煤层水力压裂三相耦合数值模拟研究

论文摘要

在高瓦斯矿井中,瓦斯压力是煤层水力压裂过程中不可忽略的影响因素。通过对煤层宏观地质结构的研究和对煤体微观多孔隙—裂隙结构进行分析,建立了一个连续的固、液、气三相耦合模型。利用渗流规律Darcy定律,扩散规律Fick定律来描述煤层中瓦斯的运动规律;采用Mohr—Coulomb准则的单元渗透率—损伤耦合方程对渗流耦合问题进行研究,进而研究了含瓦斯煤体固、液、气相互作用中的变形、破裂与耦合作用。以祁南矿3410掘进工作面的水力压裂过程为研究对象,考虑煤的均质度、弹性模量、抗压强度、湿润边界角和瓦斯压力等建立了三相耦合计算模型,应用RFPA—2D软件对祁南矿3410掘进工作面煤层进行了数值模拟。得出了煤层水力压裂过程中煤体破裂程度与注水压力、煤层瓦斯压力之间的变化关系。模拟结果表明:瓦斯压力抵消了部分水压,阻碍了煤体的裂隙发育,但随着煤体破裂的进行,瓦斯受压转移,并有部分被挤出,瓦斯压力趋于稳定,煤体破裂进程加快。祁南矿3410掘进工作面的现场试验与数值模拟结果比较吻合,这表明:在考虑瓦斯压力下,水力压裂过程的三相耦合试验能直观的描述注水压力和瓦斯压力对煤体破裂进程的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 国内外煤层水力压裂发展及数值模拟现状
• 1.1.1 国内外煤层水力压裂发展现状
• 1.1.2 煤层水力压裂与煤层注水的区别
• 1.1.3 煤层水力压裂数值模拟发展现状
• 1.2 三相耦合数值模拟在煤层水力压裂中的作用
• 1.3 主要研究目的、内容及研究方法
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法
• 2 水力压裂基本机理及三相耦合理论研究
• 2.1 水力压裂的基本机理
• 2.1.1 煤层的地质结构
• 2.1.2 影响水力压裂的因素分析
• 2.2 煤层三相介质系统
• 2.2.1 煤层的气、固、液介质系统
• 2.2.2 三相耦合的理论分析
• 2.3 小结
• 3 水力压裂三相耦合数值模拟及影响因素分析
• 3.1 水力压裂三相耦合数值模型与影响因素
• 3.1.1 数学模型的建立
• 3.1.2 三相介质的力学破坏条件
• 3.2 RFPA[2D]简介及应用
• 3.2.1 RFPA[2D]简介
• 3.2.2 RFPA应用研究
• 3.3 水力压裂三相耦合数值模拟
• 3.3.1 单孔注水数值模拟试验
• 3.3.2 双孔注水数值模拟实验
• 3.4 小结
• 4 试验工作面水力压裂实例分析
• 4.1 试验工作面概况
• 4.2 试验工作面水力压裂试验
• 4.2.1 试验地点及试验方法
• 4.2.2 试验结果分析
• 4.2.3 注水方案优化与效果分析
• 4.3 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介