CN114737925B - 一种水压致裂煤岩体瓦斯渗流模拟装置及抽采量预测方法 - Google Patents
一种水压致裂煤岩体瓦斯渗流模拟装置及抽采量预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种水压致裂煤岩体瓦斯渗流模拟装置及抽采量预测方法，根据水压致裂扰动煤岩体的裂隙分布特征，将其沿径向分为强扰动区、弱扰动区和未扰动区，分别对应贯穿裂隙煤岩样、微裂隙煤岩样、完整煤岩样，通过数值模拟确定不同分区的水平应力和垂直应力、不同分区的区域范围半径及裂隙发育程度数据；根据瓦斯压力设计瓦斯气瓶的瓦斯压力；通过串联煤岩样腔体实现精确的符合实际工况的瓦斯渗流模拟试验，获得煤岩层在不同水力压裂条件下的瓦斯抽采量，对指导实际工程具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿水压压裂瓦斯抽采领域，具体为一种水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置及瓦斯抽采量预测方法。
背景技术
煤矿瓦斯是植物在成煤过程中生成的大量气体，又称煤层气，保存在煤层或岩层的孔隙和裂隙内；瓦斯在压力作用下，可大量迅速的从裂隙内喷出，造成瓦斯喷出或瓦斯突出危险，同时瓦斯是易燃易爆气体，当瓦斯浓度达到一定范围易产生瓦斯***事故，威胁矿井安全；因此，在煤矿开采之前，通过会对瓦斯进行预先抽采，为了提高抽采量，通常会预先对煤层进行水力压裂，但是现有技术对于水力压裂后瓦斯抽采量的预计准确度不足，没有考虑水力压裂对不同区域扰动程度不同而对瓦斯抽采量产生的影响。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置，主要包括瓦斯气瓶、压力表、煤岩样用腔体、压力计、流量计、围压泵、轴压泵、气压泵、阀门和数据记录设备；
所述瓦斯气瓶通过管路与第一腔体的进气口连接，该段管路上依次设置有第一阀门、压力表、第二阀门、第一压力计；第一腔体的出气口通过管路连接第二腔体的进气口，该段管路上依次设置有第三阀门和第二压力计；第二腔体的出气口通过管路连接第三腔体的进气口，该段管路上依次设置有第四阀门和第三压力计；第三腔体的出气口通过管路连接有气压泵，该段管路上依次设置有流量计和第七阀门；
三个串联煤岩样用腔体皆连接有应力加载***，包括用于对腔体中的煤岩样产生围压的围压泵，以及用于对腔体中的煤岩样产生轴压的轴压泵，围压泵和轴压泵皆可分别对不同的煤岩样用腔体施工不同的应力；
压力表、压力计、流量计、围压泵、轴压泵和气压泵均与数据记录设备连接。
优选的，围压泵的输出端设置有总管路，总管路连接三个并联的支管路，三个支管路上分别设置有一个第五阀门，然后分别与三个煤岩样用腔体连接；轴压泵的输出端设置有总管路，总管路连接三个并联的支管路，三个支管路上分别设置有一个第六阀门，然后分别与三个煤岩样用腔体连接。
优选的，所述数据记录设备为具有显示屏的电脑。
一种瓦斯抽采量预测方法，采用上述水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置，包括如下步骤：
a.实测水力压裂煤岩层的物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度；
b.设计水力压裂参数，包括致裂水压，致裂介质，有无支撑剂；
c.实测水力压裂煤岩层水平应力、垂直应力和瓦斯压力；
d.根据上述步骤确定的参数利用水力压裂模拟软件XSITE进行水力压裂模拟，计算沿水力压裂钻孔径向依次形成的强扰动区、弱扰动区以及未扰动区的范围；
e.提取不同分区内煤岩体的水平应力和垂直应力；导出不同分区的区域范围半径及裂隙发育程度数据；
f.根据不同分区的裂隙发育程度制作煤岩样，强扰动区对应贯穿裂隙煤岩样，弱扰动区对应微裂隙煤岩样，未扰动区对应完整煤岩样；根据强扰动区和弱扰动区的区域范围半径选择对应的煤岩样长度，然后再根据瓦斯抽采半径或瓦斯抽采钻孔之间的间距确定未扰动区对应的煤岩样长度；
优选的，贯穿裂隙煤岩样通过实验室剪切获得，具体为剪切两半煤岩样；微裂隙煤岩样通过单轴抗压试验获得，具体为单轴抗压应力-应变曲线对应的屈服阶段。
g.根据数值模拟确定的煤岩样不同分区的应力环境分别设计三个腔体的轴压和围压；根据瓦斯压力设计瓦斯气瓶的瓦斯压力；
h.将对应未扰动区、弱扰动区、强扰动区的煤岩样依次放入第一腔体、第二腔体、第三腔体，并施加相应的轴压和围压，以模拟实际生产过程中的真实地层条件；
i.打开瓦斯气瓶向模拟装置供气；
优选的，还进行泄露检测，用肥皂水润湿模拟装置的连接处，如果没有气泡，则连接良好，以确保模拟装置在继续进行试验之前不会泄漏气体。
j.调节瓦斯气瓶的初始瓦斯压力至设定值，关闭第七阀门，开始对煤岩样进行吸附，直至压力计的压力稳定；
k.设置气压泵的气压为现场瓦斯抽采压力，打开第一、第二、第三、第四、第七阀门，模拟瓦斯从完整煤岩样向贯穿裂隙煤岩样渗流过程，监测压力计测量的瓦斯压力，同时监测流量计测得的流量，进而获得煤岩层在该水力压裂条件后的瓦斯抽采量；
l.改变水力压裂参数，重复上述操作，获得煤岩层在不同水力压裂条件下的瓦斯抽采量。
其中，所述水力压裂钻孔在进行水力压裂后，后期作为瓦斯抽采孔使用。
有益效果：本发明根据水压致裂扰动煤岩体的裂隙分布特征，将其沿径向分为强扰动区、弱扰动区和未扰动区，分别对应贯穿裂隙煤岩样、微裂隙煤岩样、完整煤岩样；通过串联上述煤岩样腔体实现精确的符合实际工况的瓦斯渗流模拟试验，获得煤岩层在不同水力压裂条件下的瓦斯抽采量，对指导实际工程具有重要意义。
附图说明
图1是本发明水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置；
图2是水力压裂煤岩体扰动分区图；
图中：瓦斯气瓶1、围压泵2、轴压泵3、气压泵4、压力表5、流量计6；F1第一阀门、F2第二阀门、F3第三阀门、F4第四阀门、F5第五阀门、F6第六阀门、F7第七阀门；P1第一压力计、P2第二压力计、P3第三压力计；Q1第一腔体、Q2第二腔体、Q3第三腔体。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行更为详细的描述。
如图1所示，一种水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置，主要包括瓦斯气瓶1、压力表5、煤岩样用腔体、压力计、流量计6、围压泵2、轴压泵3、气压泵4、阀门和数据记录设备；
所述瓦斯气瓶1通过管路与第一腔体Q1的进气口连接，该段管路上依次设置有第一阀门F1、压力表5、第二阀门F2、第一压力计P1；第一腔体Q1的出气口通过管路连接第二腔体Q2的进气口，该段管路上依次设置有第三阀门F3和第二压力计P2；第二腔体Q2的出气口通过管路连接第三腔体Q3的进气口，该段管路上依次设置有第四阀门F4和第三压力计P3；第三腔体Q3的出气口通过管路连接有气压泵4，该段管路上依次设置有流量计6和第七阀门F7；
三个串联煤岩样用腔体皆连接有应力加载***，包括用于在垂直于左右方向的周向方向上对腔体中的煤岩样产生围压的围压泵2，以及用于在左右方向上对腔体中的煤岩样产生轴压的轴压泵3，围压泵2和轴压泵3皆可分别对不同的煤岩样用腔体施工不同的应力；其中围压泵2的输出端设置有总管路，总管路连接三个并联的支管路，三个支管路上分别设置有一个第五阀门F5，然后分别与三个煤岩样用腔体连接；轴压泵3的输出端设置有总管路，总管路连接三个并联的支管路，三个支管路上分别设置有一个第六阀门F6，然后分别与三个煤岩样用腔体连接；
压力表5、压力计、流量计6、围压泵2、轴压泵3和气压泵4均与数据记录设备连接；所述数据记录设备具有显示屏。
一种瓦斯抽采量预测方法，采用上述水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置，包括如下步骤：
a.实测水力压裂煤岩层的物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度；
b.设计水力压裂参数，包括致裂水压，致裂介质，有无支撑剂；
c.实测水力压裂煤岩层水平应力、垂直应力和瓦斯压力；
d.根据上述步骤确定的参数利用水力压裂模拟软件XSITE进行水力压裂模拟，计算沿水力压裂钻孔径向依次形成的强扰动区、弱扰动区以及未扰动区的范围，如图2所示；
e.提取不同分区内煤岩体的水平应力和垂直应力；导出不同分区的区域范围半径及裂隙发育程度数据；
f.根据不同分区的裂隙发育程度制作煤岩样，强扰动区对应贯穿裂隙煤岩样，弱扰动区对应微裂隙煤岩样，未扰动区对应完整煤岩样；根据强扰动区和弱扰动区的区域范围半径选择对应的煤岩样长度，然后再根据瓦斯抽采半径或瓦斯抽采钻孔(瓦斯抽采孔即水力压裂钻孔，水力压裂之后作为瓦斯抽采孔使用)之间的间距确定未扰动区对应的煤岩样长度；
其中贯穿裂隙煤岩样通过实验室剪切获得，具体为剪切两半煤岩样；微裂隙煤岩样通过单轴抗压试验获得，具体为单轴抗压应力-应变曲线对应的屈服阶段；
g.根据数值模拟确定的煤岩样不同分区的应力环境分别设计三个腔体的轴压和围压；根据瓦斯压力设计瓦斯气瓶1的瓦斯压力；
h.将对应未扰动区、弱扰动区、强扰动区的煤岩样依次放入第一腔体Q1、第二腔体Q2、第三腔体Q3，并施加相应的轴压和围压，以模拟实际生产过程中的真实地层条件；
i.打开瓦斯气瓶1向模拟装置供气；并进行泄露检测，用肥皂水润湿模拟装置的连接处，如果没有气泡，则连接良好，以确保模拟装置在继续进行试验之前不会泄漏气体；
j.调节瓦斯气瓶1的初始瓦斯压力至设定值，关闭第七阀门F7，开始对煤岩样进行吸附，直至压力计的压力稳定；
k.设置气压泵4的气压为现场瓦斯抽采压力，打开第一阀门F1、第二阀门F2、第三阀门F3、第四阀门F4、第七阀门F7，模拟瓦斯从完整煤岩样向贯穿裂隙煤岩样(自未扰动区向强扰动区)渗流过程，监测压力计测量的瓦斯压力，同时监测流量计6测得的流量，进而获得煤岩层在该水力压裂条件后的瓦斯抽采量；
l.改变水力压裂参数，重复上述操作，获得煤岩层在不同水力压裂条件下的瓦斯抽采量，根据试验结果指导实际工程，以选择最优的水力压裂参数。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种瓦斯抽采量预测方法，采用水压致裂扰动煤岩体瓦斯渗流模拟装置，所述瓦斯渗流模拟装置包括瓦斯气瓶、压力表、煤岩样用腔体、压力计、流量计、围压泵、轴压泵、气压泵、阀门和数据记录设备；
所述瓦斯气瓶通过管路与第一腔体的进气口连接，连通瓦斯气瓶与第一腔体进气口的管路上依次设置有第一阀门、压力表、第二阀门、第一压力计；第一腔体的出气口通过管路连接第二腔体的进气口，连通一腔体出气口与第二腔体进气口的管路上依次设置有第三阀门和第二压力计；第二腔体的出气口通过管路连接第三腔体的进气口，连接第二腔体出气口与第三腔体进气口的管路上依次设置有第四阀门和第三压力计；第三腔体的出气口通过管路连接有气压泵，连接第三腔体出气口与气压泵的管路上依次设置有流量计和第七阀门；三个串联煤岩样用腔体皆连接有应力加载***，包括用于对腔体中的煤岩样产生围压的围压泵，以及用于对腔体中的煤岩样产生轴压的轴压泵，围压泵和轴压泵皆可分别对不同的煤岩样用腔体施工不同的应力；压力表、压力计、流量计、围压泵、轴压泵和气压泵均与数据记录设备连接；
其特征在于，包括如下步骤：
a.实测水力压裂煤岩层的物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度；
b.设计水力压裂参数，包括致裂水压，致裂介质，有无支撑剂；
c.实测水力压裂煤岩层水平应力、垂直应力和瓦斯压力；
d.根据上述步骤确定的参数利用水力压裂模拟软件XSITE进行水力压裂模拟，计算沿水力压裂钻孔径向依次形成的强扰动区、弱扰动区以及未扰动区的范围；
e.提取不同分区内煤岩体的水平应力和垂直应力；导出不同分区的区域范围半径及裂隙发育程度数据；
f.根据不同分区的裂隙发育程度制作煤岩样，强扰动区对应贯穿裂隙煤岩样，弱扰动区对应微裂隙煤岩样，未扰动区对应完整煤岩样；根据强扰动区和弱扰动区的区域范围半径选择对应的煤岩样长度，然后再根据瓦斯抽采半径或瓦斯抽采钻孔之间的间距确定未扰动区对应的煤岩样长度；
g.根据数值模拟确定的煤岩样不同分区的应力环境分别设计三个腔体的轴压和围压；根据瓦斯压力设计瓦斯气瓶的瓦斯压力；
h.将对应未扰动区、弱扰动区、强扰动区的煤岩样依次放入第一腔体、第二腔体、第三腔体，并施加相应的轴压和围压，以模拟实际生产过程中的真实地层条件；
i.打开瓦斯气瓶向模拟装置供气；
j.调节瓦斯气瓶的初始瓦斯压力至设定值，关闭第七阀门，开始对煤岩样进行吸附，直至压力计的压力稳定；
k.设置气压泵的气压为现场瓦斯抽采压力，打开第一、第二、第三、第四、第七阀门，模拟瓦斯从完整煤岩样向贯穿裂隙煤岩样渗流过程，监测压力计测量的瓦斯压力，同时监测流量计测得的流量，进而获得煤岩层在该水力压裂条件后的瓦斯抽采量；
l.改变水力压裂参数，重复上述步骤c-k操作，获得煤岩层在不同水力压裂条件下的瓦斯抽采量。
2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采量预测方法，其特征在于，围压泵的输出端设置有总管路，总管路连接三个并联的支管路，三个支管路上分别设置有一个第五阀门，然后分别与三个煤岩样用腔体连接；轴压泵的输出端设置有总管路，总管路连接三个并联的支管路，三个支管路上分别设置有一个第六阀门，然后分别与三个煤岩样用腔体连接。
3.根据权利要求1或2所述的瓦斯抽采量预测方法，其特征在于，步骤f中，贯穿裂隙煤岩样通过实验室剪切获得，具体为剪切两半煤岩样；微裂隙煤岩样通过单轴抗压试验获得，具体为单轴抗压应力-应变曲线对应的屈服阶段。
4.根据权利要求1或2所述的瓦斯抽采量预测方法，其特征在于，步骤i中，还进行泄露检测，用肥皂水润湿模拟装置的连接处，如果没有气泡，则连接良好，以确保模拟装置在继续进行试验之前不会泄漏气体。
5.根据权利要求1或2所述的瓦斯抽采量预测方法，其特征在于，所述水力压裂钻孔在进行水力压裂后，后期作为瓦斯抽采孔使用。
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