三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)研究.pdf

1、對于松軟、低透氣性煤層，特別是單一突出煤層，采用現(xiàn)有的瓦斯抽采技術(shù)難以實現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。采取煤層增透措施，是解決此難題的關(guān)鍵。煤體結(jié)構(gòu)改造是煤層增透的焦點(diǎn)，而以水射流和水力壓裂為代表的水力化技術(shù)，是煤體結(jié)構(gòu)改造的有效途徑。本文以水力化煤層增透技術(shù)為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬、實驗室實驗與井下試驗相結(jié)合的方法，對三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)進(jìn)行了較為深入系統(tǒng)的研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗及應(yīng)用，具有重要的理論和實際意義。全文取得了以下

2、主要研究成果：
　　采用理論計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了非均勻應(yīng)力場下穿層鉆孔擴(kuò)孔后煤層增透的力學(xué)機(jī)制。結(jié)果表明，隨著孔徑的增大，其圍巖塑性區(qū)的面積呈近似拋物線形快速增長，而圍巖塑性區(qū)的等效直徑與孔徑基本成線性關(guān)系，因而采用水射流擴(kuò)孔的方法能夠?qū)崿F(xiàn)煤層的卸壓、增透。
　　利用ANSYS研究了淹沒條件下旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的流場特性，經(jīng)優(yōu)選確定出現(xiàn)場擴(kuò)孔用噴嘴所配葉輪的導(dǎo)向角為45°。在實驗室的水射流試驗系統(tǒng)上測試了淹沒條件下

3、旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴的破巖、擴(kuò)孔能力。對非淹沒條件下三維旋轉(zhuǎn)水射流流場的模擬結(jié)果表明，通過噴頭帶動旋轉(zhuǎn)水射流噴嘴旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的三維旋轉(zhuǎn)水射流的速度，特別是切向速度，要高于不旋轉(zhuǎn)時，從而提高了水射流的破煤擴(kuò)孔能力?；谝陨涎芯?，提出了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔方法。
　　應(yīng)用彈性力學(xué)理論分析了地應(yīng)力場對穿層鉆孔水力壓裂的起裂壓力和裂縫擴(kuò)展方位角的控制作用。對水射流擴(kuò)孔后鉆孔周圍不同方向上水平主應(yīng)力分布的分析結(jié)果表明，擴(kuò)孔后再進(jìn)行水力壓裂，裂縫容易沿

4、最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展。從彈性力學(xué)和滲流力學(xué)的角度，研究了早期壓裂裂縫的誘導(dǎo)應(yīng)力對后期裂縫的發(fā)育所產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用。采用RFPA2D-Flow模擬了不同鉆孔布置和壓裂方式下裂縫的起裂、延伸與擴(kuò)展規(guī)律，驗證了控制鉆孔對裂縫的導(dǎo)控作用，證實了同步壓裂期間在先形成的裂縫對后發(fā)育裂縫的誘導(dǎo)作用下，后期裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展并最終形成了網(wǎng)狀裂縫結(jié)構(gòu)。揭示了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與水力壓裂聯(lián)作增透的機(jī)理。
　　提出了三維旋轉(zhuǎn)水射流擴(kuò)孔與水力壓裂聯(lián)作增透的技術(shù)方法