文摘

瓦斯抽放钻孔的密封深度是至关重要的,它直接影响整个排水系统的效率。为了确定最短的合理封深度,本文理论排水模型提出了使用不同的密封深度。基于理论分析,两部分提出了抽放钻孔周围的裂缝系统,即巷道开挖引起的骨折和骨折引起的井下钻探。一系列的地质进行了现场测试和模拟研究来确定围岩应力和断裂分布的钻孔。的深处破碎区、塑性区和应力集中区域被确定为5米,2米和12米,分别。同时,压力模拟表明,应力集中区域的深度是12米的巷道壁和压力峰值位于8米的深度,可以验证了钻井进尺速度分析的结果。确定最佳密封深度、瓦斯抽放孔与不同密封深处钻。场结果表明破碎区域漏风的主要区域,和巷道开挖引起的应力集中协助减少空气泄漏。因此,优化密封深度应该涵盖了塑性区和应力集中区域。的研究成果可以提供一种定量方法确定最佳密封在cross-measure排水钻孔深度。

1。介绍

煤矿在中国经历了最严重的煤与瓦斯爆炸灾害在世界1,2]。与开采深度增加,地层压力和气体压力在增加煤层,煤层的渗透性降低,这使得煤炭和天然气爆炸灾害更严重(3- - - - - -6]。已经证明,释放气体能源煤层气排水是一个最有效的方法来消除这种灾难(7- - - - - -11]。同时,煤层气(CBM)是一种清洁能源(纯气体的热量超过33 MJ / m3)。同时,有超过36.81×1012米3气体在煤层的深度2000米,等于520×109由燃烧热(吨标准煤4,12- - - - - -14]。此外,甲烷的温室效应是有限的25倍2,它可以引起严重的破坏臭氧层15,16]。因此,提取煤层气不仅有助于控制煤矿气体引起的灾害和利用这个伟大的清洁能源的来源,也保护我们的环境17- - - - - -20.]。

在中国煤层气排水的数量是170亿米32014年,包括133亿米3从地下提取,这个数字随着时间在不断的增加(21,22]。在煤矿煤层气排水是指一个系统由水井管道和水泵提取天然气从煤层钻孔的密封起着至关重要的重要的作用,确保其效率(23,24]。空气泄漏在排水时钻孔的完整性差,即空气流入井通过excavation-induced骨折(20.,25,26]。近三分之二的煤矿在中国开展瓦斯抽放利用短密封长度,和大多数人使用不同的标准密封深度,根据自己的经验(13,27)或经验公式计算。因为不当的密封技术,煤层气排水的浓度在65%的实际工作面临小于30% (22,28,29日];影响密封效果的因素有很多,如密封材料不能导致更大的变形在一定的应力水平,封口机,抵御内外不平衡力的钻孔和密封深度可以抵御瓦斯抽放负压,留下更少的空白带。

学者们进行了大量的研究来提高钻孔的密封质量,并提出了一些方法来确定密封深度通过原位测试(19,30.- - - - - -34]。(20.]分析了钻孔排水过程成分(CBM和空气)模型,并建议通过excavation-induced空气流入井眼的骨折,这是井下的空气泄漏的主要原因(19,20.,35]。建议合理的密封深度超过减压区,这是主要的区域巷道excavation-induced骨折(36]。计算的压力和FLAC围岩的物理状态3 d仿真和提出密封钻孔的深度应该在应力集中区域在这个领域有一些macro-fractures [37]。表明,岩石渗透率较低和高应力可防止空气流入井内。他得出结论,密封深度等于或超过最大钻井深度污泥体积,由于钻井污泥体积岩石的压力和渗透率的增加而增加。总之,最短的合理封深度密切相关,断裂和围岩的应力分布。这是至关重要的,考虑这些因素,找出更珍贵封深度。此外,由于不同矿区的地质条件复杂。很明显,结论适用于特定的煤矿,虽然大多数都是不同,但良好的排水效果。与此同时,没有人做任何研究基于不同密封深度。

在目前的研究中,一个分析模型提出了不同密封的密封质量的深度。进行了数值模拟,研究应力和变形分布特征,提出了一种新的方法来确定密封深度根据钻井的机械钻速和现场裂区试验通过超声波检测。此外,这种方法是通过瓦斯抽放试验测试不同密封深度。

2。与不同的密封深度分析漏风

如图1被发掘后,巷道的围岩可分为3个区域,破碎区,塑性区和弹性区,在继承17]。破碎带的强度较小的是有很多的裂缝和骨折(38),导致渗透率飙升在这个区域(15]。此外,压力压碎区要小得多年代由于其较低的强度。因此,上层的表土地层变化进入塑性区,从而导致高应力集中在这个领域。存在一些macro-fractures塑性区应力超过其强度。因此,渗透率是高于原始应力区(22]。与此同时,渗透率降低由于关闭楔子和多孔结构的收缩在岩体在高有效应力。和多孔岩石的渗透率可以计算方程(1)[7]。 在哪里 是初始有效应力, 有效应力, 压力是恒定的, 裂隙岩体的初始渗透, 是岩体的渗透压力。


图1
围岩的压力和渗透率分布的钻孔。

同样,也存在类似的压力和渗透率分布人物围岩的钻孔,因此也可以进入的空气通过这些骨折钻孔。此外,从巷道空气的泄漏流入井下排水过程中是不可避免的。然而,随着密封部分是防止漏风井下巷道壁,可以减少空气泄漏量提高密封深度。

根据达西流动定律,通过多孔介质的流量可以计算方程(2)。 在哪里问是单位时间内气体流量,k是渗透性常数, 气体压降,横截面面积的渗流区,μ气体流量的动态粘度, 是渗流路径长度。因此,空气泄漏量与不同的密封深度,如图1,可以计算出方程(3)- (5)。(1)密封深度等于破碎区(减压区),也就是说, (2)密封深度等于塑性区,也就是说, (3)密封深度等于应力集中区域,即,

根据上面的分析中,很明显, ,和 ,和 结合方程(3)和(4),我们得到:

因此,可以大大减少空气泄漏量如果密封深度改善 来 。

同样,很明显, , 和 ,结合方程(4)和(5),我们得到: 在哪里 ,然而, ,因此它是未知的基于方程如果密封深度提高 来 。因此,还需要进一步的研究来找出最短的合理封深度。

3所示。优化密封的深度

3.1。测试网站

位于Liliu ShaQu煤矿矿区的中央部分山西河东煤田在西方,中国。煤矿的特点是极近距离煤层之间的距离,和气体含量高和天然气破裂倾向。煤田的煤系列地层由上石炭系太原组和山西低二叠纪地层系统。总共有3个生产煤层瓦斯含量平均为10.34 m3/t,如表所示1。为了消除瓦斯爆炸灾害的风险,瓦斯抽放的瓦斯抽放道路被发掘在上部煤层开采之前,如图2。# 97举行的现场测试研究瓦斯抽放钻孔领域第一气排水巷道底板。上覆岩层深度约为645米,主层砂岩。cross-measure排水水井钻探在钻井领域位于两边的道路。钻井领域的分布和大小的路幅图所示3。

表1
煤层的基本参数。

图2
插图的cross-measure板排水巷道钻孔在床上。

图3
钻井领域分布和气体的排水井排水巷道。

分析的最后一节中,有两个部分的骨折区围岩断裂系统。第一部分是井下开采引发的骨折和第二部分是巷道开挖引发的骨折,如图1。同时,破碎区和塑性区在每个部分会导致漏气在排水过程中由于骨折和钻孔周围的裂缝。然而,规模和大小巷道开挖引发的断裂系统的比这大得多的钻孔。因此,密封部分的主要目的是控制漏风巷道开挖引发的骨折。在本文中,我们主要关注断裂和围岩应力分布的钻探领域,部分巷道和水井的地方。

3.2。分析断裂带

塑性区和压碎区存在骨折,这是在排水过程中漏气的路径。因此,这两个部分是重要的密封深度的决心。在本部分中,通过FLAC计算塑性区3 d仿真和破碎区被超声检测现场测试。

3.2.1之上。仿真分析的塑性区

为了复制相同的地质背景表1和图3三维模型,挖掘道路的大小是4米(宽)×3米(高度)和钻探领域是5米(长度)×3米(宽)×3 m(高度),创建(如图4)。Mohr-Coulomb失效准则应用于代表岩体的塑性行为。模型是30米的大小(宽度)×30米(长度)×20米(高度)包括165670个元素和13468节点。垂直应力为每个元素应用16 MPa是由于模拟覆岩的重量来自640年20 MPa的深度和水平应力也应用于模型基于数据提供的地应力Shaqu煤矿。前的水平位移、背部、左、右边界,以及底部的垂直位移是固定的。岩石的力学参数如表所示2。图4显示了覆岩和图5显示了计算模型的网格。


图4
地层柱状图和床层隧道的位置。
表2
围岩的力学参数钻井领域。

图5
三维网格的数值模型。

图6显示了钻孔周围塑性区分布的字段和道路。随着瓦斯抽放钻孔钻井领域的主要是向上滚动z方向,塑性区在这方面更多的影响决定了密封深度。如结果所示,周围塑性区钻井领域的厚度达到5米2方向,2米2的方向。同时,3.7年的x方向,还5米z方向的厚度在巷道的围岩塑性区。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
垂直截面的围岩塑性区分布。(一)钻探领域。(b)巷道。
3.2.2。通过超声波检测的现场破碎区测试

超声波检测采用检测中的破碎带围岩(研究人员11,18,22,38]。测试的原则如下:超声波的速度明显变弱的反射和折射效果之间的接口之间的不连续骨折粉碎区和持续时间在某些距离与骨折坐骑的数量迅速增加。当超声波的速度稍微变弱时裂缝的数量减少,反射和折射的效果下降。换句话说,存在一个积极的关系持续时间的超声波和围岩变形的程度。因此,裂缝的分布特征区域的持续时间可以通过记录超声波。

摘要超声波检测分析仪(BA-II, CCRI有限公司)采用的超声波测试持续时间的岩石钻探领域。这个分析仪由3部分组成的探测器主机和连接电线,如图7。发射机和接收机都设置在探针的长度1米。因此,主机将记录持续时间和超声波的速度计算基于发射机和接收机之间的信号,显示在方程(8)。每一步的水井测试0.1米深度。两个测试钻孔的布置如图所示8。图9显示了测试结果。 在哪里l发射机和接收机的距离吗l= 1米,t是持续时间超声波到达接收者来自发射机,V是超声波的速度。


图7
超声波检测分析仪单元。

图8
安排水井的超声波检测。

图9
超声检测的结果。

曲线显示在图9,超声波明显下降的持续时间在0 - 2.0米的深度波动略有45 / m女士之后,推断,速度增加,开挖引发的骨折和裂缝的数量减少了。因此,破碎的边界区位于2.0米的深度。

3.3。钻井领域的应力状态

从上面的分析中,重新分配压力可以显著改变岩体的渗透性。应力集中带的渗透率降低由于防滑钉关闭和macro-pores收缩。而渗透压力增加由于膨胀岩体和鞋子之类的开放。因此,应力分布的确定是一个重要的因素除了断裂带封深度。在本文中,FLAC的应力分布进行了计算3 d仿真和现场分析了钻杆的渗透速度的结果在井眼钻井过程中围岩。

3.3.1。FLAC3 d模拟

根据上面的计算模型中,水平截面上的纵向应力云轮廓可以实现钻井现场,如图10。从这个结果可以得出两个主要人物:首先,垂直压力y围岩的方向显示高浓度。其次,垂直应力降低随着钻井领域的距离增加,直到它落在处女字段16 MPa的压力距离约12米和高垂直应力区(MPa) 20 - 22日位于7 - 8米的深度。16 MPa的轮廓的边界应力集中区域,很明显,excavation-induced应力集中区域达到12米。同时,垂直压力达到最高(MPa) 22日在7 - 8米的深度。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
围岩垂直应力云轮廓。(一)通过钻井领域的中央垂直截面。(b)通过中央巷道横截面。
3.3.2。通过钻探响应应力集中区域分析

钻井扭矩的压力强加于岩石钻探过程中。钻井扭矩的值取决于钻孔的大小,钻进速度和钻探,方程(所示9)[24]。在钻井过程中,钻井扭矩可能会不稳定主要是由于围岩的物理特征的变化,如强度或应力集中字符。鉴于钻井常数和钻井W是固定的,钻井扭矩T减少随着围岩应力集中或强度、渗透的速度将会增加。同样地,当钻井扭矩T增加随着围岩应力集中或强度、渗透的速度会降低39]。的曲线对钻井的机械钻速扭矩图所示11。 在哪里c是钻井常数取决于钻孔的直径和钻杆的旋转速度, 是和W的渗透率是钻井的力量。


图11
对钻井扭矩下的渗透率曲线固定钻井的力量。

钻井持续时间记录是基于4测试钻孔。在图所示的基本参数12和表3。现场钻井时间和持续时间的渗透测试1 m×每一步由于钻杆的长度是1米。作为显示在图13,测试曲线与钻井深度显示类似的趋势上升。同时,渗透的速度显著下降而持续时间上升了在主/米的深度。此外,曲线满足他们的转折点在7 - 8米的深度。然而,渗透逐渐反弹的速度和持续时间大幅减少后,钻井深度超过8米。钻进速度的下降主要是摩擦造成的钻杆由于围岩的应力集中。因此,可以看出,最大应力集中区域位于7 - 8米的钻孔的深度,验证仿真结果。


图12
安排测试钻孔。
表3
钻孔参数的测试。

图13
对钻进速度曲线的钻井时间。

4所示。气体通过Cross-Measure水井排水试验

它可以从部分得出结论3破碎的边界区(B1),塑性区(B2)和应力集中区域(B3)位于2米的深度,分别5米和12米。为了确定最短的密封深度cross-measure瓦斯抽放钻孔,对比瓦斯抽放试验基于不同密封深度进行了。这个实验是为了确定优化密封深度之间的关系的深度B1、B2和B3。因此,三个对比实验形成了排水小组,每个组都有一个独特的密封深度。组1的密封深度是2 m等于B1的深度。组2的密封深度5米等于B2的深度。和密封深度组3是12 m等于B3的深度。表4显示每个钻孔的参数和图14显示了密封过程的说明。为了减少不稳定的排水性能的影响抽放钻孔的单身,每个实验小组由3个独立的水井。此外,每组的水井在交错安排尽量减少影响煤层气地质的不均匀性。三行监控组这些水井排水性能数据,如图15。

表4
基本参数实验的水井。

图14
钻孔密封钻井领域的简化示意图。

图15
安排实验的水井。

气体流总混合气体从煤层中提取由两部分组成,即纯甲烷和空气(其它气体成分)。因此,纯甲烷体积可以计算甲烷浓度和气体流量的乘积。在这个实验中,监测后立即开始钻孔密封,连接到排水系统。气体浓度和抽放钻孔的气体流量监控了每隔一天在排水过程中在接下来的60天。排水的甲烷浓度的三行监测结果如图16- - - - - -18。从这些曲线可以得出两个主要结论。首先,甲烷浓度三个监测线居高不下的早期阶段(天清廉)排水过程。负指数下降是观察到由于残余煤层气减少,这适用于所有排水井。第二,组织的结果2 (l= 10米)和3 (l= 15米)整个排水过程中是相似的。同时,气体浓度组1 (l= 5米)明显低于组2 (l= 5米)和组3 (l= 15米)。


图16
曲线的气体浓度在水井监控1号线。

图17
曲线的气体浓度在水井监控第2行。

图18
曲线的气体浓度在水井监控第3行。

表5和6显示每个钻孔的排水性能,每组分别。根据表中所示的结果6,很明显,甲烷浓度组1的一半(15.1%)低于3组2(46.2%)和组(51.6%),而气体流量(18.9 L / min)明显高于其他两组(13.9升/分钟和12.5升/分钟,分别)。结果,纯气体的体积组1 (2.8 L / min)不到50%的组2(6.3升/分钟)和组3(6.5升/分钟)。排水效率低的直接原因组1,因为密封深度不足,空气在井下巷道流入通过断裂系统(巷道开挖引发的骨折和钻孔钻探)围岩的钻探领域。因此,这个结果验证空气泄漏量可以大大降低,如果密封深度提高从破碎区(组1)塑性区(组2),如方程所示(6)。与此同时,尽管两组2和组3的封深度超过巷道开挖引发的断裂带,甲烷浓度组2(46.2%)仍然是10.4%低于3组(51.6%),这表明在组2中仍然存在漏风。一个合理的解释是,尽管排水的漏风钻孔是不可避免的由于钻孔钻探引发的断裂系统,可以减少泄漏量仍然提高密封深度。与此同时,如方程所示(7),它可以得出结论 > 1。

表5
排水每个测试井的结果。
表6
排水每组的结果。

总之,排水的结果验证了理论分析的空气泄漏量使用不同的密封深度。与此同时,根据上面的分析可以得出三个结论,首先,空气泄漏随密封深度的增加,特别是当密封深度小于破碎区。其次,巷道开挖引起的骨折是井下漏风的主要路径。第三,渗透率下降引起的应力集中是有助于防止空气流入井通过骨折。此外,基于3组的排水性能,优化最短密封cross-measure钻孔深度是12米,其中应包括塑性区和应力集中区域。

5。结论

优化密封cross-measure排水钻孔深度,提出了一种理论模型,分析了空气使用不同的密封泄漏量的深度。一系列的现场测试进行验证和进一步的研究。根据试验和分析的结果,可以得出以下结论:(1)基于理论分析,两部分提出了抽放钻孔周围的裂缝系统,即巷道开挖引起的骨折和骨折引起的井下钻探。两个部分会导致漏气的排水钻孔。第一部分包括破碎区和塑性区。和破碎区漏风的主要路径,可以减少通过改善密封深度。然而,对于第二部分,空气泄漏体积是巷道开挖引起的应力集中的影响。(2)压力和裂缝分布进行了分析通过现场测试和数值模拟。结果表明,塑性区厚度和压碎区5米和2米,分别。同时,压力模拟表明,应力集中区域的深度是12米的巷道壁和压力峰值位于8米的深度,可以验证了钻井进尺速度分析的结果。(3)排水的对比实验表明,虽然空气密封泄漏量的减少增加深度。然而,不同的密封深度阶段有其独特的原因。在第一阶段,提高了密封深度从破碎区、塑性区,空气泄漏量减少由于密封材料防止空气流入井通过骨折粉碎区。在第二阶段,当密封深度提高从塑性区应力集中区域,空气泄漏量减少由于渗透率降低引起的高应力骨折引起井眼钻井实施。研究案例表明,最短的优化密封深度是12米,应该涵盖了塑性区和应力集中区域(40]。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现正在禁运而研究成果商业化。请求数据,本文的发表之后,将被相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作为中国国家自然科学基金资助(51774110),项目河南省高校科技创新人才(19 hastit047)和河南省科技项目(182102310012),感激地承认。