基于含瓦斯煤体结构与物性改变的水力压裂增透机理研究

Mechanism research of improving permeability by hydraulic fracture for gas-filled coal mass is a major scientific problem in gas extraction and disaster prevention field. The permeability mechanism by hydraulic fracture for gas-filled coal mass will be as the research topic, to system-depth study the coal hydraulic fracturing crack extension and the law of gas flow impacted by coal structure, strength, stress environment and filter loss performance, and the permeability mechanism of gas-filled coal by laboratory test and theory with the elasto-plastic mechanics, fracture mechanics, damage mechanics, thermodynamics and fluid mechanics. The specific research contents are summarized as following: (1) The experiment of hydraulic fracturing will be done by hydraulic fracturing and seepage device of large-scale gas-filled coal mass to study of gas-filled coal mass physical properties and crack extension main controlling factors; （2）Field trials, laboratory experiments, numerical experiments and theoretical analysis of a variety of research tools to study the the soft coal gas occurrence and percolation characteristics after fracturing；(3) Considering the coupling effect of the coal stress, gas adsorption-desorption and the fracturing fluid flow, three-phase coupling model after fracturing of gas-filled coal mass will be built, and combined with the fracturing effect of field test ,the coupling model is validated and improved, and the mechanism of hydraulic fracture to enhance permeability of gas-filled coal based on changing the structure and Physical Properties is revealed.

含瓦斯煤体水力压裂增透机理研究是低透气性煤层瓦斯抽采及灾害防治领域的重大科学问题。项目以含瓦斯煤体水力压裂增透机理为研究主题，系统深入的分析含瓦斯煤体结构、强度、应力环境、滤失性等对压裂裂缝扩展的影响规律及压裂后煤体瓦斯流动规律，利用弹塑性力学、断裂力学、热力学、损伤力学与流体力学等理论与实验室实验相结合的方法，系统研究含瓦斯煤体的水力压裂增透机制。研究内容包括：（1）利用已有的含瓦斯煤水力压裂实验平台进行压裂实验，研究含瓦斯煤体的物理特性变化规律与裂缝扩展主控因素；（2）利用现场试验、实验室实验、数值实验及理论分析等多种科研手段，研究不同强度煤体压裂后瓦斯赋存及渗流特征；（3）综合考虑煤体应力、瓦斯吸附解吸及压裂液流动之间的耦合效应，构建压裂后含瓦斯煤体三相耦合渗流模型，并结合现场压裂试验效果考察，对模型验证完善，揭示出含瓦斯煤体水力压裂后物性改变及煤体结构改变增透机理。

含瓦斯煤体水力压裂增透机理研究是低透气性煤层瓦斯抽采及灾害防治领域的重大科学问题，以含瓦斯煤体水力压裂增透机理为研究主题，系统深入的分析了含瓦斯煤体结构、强度、应力环境、滤失性等对压裂裂缝扩展规律及压裂后煤体瓦斯流动规律的影响，利用弹塑性力学等理论与实验室实验相结合的方法，系统研究了含瓦斯煤体的水力压裂增透机制。研究主要成果如下：.（1）利用岩石试验机对试验煤样的物理力学参数进行了测试与分析，得到了含水率对不同硬度煤层物理力学参数的影响规律，随着煤体含水率增加，其抵抗变形、拉伸破坏及压缩破坏的能力所有减弱，抵抗剪切破坏的能力有所增大，为建立松软煤层水力压裂数学模型奠定基础具有重要意义。.（2）通过不同强度煤体单轴压缩过程中的声发射试验获得了含瓦斯煤体的变形机制及裂缝扩展特征，即随着煤体强度的降低，在外部载荷作用下呈现多峰值变形和多裂缝扩展形态，峰后应变软化效应和韧性破裂特征明显。.（3）利用三轴渗透系统进行了不同条件下煤岩渗透率测定实验，得出瓦斯含量(压力)越大，煤渗透率越小；随着温度的升高，煤岩渗透率有增高的趋势。.（4）通过含瓦斯煤体在不同瓦斯压力及不同含水率条件下的置换解吸试验，证实了置换效应的存在，即煤对水的吸附性比瓦斯的吸附性强，侵水一定时间后，煤体对水和甲烷的吸附达到新的平衡，置换量不随时间延长而增大。.（5）通过对煤体的多孔隙—裂隙结构进行分析，得到一个多孔隙—裂隙连续的固、液、气三相耦合模型，确定了含瓦斯煤体固、液、气相互作用中的变形、破裂及耦合作用关系。.研究表明，水力压裂对于松软低透煤层具有显著增透作用，数值模拟计算方法对于研究松软煤层水力压裂起裂和扩展规律具有较好的适应性，通过理论分析建立的水力压裂数学模型对于现场水力压裂工作具有较好的适应性和指导性，初步形成了一套松软低透煤层水力压裂增透工艺技术，对于指导松软低透煤层安全开采及煤层气高效开发具有理论和现实意义。