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煤岩强度定量化表征及压裂适应性研究

煤岩强度定量化表征及压裂适应性研究

作者：崔林鹏西南石油大学

学位级别：硕士

国内煤层气田历经多年的勘探开发,形成了一整套关于压裂增产的理论、方法和工艺,并在现场大规模推广应用,取得了一定的成效。但现场实践和理论研究都表明,当前的压裂技术对不同强度煤岩的适应性是不同的,对较硬煤岩压裂易形成高导流能... 详细信息

国内煤层气田历经多年的勘探开发,形成了一整套关于压裂增产的理论、方法和工艺,并在现场大规模推广应用,取得了一定的成效。但现场实践和理论研究都表明,当前的压裂技术对不同强度煤岩的适应性是不同的,对较硬煤岩压裂易形成高导流能力的裂缝,压后煤层气的产量相对较好;对较软煤岩压裂时,煤岩发生塑形形变,难以形成高导流能力的裂缝,压后煤层气的产量相对较差。所以如何准确的、定量的表征煤岩的这种软硬特性,并具体的、定量的区分当前压裂技术对不同煤岩强度的适应性,是国内外煤层气开发亟待解决的重要问题。本论文在优选表征煤岩强度的参数、准确评判煤层压后产能的基础上,研究如何定量化表征煤岩强度以及怎样定量界定当前压裂技术对不同强度煤岩的适应范围,通过两年的工作,获得了以下成果:(1)在广泛调研和深入分析可能表征煤岩强度的各种参数基础上,优选了泥质含量、水分含量、抗张强度和煤岩类型作为表征煤岩强度的参数,并探讨了这四个参数的计算方法,奠定了煤岩强度定量化表征的基础。(2)针对煤层气排采规律及生产特点,尝试了刻画煤层气压后产能的多种指标,经深入分析并与现场专家反复探讨,确定了用稳定产气量与井底流压的乘积来刻画煤层气压后产能的方法。(3)引入模糊综合评判方法,以煤层气压后产能为评语集,以泥质含量、水分含量、抗张强度和煤岩类型为因素集,通过模糊层次分析法确定权重集,最终确定了综合评判向量。应用情况表明:评判符合率高,基本满足工程实际。(4)基于综合评判向量,首次提出了定量化表征煤岩强度的指标,该指标与煤层的压后产能密切相关,既能表征煤岩的强度又能在一定程度反映煤层压后产能的高低,且计算方便简单。(5)利用提出的煤岩强度指标,开展了大量现场应用及验证工作,首次探讨了针对不同强度煤层的压裂适应性,基本明确了现有压裂技术对不同强度煤层适应情况和适用范围,对于煤层气开发利用及增产改造具有很强的指导意义。

关键词：水力压裂煤岩强度适应性研究产能评判

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瓦斯对冲击煤岩强度影响的数值模拟研究

煤炭技术 2015年第9期34卷 168-170页

作者：孙彪赵文豪乔文明安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

针对高瓦斯冲击矿井生产过程中瓦斯与冲击地压的相互影响,通过RFPA2D瓦斯版数值模拟软件对不同孔隙瓦斯压力煤岩破裂的数值模拟,得出结论:瓦斯压力对煤岩强度具有一定的影响,随着试样吸附瓦斯压力的逐渐增高煤岩试样的起裂时间缩短,煤... 详细信息

针对高瓦斯冲击矿井生产过程中瓦斯与冲击地压的相互影响,通过RFPA2D瓦斯版数值模拟软件对不同孔隙瓦斯压力煤岩破裂的数值模拟,得出结论:瓦斯压力对煤岩强度具有一定的影响,随着试样吸附瓦斯压力的逐渐增高煤岩试样的起裂时间缩短,煤岩裂隙长度增大,数目增多。

关键词：瓦斯冲击地压煤岩强度数值模拟

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杨庄煤矿煤岩波速特征及与其强度的关系研究

煤炭科学技术 2006年第6期34卷 57-60页

作者：闫立宏安徽理工大学数理系安徽淮南232001

系统地测试了淮北煤田杨庄煤矿5,6煤层煤样的纵波速度、抗压强度、抗拉强度和变形参数,得出了煤波速的差异性及各向异性特征,分析了煤体结构是煤波速差异性的重要原因;对煤样波速与其力学指标进行了对比研究,得出了拟合公式,表明两者之... 详细信息

系统地测试了淮北煤田杨庄煤矿5,6煤层煤样的纵波速度、抗压强度、抗拉强度和变形参数,得出了煤波速的差异性及各向异性特征,分析了煤体结构是煤波速差异性的重要原因;对煤样波速与其力学指标进行了对比研究,得出了拟合公式,表明两者之间有很好的相关关系,为煤岩强度的确定提供了一种新的方法。

关键词：煤岩波速煤体结构煤岩强度

酸化压裂煤体Weibull统计损伤本构关系的改进

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煤炭学报 2024年

作者：张天军宋宪峰庞明坤伍珊潘红宇陈宏娇西安科技大学安全科学与工程学院

酸化压裂技术是提高低透煤层透气性有效途径之一。酸液的腐蚀和劈裂作用是煤体软化和致裂的关键，为探究煤体在酸液侵蚀作用下的破坏机理，采用矿用酸基CO2泡沫压裂液（配方为NA:K-12=6:4，起泡剂浓度为0.6%，稠化剂浓度为0.6%）进行了... 详细信息

酸化压裂技术是提高低透煤层透气性有效途径之一。酸液的腐蚀和劈裂作用是煤体软化和致裂的关键，为探究煤体在酸液侵蚀作用下的破坏机理，采用矿用酸基CO2泡沫压裂液（配方为NA:K-12=6:4，起泡剂浓度为0.6%，稠化剂浓度为0.6%）进行了原煤试样的压裂液侵蚀试验，获取峰值应力、弹性模量、破坏形态和裂隙发育特征等参数，分析煤体酸化腐蚀过程，并构建了酸化压裂煤体的统计损伤本构模型。结果表明：1)增加压裂酸液侵蚀时间，煤体的玻璃介质性质会导致其物理结构重组，使得聚合物体系的自由体积增加，提高了煤岩的可压缩性和脆性。2)随着压裂液侵蚀时间增加，会加剧煤体孔隙裂隙内部矿物质的化学反应程度，导致煤体表面矿物质结晶析出量的增多，煤体的单轴抗压强度和弹性模量下降幅度增大，表明此配方下的侵蚀煤岩孔隙、裂隙内部连通性较好，煤岩致裂效果受侵蚀时间的影响更为显著，煤体脆性损伤表现明显。3)采用煤体强度Weibull分布规律，构建了饱和碳酸侵蚀煤体脆性强度的统计损伤本构关系，并通过对该模型关键参量E、m、F进行准确性验证，表明所建本构关系可准确表征低透煤层在酸化压裂作用下的受力-变形基本规律。以上研究结果对酸化压裂煤体致裂半径的确定提供理论计算依据，对压裂钻孔布置起重要指导作用。

关键词：损伤机制本构关系煤岩强度弹性模量 Weibull分布

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低温气体辅助煤层气压裂中的冷冲击机理

地球科学（中国地质大学学报） 2016年第4期41卷 664-674页

作者：张亮罗炯崔国栋范志坤任韶然张建光杨勇车航中国石油大学石油工程学院山东青岛266580 中石油华北油田分公司河北任丘062550

液N_2等气体辅助煤层气压裂的常规机理已较为清楚,但其低温特征对煤层物性的影响以及对压裂效果的改善机理尚未引起重视,缺乏理论认识.归纳总结了低温气体对煤岩的冷冲击作用机制,评价了地层水的结冰条件和低温气体的热物性,通过室内实... 详细信息

液N_2等气体辅助煤层气压裂的常规机理已较为清楚,但其低温特征对煤层物性的影响以及对压裂效果的改善机理尚未引起重视,缺乏理论认识.归纳总结了低温气体对煤岩的冷冲击作用机制,评价了地层水的结冰条件和低温气体的热物性,通过室内实验和数值模拟等手段验证和预测了液N_2对煤岩及近井煤层的冷冲击效果,并进行了冷冲击机理应用潜力分析.研究结果表明,煤层气压裂过程中注入N_2等低温气体对煤层进行冷冲击,可引起煤岩基质收缩和地层水结冰膨胀,使煤岩产生大量微裂缝和力学强度降低(10%~30%),有利于实现冰晶暂堵和改善煤层气压裂效果.以沁水盆地樊庄区块3#煤层为例,当液N_2注入总量为30~120m^3时,可在近井周围3~5m内形成低温区(煤层孔隙度将平均增大约1.5倍,渗透率增大4倍,还可造成煤岩的拉伸和挤压破坏.利用低温气体的冷冲击机理及其产生的冰晶暂堵可以作为改进煤层气和页岩气压裂工艺的新方向.

关键词：煤层气液N2 CO2水合物冷冲击微裂缝煤岩强度煤矿

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煤岩单轴与三轴压缩试验研究

煤矿安全 2013年第7期44卷 4-6页

作者：刘刚李明西安科技大学力学系陕西西安710054

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时... 详细信息

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时,煤岩的变形增加并沿某一斜面产生剪切破坏,变形表现出塑性材料的特征;煤样弹性模量相对单轴压缩时提高,离散性降低;三轴强度大于单轴强度,而且三轴强度和残余强度随围压的增加而增大。

关键词：压缩试验应力-应变特性煤岩强度变形特征

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寿阳区块15#煤层井壁失稳室内实验研究

油气藏评价与开发 2016年第2期6卷 74-78页

作者：任维娜金鑫罗真赋史童玢徐文龙刘志伟中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300457 中国石油天然气管道局天津设计院天津300457

针对目前煤层气水平井钻井过程中面临水平段井壁失稳的问题,采用扫描电子显微镜和室内煤样实验方法,以山西寿阳区块15#煤层为研究对象,开展了煤岩全岩矿物、黏土矿物组成、煤岩微观结构、煤岩化学特性及力学特性等研究,得出了导致水平... 详细信息

针对目前煤层气水平井钻井过程中面临水平段井壁失稳的问题,采用扫描电子显微镜和室内煤样实验方法,以山西寿阳区块15#煤层为研究对象,开展了煤岩全岩矿物、黏土矿物组成、煤岩微观结构、煤岩化学特性及力学特性等研究,得出了导致水平段井壁失稳坍塌的主要原因是钻井液对煤岩强度的破坏,并指出提高煤层井壁稳定性的措施主要集中在提高钻井液的抑制性与封堵性。

关键词：寿阳区块 15#煤层煤岩强度井壁失稳

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中煤的煤岩力学特性及其对破碎的影响

中煤的煤岩力学特性及其对破碎的影响

作者：杨景超中国矿业大学

学位级别：硕士

我国稀缺炼焦煤资源相对较少,为了回收稀缺炼焦煤资源,一次分选后炼焦中煤的二次开发利用便成为目前研究的重点。中煤资源的二次开发利用首要问题是中煤连生体的煤岩解离,而煤岩力学特性是实现煤岩解离的基础。因此论文以山西焦煤集团... 详细信息

我国稀缺炼焦煤资源相对较少,为了回收稀缺炼焦煤资源,一次分选后炼焦中煤的二次开发利用便成为目前研究的重点。中煤资源的二次开发利用首要问题是中煤连生体的煤岩解离,而煤岩力学特性是实现煤岩解离的基础。因此论文以山西焦煤集团马兰矿选煤厂三产品重介旋流器分选后的中煤作为试验对象,开展中煤的煤岩力学特性试验研究,同时对其影响因素及对其破碎的影响进行探索试验,通过两种破碎设备的对比试验,观察破碎解离效果。对选取的中煤进行了性质分析。粒度分析结果表明,原料中煤中各粒级的产率相差不大;密度分析结果表明,直接进行分选精煤产率很低,难以获得高产率的合格精煤;XRF和XRD分析结果表明,中煤中的杂质矿物元素以Si、Al、S、Ti、Fe居多,杂质元素主要以高岭土、绿泥石、石英等粘土类矿物的形式存在,Fe、S等以黄铁矿的形式存在。从标准煤岩抗压强度和不规则煤岩点载荷强度两个方面对煤岩的强度进行了试验研究,同时考虑灰分、粒度及含水状态等因素对煤岩强度的影响,得出了各因素与煤岩强度之间的关系。随着煤岩灰分的增高,煤岩强度逐渐升高。随着煤岩尺寸的下降,煤岩强度逐渐增加。煤岩强度与浸水时间呈负相关关系,煤样达到水饱和状态,煤岩强度逐渐趋于稳定。同时结合SEM扫描电镜,了解不同密度条件下煤炭的端口形貌、裂隙的发育情况及杂质矿物的赋存状态,为中煤的破碎解离提供一定的基础理论支撑。探讨了煤岩破碎与煤样的密度、粒度、外力的大小、含水状态的关系。分别通过挤压和冲击破碎两种破碎方式进行破碎试验,然后进行筛分、浮沉试验,得出了各因素与煤样破碎之间的关系。随着密度的减小,煤炭破碎效果增强,密度在1.4-1.5g/cm3之间的煤样破碎效果最佳;粒度越大,破碎效果愈佳;压力或冲击力对煤炭的破碎及解离影响基本一致,随着压力或冲击力的增加,破碎效果和解离效果增强,直至趋于稳定;水饱和状态下煤样的破碎效果优于未浸水煤样,但由于泥化现象的存在,水饱和状态下煤样破碎后-0.5mm产物的灰分高于未浸水煤样破碎后-0.5mm产物灰分。对锤式破碎机与颚式破碎机的破碎效果进行了对比。通过对两种设备产品的粒度及密度分析发现,锤式破碎机的破碎解离效果优于颚式破碎机,但是锤破的过粉碎现象严重;通过两组破碎上限的对比试验得知,受矸石嵌布粒度的影响,破碎上限3mm与1mm的解离效果基本没有差别。

关键词：中煤煤岩强度破碎微观形貌

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高压气液两相射流冲蚀破煤岩性能研究

高压气液两相射流冲蚀破煤岩性能研究

作者：胡欣然中国矿业大学

学位级别：硕士

传统射流在割缝时系统压力高、设备能耗大,并存在一定危险性,高压气液两相流作为一种新型高效射流,可以很好的解决传统射流割缝中存在的问题。高压气液两相流破岩效率要远高于纯水射流,但是射流平台加气单元存在结构问题,导致两相流加... 详细信息

传统射流在割缝时系统压力高、设备能耗大,并存在一定危险性,高压气液两相流作为一种新型高效射流,可以很好的解决传统射流割缝中存在的问题。高压气液两相流破岩效率要远高于纯水射流,但是射流平台加气单元存在结构问题,导致两相流加气效果差,影响射流的破岩效果。本文采用理论分析、数值模拟以及实验室实验等研究手段,对射流平台加气单元参数进行优化,在此基础上改进完善射流平台,研究了两相流加气效果及复杂工况下破岩规律。主要的研究成果和结论如下:(1)对射流平台气液混合器结构进行模拟,发现混合器喷嘴距增加与内喷嘴减小,都会增大进气量,影响两相流速度分布和混合效果,但是进气量过大会导致紊流的产生,增加能量损失。结果表明,混合器内喷嘴直径为14mm,喷嘴距为0mm时,混合器内部的加气效果与速度场发育最好。(2)通过可视化实验,发现改进混合器装入实验系统后,其管内流态比原始设备要稳定,属于气泡流,而且其射流状态也更稳定。由于C2混合器的实际进气效果较好,射流状态较稳定,所以选择其作为两级加气的基本单元。(3)两级混合器引射加气能力比单级引射大幅提升,管内两相流混合效果好,射流状态也更稳定,其冲孔破岩效果也要优于单级引射。要使两相流有一个较为良好的破岩效果,实验平台的含气率预设值不宜高于40%。(4)靶距和射流压力会共同决定射流冲击状态,需要综合分析其对射流破岩的影响。射流压力15MPa时,冲孔孔深最大且受靶距的影响小,适合进行冲孔作业;在10MPa水压30cm靶距时其冲孔体积最大,适合进行扩孔作业。(5)随着煤岩强度的增加,高压气液两相流破岩效果呈指数级降低。高强度煤岩会导致液相冲击产生的微裂缝变少,气相的小气泡溃灭扩展微裂隙的能力也减弱,以至于裂纹难以扩展。煤岩强度为射流压力的1.5和1.2倍时,冲孔孔深和冲孔体积分别达到很好的冲蚀状态。(6)射流冲击会产生应力波和径向射流,径向分量使靶体产生微裂隙,并在气泡的气蚀作用下逐渐扩大成宏观损伤,产生贯通裂缝。当试块处在围压中时,静压载荷能够抵消射流的径向分量,阻止裂隙的产生。而当静压载荷在不同方向存在差异时,射流的径向分量会在载荷较低的方向产生拉伸作用致裂试样。论文研究成果对完善气液两相射流平台,了解两相流破岩规律及致裂机理,改进现有水力割缝技术,提高割缝破岩效果具有重要的指导意义。

关键词：气液两相射流引射器可视化破煤岩煤岩强度围压