脈動壓裂過程中瓦斯微觀動力學特性及液相滯留機制研究.pdf

1、我國煤礦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，導致大部分煤層抽采困難，瓦斯災害嚴重。水力壓裂是提高煤層瓦斯抽采效率的有效技術措施之一，但是現(xiàn)有水力壓裂技術效果不穩(wěn)定、存在卸壓不充分等現(xiàn)象。脈動水力壓裂是在常規(guī)水力壓裂的基礎上旨在提高煤層卸壓增透效果的新技術。但是，缺乏對其瓦斯解吸、擴散等微觀動力學特性、脈動壓裂液滯留效應機制等方面的深入探討，影響了該技術的進一步推廣和應用。本文采用理論分析、實驗室實驗、數(shù)值擬合

2、等方法，深入研究了脈動壓裂過程中瓦斯微觀動力學特性及液相滯留機制，以優(yōu)化關鍵技術參數(shù)及工藝，主要成果如下：
　　采用壓汞法、液氮吸附法，增大孔徑測試范圍，對脈動波作用煤孔隙度、孔徑分布等變化特性進行定量分析；結合環(huán)境掃描電鏡測試和能量色散譜儀測試，研究煤樣表面各種礦物質遷移變化規(guī)律。得出在脈動載荷下對煤樣孔隙度的影響程度大于靜壓載荷；微孔體積隨著脈動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波頻率和峰值壓力的增加而增加。

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

4、壓力呈對數(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-低頻的脈動壓裂會抑制瓦斯綜合解吸效果；低壓-高頻、高壓-低頻和高壓-高頻的脈動壓裂對瓦斯綜合解吸起促進作用。
　　運用基于第三類邊界條件下的瓦斯擴散動力學模型，分析了脈動參量協(xié)同控制條件下瓦斯擴散動力學特性。水分進入煤樣內部孔隙，會封堵瓦斯擴散通道，阻礙瓦斯在煤中的擴散。低壓或低頻條件下，脈動壓裂

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

6、滴形態(tài)分析系統(tǒng)對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行研究，采用核磁共振設備對液相滯留效應解除效果進行評價分析，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”三位一體技術模型，并對脈動水力壓裂進行技術優(yōu)化。研究成果在現(xiàn)場應用表明，優(yōu)化脈動水力壓裂實施后，瓦斯抽采效果明顯。壓裂孔和導向孔瓦斯穩(wěn)