體積隨著脈動(dòng)波頻率和峰值壓力的增加而減少，中孔和大孔體積隨著脈動(dòng)波頻率和峰值壓力的增加而增加。

3、脈動(dòng)波作用影響煤樣主要出現(xiàn)兩類(lèi)孔隙：擴(kuò)孔作用形成原有孔隙的擴(kuò)張和沖蝕作用使煤中鑲嵌的礦物質(zhì)晶體沖蝕出其占空間形成的新孔隙。
　　建立基于脈動(dòng)水力壓裂的瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探討脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯解吸動(dòng)力學(xué)特性，分析脈動(dòng)壓裂協(xié)同控制條件下，前期置換-驅(qū)替瓦斯特性、后期瓦斯自然解吸特性，綜合分析脈動(dòng)壓裂影響瓦斯解吸效果。脈動(dòng)壓裂過(guò)程中瓦斯置換-驅(qū)替量明顯大于靜壓壓裂，且置換-驅(qū)替量隨脈動(dòng)頻率的增加先呈線(xiàn)性增加，后呈對(duì)數(shù)增加趨勢(shì)；隨脈動(dòng)峰值

4、壓力呈對(duì)數(shù)形式增加。后期瓦斯自然解吸量及解吸速度均小于干燥煤樣瓦斯解吸量，瓦斯自然解吸衰減比例一般在20%~60%之間。靜壓壓裂和低壓-低頻的脈動(dòng)壓裂會(huì)抑制瓦斯綜合解吸效果；低壓-高頻、高壓-低頻和高壓-高頻的脈動(dòng)壓裂對(duì)瓦斯綜合解吸起促進(jìn)作用。
　　運(yùn)用基于第三類(lèi)邊界條件下的瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型，分析了脈動(dòng)參量協(xié)同控制條件下瓦斯擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性。水分進(jìn)入煤樣內(nèi)部孔隙，會(huì)封堵瓦斯擴(kuò)散通道，阻礙瓦斯在煤中的擴(kuò)散。低壓或低頻條件下，脈動(dòng)壓裂

5、使煤中瓦斯擴(kuò)散能力要小于靜壓壓裂，同時(shí)，由于煤中瓦斯?jié)舛忍荻群屯咚箶U(kuò)散阻力的綜合作用，使脈動(dòng)壓裂后瓦斯在煤中的擴(kuò)散能力隨著脈動(dòng)頻率和峰值壓力的增加而增加，且應(yīng)存在一組臨界值，使脈動(dòng)壓裂后煤樣的擴(kuò)散能力大于原煤樣。
　　揭示了毛細(xì)管力和粘度滯后效應(yīng)是脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)的兩大原因。煤孔隙特性、侵入深度、粘度、接觸角及表面張力是脈動(dòng)壓裂液滯留效應(yīng)的五大因素。其中，壓裂液的表面張力和接觸角是滯留效應(yīng)能否解除的決定因素。采用DSA型光學(xué)法液

6、滴形態(tài)分析系統(tǒng)對(duì)基于表面活性劑的清潔壓裂液臨界表面張力及接觸角等性能變化進(jìn)行研究，采用核磁共振設(shè)備對(duì)液相滯留效應(yīng)解除效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，得出陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉SDS為最優(yōu)的壓裂液添加劑，并確定了其合理濃度為0.022%。
　　基于上述研究成果，提出了低透氣性煤層卸壓增透的“鉆”“壓”“抽”三位一體技術(shù)模型，并對(duì)脈動(dòng)水力壓裂進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。研究成果在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，優(yōu)化脈動(dòng)水力壓裂實(shí)施后，瓦斯抽采效果明顯。壓裂孔和導(dǎo)向孔瓦斯穩(wěn)