岩体水力定向压裂技术研究

水力压裂是高效破岩技术之一,在煤岩层增透、卸压控制等方向应用较多。但是,目前就煤岩体定向压裂控制方向的研究相对较少。为突破常规煤岩体压裂限制,本文研究水力破岩压裂技术的可控性及适用性。为分析水力压裂的定向控制性,开展了理论和数值分析。结果表明,在λ1时,起裂、扩展压力随λ增加而增加,在λ1时起裂压力、扩展压力随λ增加而减小,主裂纹沿最大主应力方向扩展;在近似等围压条件下,定向控制裂纹可以引导和控制破岩主裂纹的扩展,且定向控制裂纹与最大主应力的方位角越小,定向控制裂纹对主裂纹引导作用越明显。基于理论和数值分析结果,可知水力定向压裂技术具有较好的应用价值。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

应力旋转条件下水力压裂裂纹扩展规律研究

为探究地应力旋转对水力压裂钻孔裂纹扩展的影响,理论分析了不同应力轨迹下起裂角度的变化规律,采用相似模拟实验对不同应力角度下的起裂应力进行了分析,并运用数值模拟方法探究了应力旋转条件下的裂纹扩展规律。结果表明：随着应力轨迹的旋转,起裂角逐渐向煤层的走向方位偏转。水力钻孔与水平主应力的角度越大时,起裂压力会明显增加,同时裂纹扩展呈现“平台”特征,不利于水力裂纹的快速扩展。当应力无旋转时,水力裂纹沿最小主应力方向扩展。应力发生旋转,当应力差较小时,裂纹在尖端会发生破裂;当应力差较大时,初始水力裂纹的扩展被抑制,新衍生的水力裂纹会沿最小主应力方向扩展。     

基于真三轴物理模拟实验的裂缝扩展规律研究

为了研究不同起裂方式下水力裂缝三维扩展特征,采用真三轴水力压裂物理模拟试验机,开展定向压裂与钻孔压裂试验,结果表明：定向压裂裂纹从预制裂纹尖端起裂,向中间主应力方向转向,裂纹呈双翼弯曲形态,其整体仍平行于最大主应力方向。钻孔压裂裂纹在钻孔轴向对称位置起裂,呈椭圆形自相似扩展特征,裂纹倾向垂直于最小主应力。裂纹最终扩展方位不受起裂方式主导,而是由地应力场决定。水力压裂过程呈现憋压起裂和稳压扩展两个典型阶段。憋压起裂阶段,泵压急剧上升达到破裂压力后又迅速跌落,声发射能量骤增且波动剧烈。稳压扩展阶段,泵压曲线呈锯齿状波动发展并趋于平稳, 声发射能量水平相对较低。研究结论可为煤矿坚硬顶板压裂施工提供参考。     

地应力及原生裂隙对水力压裂起裂方向和起裂压力的影响

在理论计算水力压裂起裂压力和起裂方向的基础上,利用应力-渗流耦合数值模拟方法,研究了地应力和原生裂隙对水力压裂过程中裂纹起裂和扩展的影响,得出了起裂压力和扩展压力随侧压系数的变化趋势;对比分析了不含预制裂纹和含预制裂纹压裂模型的起裂压力和方向;探讨了含裂纹模型起裂转向的临界应力条件;最后,通过应力分析阐述了地应力和原生裂隙对水力压裂起裂的影响机理。     

低渗透煤岩体水力压裂的数值模拟

建立了模拟低渗透煤岩体水力压裂裂纹扩展以及固液耦合作用的数学模型，并推导了该模型的数值解法，通过潞安矿务局王庄煤矿低渗透性３号煤层注水的实例分析，结果表明：水力压裂过程中，裂缝的宽度不随水压升高的而无限增大，所需的扩缝压力随裂缝增长而降低，这对于提高低渗透性煤岩体水力压裂的效果有重要的指导意义。     

定向水力压裂技术在晋城矿区坚硬顶板中的应用

针对晋城矿区15#煤顶板致密坚硬、强度高,不能随工作面回采及时垮落的问题,以15#煤坚硬K2石灰岩顶板为研究对象,运用定向水力压裂技术致裂顶板,通过理论分析、数值模拟与现场实践,结果表明:水力压裂裂纹扩展方向趋向于垂直最小主应力方向;定向水力压裂后,工作面顶板初次垮落步距与周期来压步距有所减小,且来压强度低,与爆破法相比,有明显改善;工作面巷道两帮移近量与顶底板移近量控制在安全使用范围之内,与爆破法相比,变形量有较大幅度减小;工作面上隅角顶板悬顶面积大大减小,解决了瓦斯积聚带来的安全隐患。     

不同扩孔半径下的钻孔水力压裂数值模拟研究

利用RFPA数值模拟软件构建了钻孔水力压裂数值物理模型,分析了应力平衡状态对钻孔水力压裂的影响,研究了不同扩孔半径下的钻孔水压裂纹的发展演化规律。研究得出:破煤压力在钻孔开挖完待应力平衡后加载水压明显降低;随着钻孔扩孔半径的增加,破煤压力、分支裂纹初现水压、最终水压及平均范围角都将降低,水压主裂纹的长度将增加。研究为煤矿井下现场实施水力压裂技术提供了一定的理论支撑。     

低渗透岩石水力压力裂纹扩展的CT扫描

针对深部低渗透储集层水力压裂裂缝扩展问题,利用现场采集的深部低渗透岩芯样本开展了水力压裂模型试验,利用CT扫描技术和自行开发的三维重构算法,提取并分析了三轴应力和水压力作用下,低渗透岩石水力压裂裂纹的扩展与空间展布规律,探讨了不同岩性、地层应力对裂纹扩展与空间形态的影响。研究表明：岩性、水平应力比对裂纹起裂压力以及裂纹形态有显著的影响。起裂压力均比围压应力大;在最小水平应力相近的情况下,初始应力比越大,裂纹扩展越明显,起裂压力越小;岩石破裂时出现了一条与最大水平应力平行的主裂纹,伴随着明显的中断、扭曲和分叉现象。     

煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框架

煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题,水力致裂是实现煤岩体结构改造的有效途径.深入分析了煤岩体的结构与物理力学特性,煤岩体水力致裂的水压裂缝扩展及物理化学作用,在此基础上,提出了相应的水力致裂控制技术,并将其在煤矿中的应用进行了分析介绍.煤层的内部结构由裂缝-割理与层理-微裂隙-孔隙四级空间结构体系组成.煤层质软、瓦斯的吸附解吸效应、天然裂缝发育等因素导致煤岩体水力致裂变得复杂.煤岩体水力致裂通过水压主裂缝扩展、翼型分支裂纹扩展和吸水湿润作用,达到结构改造、强度弱化和增透等工程需要,针对不同工程3种作用的侧重点有所不同.提出了预先水力割缝定向致裂技术.提出了水力爆破致裂弱化与增透方法,在水压控制爆破后进行水力致裂,实验证明是一种增加水压裂缝数目和范围的有效方法.煤岩体水力致裂在煤矿中可以应用于坚硬顶板控制、坚硬顶煤的弱化、应力定向转移、局部集中应力解除、强度弱化减冲、含瓦斯煤层增透、煤与瓦斯突出的防治等,在实践中已取得显著功效.     

The experimental of methane-air flame propagation in the tube with quadrate cross section

The flame propagation of methane-air mixture with various methane concentrations was experimentally investigated at venting flame acceleration tube with quadrate cross section under different obstacles presented. The flame shape and propagation speed was observed by high-speed color video camera. The explosion pressure was determined by piezoelectricity pressure transducers. The results are： The flame propagates in the shape of a hemisphere before the flame reaches the first baffle and flame propagation speed is not more than 15 m/s. When the flame propagates across the baffle, the flame begins to accelerate due to turbulence induced by obstacle. Blockage ratio has relatively greater effect on the flame propagation speed than repeated baffle number does. The flame propagation speed and the pressure at different location along the tube are maximum when methane-air mixture is near the chemical stoichoimetric ratio. The pressure increases with the distance from ignition end at first and the maximum pressure was obtained at the middle of tube, but the pressure decreases and again increases at venting end.     

高速摄像在火焰传播研究中的应用

详述了高速摄像光电成像系统的组成和原理，并结合具体实验对其在火焰传播研究中的应用进行了说明，认为从高速摄像图像中可以得到火焰传播的瞬时速度和传播过程中火焰面的运动状况，这些数据私分有用。此外还提示了合理使用高速摄像时需要注意的问题。     

低渗油藏渗流特征及开发对策研究（增刊）

注入压力高、吸水能力下降快是低渗油藏注水开发面临的难题。通过分析深层低渗油藏压敏、水敏、油水粘度比、相渗等因素对渗流特征的影响,获得油藏开发过程中储层物性及流体渗流变化规律;利用油藏工程原理及数值模拟技术,研究了裂缝方位、注入量、渗透率及注水时机对裂缝扩张注水效果的影响,证明裂缝扩展注水技术能够大幅度提高低渗油藏采出程度。研究成果对 改善低渗油藏注水开发效果具有重要指导意义。     

真三轴冲击试验中加载杆变截面段应力波的传播特性分析

利用有限元软件LS-DYNA模拟了应力波在真三轴动静组合加载试验系统“圆-方”变截面段中的传播过程,分析了不同形式和不同等级脉冲作用下杆中应力波的传播特性和衰减规律。结果表明:应力波经过变截面段后发生衰减,其中半正弦波能很好地保持波形,而梯形波会发生振荡,变截面段能吸收其中的高频振荡部分;若为细长杆,对于不同脉冲波形及不同横截面形式,均可忽略杆的横向惯性效应以及波的弥散效应,若杆横截面显著变化,横向惯性效应不可忽视,横截面上的应力分布会不均匀,波形弥散也会加重,并且随着脉冲增强,变截面段的横截面应力分布均匀性变差;应力波经变截面段后的衰减约为6.55%,圆杆段和方杆段中应力波峰值随脉冲等级增加而呈线性增长,应力波上升沿时间随传播距离和脉冲等级增加而逐渐增大。     

基于HHT频谱分析研究断层对爆破地震波传播的影响

为了研究断层对爆破地震波传播规律的影响,选用位于385中段450水平断层FⅢ-0附近的24线和26线布置测点。利用Matlab软件对测振仪测得的爆破振动信号分析。使用经验模态EMD先分解出高频段再过度到低频段,直到最后一个分量。运用利用HHT变换得到时间-频率-能量的三维谱、能量分布图、边际谱及瞬时能量图。通过对穿过断层前后的爆破振动信号进行对比分析得到,爆破地震波在穿过断层后能量幅值降低,但是低频部分能量增加;边际谱频带变宽、能量分散、低频作用更加明显;瞬时能量谱峰值减小10倍左右,振动持续时间增加,表明低频作用更强。     

基于射线追踪法的电波特性研究

根据几何光学和统一绕射理论城市微蜂窝通信中的信号传播模型,使用射线跟踪技术,考虑了跟踪过程中射线在墙面和地面的反射及射线在建筑物拐角处的绕射。对某小区的电波传播特性进行计算,分析不同区域的路径损耗。     

障碍物与煤尘对气体火焰传播过程影响的实验研究

本文对障碍物和煤尘对瓦斯燃烧过程中火焰速度的影响进行了实验研究。结果表明,障碍物和煤尘对管内火焰有明显的加速作用,在有障碍物和煤尘存在时,气体火焰沿管道传播的特征与管道封闭状态有关,从封闭端传向开口端的火焰速度比开口端传向封闭端的火焰速度大得多。障碍物的特征尺寸越大,火焰加速效果越显著。     

误差传播定律在煤矿开采方量计算中的应用

煤矿开采中的方量计算,目的在于计算煤炭产量,为煤矿的生产经营提供依据。通过误差传播定律对方量计算进行分析,寻找满足精度要求的测绘方法,保证矿业生产者与国家各方面的经济利益。     

CT IDENTIFICATION OF THE MECHANIC CHARACTERISTICS OF DAMAGE PROPAGATION OF ROCK

The computerized tomography technique is applied to study the damage propagation of rock for the first time in this paper. CT values and their distribution regularity of damage propagation of rock are analyzed in detail. The relation between CT values and stresses (strains) of the damage propagation of rock is then discussed. This provides the foundation for establishing the constitutive relation of damage propagation of rock.     

巷道传播特性及电磁波定位方法的适用性分析

通过分析电磁波在煤矿井下巷道的传播特性,对电磁波定位的3种基本方法在井下的适用性进行了分析,初步得到了TOA方法实现定位是可行的结论,并且通过在空直巷道以及有障碍巷道中分别进行测试,测试结果进一步表明,用TOA方法实现井下的定位是可行性的。