1、水力壓裂工藝作為一種重要的增透技術(shù),已經(jīng)在地面煤層氣的開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。將地面水力壓裂技術(shù)移植到井下,可以增大抽采鉆孔間距、提高瓦斯抽采濃度,達(dá)到安全、高效開(kāi)采煤炭的目的。地面水力壓裂設(shè)備、施工場(chǎng)地等與井下壓裂設(shè)備、施工場(chǎng)地等的差異性,決定了照搬地面煤層氣井壓裂工藝進(jìn)行井下水力壓裂的局限性和盲目性。因此,針對(duì)井下煤層特點(diǎn)和施工場(chǎng)地等條件的獨(dú)特性,研究出與之相匹配的井下鉆孔水力壓裂參數(shù)優(yōu)化方法是亟待解決的難題。
　　本文根據(jù)地

2、質(zhì)強(qiáng)度因子(GSI)及煤體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析得出基于GSI的煤體結(jié)構(gòu)定量表征方法;用此方法,結(jié)合寺家莊礦地質(zhì)演化史,對(duì)15號(hào)煤層的煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量劃分;對(duì)不同GSI煤體所適用的壓裂工藝進(jìn)行了分類,GSI>45適用于本煤層順層鉆孔和穿層壓裂,局部GSI<45的煤體適用于虛擬儲(chǔ)層鉆孔壓裂。采用理論分析與實(shí)驗(yàn)室研究的方法,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn),對(duì)壓裂鉆孔的主要參數(shù)(間距、傾角和方位)進(jìn)行了優(yōu)化,指出壓裂孔最佳間距為裂縫半長(zhǎng)的2倍,最佳傾角為仰角,鉆

3、孔方位要盡量與最大主應(yīng)力和原始裂隙方位相垂直。從壓裂鉆孔成孔規(guī)則度、封孔工藝復(fù)雜程度和封孔的經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)比分析了水泥砂漿封孔工藝和封隔器封孔工藝的優(yōu)缺點(diǎn),指出本煤層順層鉆孔宜采用特種水泥砂漿封孔,穿層鉆孔和虛擬儲(chǔ)層鉆孔宜采用封隔器封孔。采用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,分別研究了掘進(jìn)頭和巷道兩幫的本煤層順層鉆孔最佳封孔深度,指出掘進(jìn)頭最佳封孔深度為10-15 m,兩幫最佳封孔深度為14-20 m。以Hoek-Brown破裂準(zhǔn)則為基礎(chǔ),結(jié)

4、合GSI建立了煤體抗拉強(qiáng)度、破裂壓力、延伸壓力及泵注壓力的計(jì)算模型。采用對(duì)比分析的方法對(duì)三種常用壓裂液(活性水、線性膠和凍膠)的濾失性、儲(chǔ)層傷害情況和攜砂能力等性能進(jìn)行了研究,優(yōu)化出活性水是當(dāng)前寺家莊礦水力壓裂用的最佳壓裂液。對(duì)KGD模型進(jìn)行了修改,建立了適用于煤層井下鉆孔水力壓裂的裂縫計(jì)算幾何模型,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出適用于寺家莊礦不同 GSI煤體壓裂時(shí)的排量與總注液量等泵注程序。
　　基于優(yōu)化出的模型和工藝,在15201回風(fēng)順槽進(jìn)