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高压水射流破煤岩实验研究

高压水射流破煤岩实验研究

作者：覃兆勇西南石油大学

学位级别：硕士

高压水射流技术的钻进速度快,成本低,钻进过程中无火花,可以有效解决我国煤层气开采中成本高、对储层污染严重等难题。目前高压水射流煤层钻孔的现场应用比较多,但是关于高压水射流破煤岩效率的影响因素方面的研究仍不够完善。这是由于... 详细信息

高压水射流技术的钻进速度快,成本低,钻进过程中无火花,可以有效解决我国煤层气开采中成本高、对储层污染严重等难题。目前高压水射流煤层钻孔的现场应用比较多,但是关于高压水射流破煤岩效率的影响因素方面的研究仍不够完善。这是由于煤岩非均质性较强,容易发生垮塌,因此利用真实煤岩进行高压水射流煤层钻孔室内物理模拟方面的研究成果较少,而且绝大部分是利用水泥、沙、煤粉按一定比例配制成的型煤进行的研究,所配制成的型煤与真实煤岩差距大,难以准确的反映高压水射流煤层钻孔的真实情况。另外,磨料射流技术虽然目前也被应用到了煤层的钻孔中,但是没有学者对磨料浓度这一关键射流参数对煤层钻孔的影响规律作深入的研究。针对上述问题,本文在前人研究成果的基础上,基于高压水射流技术理论,综合利用石油与天然气工程、机械工程、工程流体力学、岩石力学等领域的知识,对高压水射流破煤岩过程进行了仿真,且研制出了适合于室内模拟高压水射流破煤岩的实验装置,并通过实验对多因素影响条件下高压水射流煤层钻孔深度和孔径进行了分析。主要取得了以下成果：（1）模拟出了破碎坑形成的演化过程,弄清了煤岩体的破碎过程及导致其破碎的主要原因。（2）研制出了适合于室内模拟高压水射流破煤岩的实验装置,提高了前混式磨料射流系统的控砂精度。（3）得到了高压水射流在煤层中所形成孔的形态特征,对现场井壁支撑工具下入的参数设计具有一定的指导意义。（4）得出了各因素对高压水射流破煤岩效率的影响规律,并以孔径和孔深为目标函数得到了一组最佳射流参数组合,为现场高压水射流煤层钻孔的施工参数设计提供了设计依据。

关键词：水射流煤层钻孔仿真实验研究

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竖直恒载循环作用下煤层钻孔失稳演化研究

岩石力学与工程学报 2020年第2期39卷 262-271页

作者：王志明孙玉宁张硕宋维宾王永龙河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学深井瓦斯抽采与围岩控制国家地方联合实验室河南焦作454002

为研究采动影响下煤层钻孔的长时失效机制,采用自主研制的双向加载试验装置开展竖直应力多次循环下钻孔失稳的模型试验。结果表明,恒压阶段钻孔的收缩具有显著的时效性,而升压阶段加剧了钻孔收缩,引入的钻孔收缩模型较好的描述了孔径变... 详细信息

为研究采动影响下煤层钻孔的长时失效机制,采用自主研制的双向加载试验装置开展竖直应力多次循环下钻孔失稳的模型试验。结果表明,恒压阶段钻孔的收缩具有显著的时效性,而升压阶段加剧了钻孔收缩,引入的钻孔收缩模型较好的描述了孔径变化规律;多次循环虽然促使钻孔收缩,但钻孔收缩速率随之衰减。成孔初期围岩损伤剧烈、裂纹发育,但孔壁处裂纹不明显,损伤效应主要表现为钻孔收缩;在第1次循环的恒压段,围岩持续损伤并趋稳,孔壁损伤加强;升压阶段破坏了原有的稳定,加剧了孔壁的损伤并扩大了损伤范围,提高了煤岩剥落的风险,但升压对围岩的损伤程度随循环次数的增多而下降;多次循环后,围岩损伤积累,裂纹进一步扩展、贯通,导致严重的失稳。

关键词：采矿工程煤层钻孔循环恒压损伤声发射

基于Hoek-Brown准则的煤层钻孔失稳破坏类型数值模拟研究

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煤炭学报 2020年第S01期45卷 308-318页

作者：韩颖张飞燕刘晓李贤忠河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000 深井岩层控制与瓦斯抽采国家安监局科技支撑平台河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的... 详细信息

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的前提下,在弹塑性本构方程中引入塑性流动因子,使瓦斯渗流场方程含有体应变、煤岩体变形场方程含有瓦斯压力项,进而建立了基于H-B准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型;采用COMSOL软件对模型进行解算,探讨了不同侧压系数条件下不同煤体结构煤层钻孔周围塑性区分布规律,并对煤层钻孔失稳破坏类型进行了划分。研究表明:无论在何种侧压系数条件下,孔周塑性区分布范围皆随GSI值的增大而逐渐减小,2者遵循幂函数关系;塑性区分布形状因侧压系数、GSI值不同而差别较大;当GSI值较小时,在不同侧压系数条件下,塑性区分别呈扇形、椭圆、"X"状分布;当GSI值较大时,塑性区分别呈圆形、"V"状、"平底锅"状分布;煤层钻孔失稳破坏类型分为应力控制型破坏、结构面控制型破坏、软煤中的喷孔破坏3类,分别发生在高应力硬煤中(60≤GSI≤100)、强度中等的煤体中(30煤中(0≤GSI≤30),失稳破坏的主控因素分别为应力、结构面力学性质、煤体力学性质及瓦斯内能。

关键词： Hoek-Brown准则地质强度指标流固耦合模型煤层钻孔失稳破坏类型

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基于井下保压钻孔的钻井液携煤特性研究

基于井下保压钻孔的钻井液携煤特性研究

作者：李霜重庆大学

学位级别：硕士

本文以煤层钻孔环空固液两相流为研究对象,借鉴石油天然气钻井领域使用钻井液清洁钻孔、提高钻井效率等经验,结合理论分析、实验室模拟试验与数值模拟分析的手段,探讨适用于煤层钻孔的钻井液,并探究不同的操作条件和浆液性能对钻孔煤屑... 详细信息

本文以煤层钻孔环空固液两相流为研究对象,借鉴石油天然气钻井领域使用钻井液清洁钻孔、提高钻井效率等经验,结合理论分析、实验室模拟试验与数值模拟分析的手段,探讨适用于煤层钻孔的钻井液,并探究不同的操作条件和浆液性能对钻孔煤屑运移规律的影响,为煤层钻孔工程提供合理的理论基础,保证钻孔稳定以及后续煤层气顺利开采。本文研究成果如下:(1)以水+8%膨润土+0.3%NaCO混合溶液作为基浆,向其中添加适量的降滤失剂CMC、抑制剂K-PAM,能够获得具备适宜的粘度和动切力、滤失量低等性能的浆液,通过测试发现配比(水+8%膨润土+0.25%CMC+0.05%K-PAM+0.3%NaCO)的浆液具备较好的悬浮能力和抗坍塌能力,能够满足煤层钻孔环空携煤要求。(2)通过采用自主设计研发的模拟钻孔施工过程的液-固耦合试验装置进行环空两相流试验,同时采取CFD-DEM(计算流体动力学-离散元)耦合的数值模拟方法,研究不同参数对浆液携煤能力的影响,并观察分析钻孔环空固液两相流型变化。结果表明:1)在试验过程中,提高出口压力会增大环形空间出口的背压,造成泥浆泵流量减小,降低液相的携煤能力;在数值模拟过程中,仅改变出口压力,入口流量仍然是恒定值,不同出口压力条件下,环空中同一位置的煤屑颗粒浓度相差不大,并且浆液携煤量基本一致;2)浆液粘度的提升有助于提高液相携煤效率。液相粘度提升之后,为固相颗粒提供了更大的浮力来抵抗重力的影响,能让煤屑保持更好的悬浮状态,延长环空上部煤屑降落的时间,使得煤屑颗粒能够更长时间限度地处于完全匀称悬浮流型;同时液相对固相颗粒施加的拖曳力,能够拖曳颗粒向环空出口运动,达到高效清洁钻孔的效果;3)煤屑颗粒粒径的提高会降低液相携煤效率。粒径增大造成固相颗粒自重增加,难以长时间悬浮在液相中,导致其沉降至环空下部,难以向环空出口运移,降低液相的携煤能力;4)在一定范围内,钻杆转速的增加能够达到更好的携煤效果。钻杆转速的提升一定程度上增加了流体的周向速度,从而为固相颗粒提供了更大的举升力和曳力;同时,转速增加会带动流体破坏已生成的煤屑床,让煤屑床上部的接触质颗粒恢复至跃移质状态,从而向环空出口不断移动。

关键词：煤层钻孔环空携屑固液两相流颗粒运移 CFD-DEM

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煤层钻孔失稳机理研究进展

中国安全生产科学技术 2014年第4期10卷 114-119页

作者：韩颖张飞燕河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。尽管众多研究者在钻孔施工装备及工艺的改进方面开展了大量卓有成效的工作,但因煤层钻孔失稳机理尚未完全揭示... 详细信息

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。尽管众多研究者在钻孔施工装备及工艺的改进方面开展了大量卓有成效的工作,但因煤层钻孔失稳机理尚未完全揭示,钻孔成孔工艺缺乏理论支撑,上述难题至今仍未破解。从煤体结构判识及分类、含流体煤力学特性、失稳机理三方面入手,系统介绍了煤层钻孔失稳机理的研究进展,探讨了该领域亟待解决的问题;最后指出,含流体煤卸载过程中,煤层钻孔在流-固-应力耦合作用下的失稳破坏机制研究,是破解煤层深孔钻进难题的重点方向之一。

关键词：煤层钻孔失稳机理煤体结构含流体煤

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煤层钻孔孔壁稳定性分析

中国安全科学学报 2014年第6期24卷 80-85页

作者：韩颖张飞燕杨志龙河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室--省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 铜川市耀州区煤炭管理局陕西铜川727031

为深入探讨高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层钻孔孔壁失稳问题,从而为钻孔成孔工艺提供参考与借鉴、提高部分高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理效果,分析钻孔所处应力环境、煤体结构、孔隙压力、钻进速度等因素对孔壁稳定性影响。基于... 详细信息

为深入探讨高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层钻孔孔壁失稳问题,从而为钻孔成孔工艺提供参考与借鉴、提高部分高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理效果,分析钻孔所处应力环境、煤体结构、孔隙压力、钻进速度等因素对孔壁稳定性影响。基于H-B准则、地质强度指标(GSI)与岩石断裂力学理论,建立Ⅰ类煤层钻孔孔壁失稳的力学判据,探讨Ⅱ-Ⅳ类煤层钻孔孔壁失稳的力学条件,并分析钻孔周围"三带(区)"内孔壁稳定性。研究表明:H-B准则可作为破坏准则来判定Ⅰ类煤层钻孔孔壁是否发生失稳破坏;而Ⅱ-Ⅳ类煤层钻孔孔壁需同时满足3个条件,即煤体发生强度破坏、裂纹在应力作用下逐步扩展和裂纹在瓦斯压力作用下继续扩展直至相互贯通,才会发生失稳破坏;此外,卸压带易垮孔,峰后应力集中带易喷孔、顶钻,峰前应力集中带的孔壁失稳破坏的概率较低。

关键词：煤层钻孔孔壁稳定性 H—B准则地质强度指标(GSI) 裂纹扩展

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顺层长煤孔施工中存在的问题探讨

煤田地质与勘探 2005年第Z1期33卷 192-194页

作者：刘春平淮南矿业集团谢李公司安徽淮南232046

通过探讨顺层长煤孔施工中存在的喷孔、夹钻、顶钻和丢失钻杆等原因,总结出一套较为有效的经验,这可提高顺层煤孔的施工进度和钻孔深度,同时也为突出煤层单进的提高奠定了基础.

关键词：煤层钻孔施工经验

煤层水力造穴钻孔含水特征及对抽采瓦斯浓度的影响研究

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煤炭技术 2022年第5期41卷 97-101页

作者：欧阳剑郝晋伟杨伟东潞安化工集团有限公司高河能源山西长治046011 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013

煤层水力造穴增透技术是低渗松软煤层十分有效的“增透-增流”方法之一,但受外侵水浸润与积存等影响,水力造穴钻孔抽采瓦斯参数具有明显的分区分布特征。为此,通过图示法分析钻孔积水积煤状态,利用钻孔成像轨迹仪现场观测水力造穴钻孔... 详细信息

煤层水力造穴增透技术是低渗松软煤层十分有效的“增透-增流”方法之一,但受外侵水浸润与积存等影响,水力造穴钻孔抽采瓦斯参数具有明显的分区分布特征。为此,通过图示法分析钻孔积水积煤状态,利用钻孔成像轨迹仪现场观测水力造穴钻孔内含水特征,在此基础上跟踪测定不同钻孔倾角条件下的水力造穴施工钻孔抽采瓦斯参数。分析及观测结果表明,钻孔造穴处具有明显的积水积煤现象,其体积可达造穴空间的1/3以上;同时,钻孔倾角对水力造穴钻孔瓦斯抽采参数影响较大,呈现典型的“高流量、低浓度”现象;此外,受外侵水作用影响,抽采瓦斯浓度呈现“先增后减”的分布规律。研究结果可为煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择,提供科学的借鉴。

关键词：煤层钻孔水力造穴外侵水瓦斯抽采

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煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术研究

中国煤炭 2012年第8期38卷 105-108页

作者：李义敬杨磊胡胜勇周福宝周二元中国矿业大学安全工程学院江苏省徐州市221008 淮北矿业集团芦岭煤矿安徽省宿州市234000

确定了芦岭煤矿Ⅱ817工作面煤层预抽钻孔的合理封孔深度,揭示了煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔的作用原理,提出了煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术及工艺。研究表明,在突出煤层采取长距离压气带压注浆封孔技术,增加了封孔深度,采用... 详细信息

确定了芦岭煤矿Ⅱ817工作面煤层预抽钻孔的合理封孔深度,揭示了煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔的作用原理,提出了煤层钻孔长距离压气带压注浆封孔技术及工艺。研究表明,在突出煤层采取长距离压气带压注浆封孔技术,增加了封孔深度,采用注浆泵利用风力作用将封孔剂送入钻孔内密闭腔室,封孔剂膨胀时,其带压效应增加了封孔剂与孔壁的粘合度,并可渗入孔壁周围裂隙,阻隔外界空气的进入,显著减少孔内的漏风量。与原工艺相比,采用该技术后,瓦斯抽采浓度提高30%以上且维持高浓度时间较长,瓦斯抽采浓度衰减幅度小,显著提高了抽采效果。

关键词：煤层钻孔瓦斯抽采长距离封孔压气注浆带压效应