CN111577256B - 一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，步骤是：先从岩石巷道施工穿层钻孔穿透煤层并测定煤层瓦斯压力，测压完成后测量钻孔瓦斯流量，利用径向流量法计算煤层初始渗透率；在钻孔内实施水力冲孔，冲孔完成后持续监测钻孔瓦斯流量，利用径向流量法计算并确定冲孔后煤层的等效渗透率；利用数值软件模拟冲孔后的煤层瓦斯流动并输出模拟瓦斯流量，与实测瓦斯流量匹配确定等效增透半径；利用等效渗透率和等效增透半径，对水力冲孔的增透效果进行定量评价。本发明利用等效渗透率和等效增透半径定量评价冲孔增透效果，不需要获知煤层地应力和力学参数，操作简单，结果可靠，方便在工程现场应用，为水力强化瓦斯抽采设计提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下煤层水力冲孔增透技术领域，具体涉及一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，煤层瓦斯作为煤的伴生产物在煤层中广泛存在，瓦斯事故成为制约煤矿安全生产的重要原因。瓦斯抽采是解决瓦斯事故的主要方法，同时可以使煤层气得到利用。然而，我国的煤层渗透率普遍很低，瓦斯抽采十分困难，因此抽采时必须采取措施提高煤层渗透率。
水力冲孔技术是煤矿常用的有效增透手段，由于其操作简单、适用性强，近些年来在各煤矿得到了广泛应用。施工瓦斯抽采钻孔深入煤层内部后，在孔内利用高压旋转水射流冲出大量煤体及瓦斯，形成直径较大的卸压洞室，为煤体膨胀变形和瓦斯解吸积聚提供充分空间，在洞室周围煤体形成裂隙网络，从而达到提高煤层渗透率和强化抽采的目的。
准确获知冲孔后煤体的渗透率分布，是进行水力冲孔强化瓦斯抽采设计的重要基础。然而，由于钻孔周围煤体破坏形式不同，冲孔后钻孔周围煤层渗透率呈非均匀分布，靠近钻孔渗透率最大，随着距钻孔距离增加渗透率逐渐降低直至原始值。现有手段无法直接测定冲孔后非均匀分布的渗透率和增透范围，通过数值模拟分析钻孔周围应力分布是目前最常用的煤层冲孔增透效果评价方法。数值模拟方法是通过理论分析建立冲孔后的渗透率数学模型，然后利用数值仿真软件解算得到煤层渗透率分布，但其缺陷是需要获得准确的煤层地应力分布与煤层力学参数，而煤层地应力和力学参数测定较为复杂，现场难以实施，若使用两者的估算值将大幅增加评价误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，不需要获知煤层地应力和力学参数，操作简单方便。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，具体步骤如下：
1)从岩石巷道向煤层施工穿层钻孔穿透煤层，记录钻孔半径、见煤长度，并取样测出煤层瓦斯含量，然后封孔，在孔口安装压力表测定煤层原始瓦斯压力；
2)测压完成后打开阀门使钻孔内压力降至大气压，然后测出各个时刻钻孔瓦斯自然排放量，再利用径向流量法，通过相应的公式计算煤层初始渗透率；
3)对钻孔实施水力冲孔工程，记录冲孔后钻孔半径，冲孔结束后持续监测钻孔瓦斯流量两周以上，每天至少测量1次；
4)基于测量的钻孔瓦斯流量，利用径向流量法计算出冲孔后的煤层渗透率，由于冲孔后煤层渗透率的非均匀分布，瓦斯流量随测量时间的延长而减小，故计算出的渗透率也随时间的延长而减小并趋于稳定，当计算结果变化小于5％时判断为渗透率达到稳定，确定等效渗透率；
5)在数值仿真软件中建立煤层瓦斯运移模型，将煤层参数和步骤4)获得的煤层渗透率、等效渗透率输入数值仿真软件，先输入预设值作为等效增透半径，计算出模拟钻孔瓦斯流量，并将模拟的瓦斯流量与步骤3)实测的瓦斯流量进行比对；根据比对结果调整输入的等效增透半径值，使模拟瓦斯流量与实测瓦斯流量相匹配，确定等效增透半径；
上述煤层瓦斯运移模型包括煤层几何模型和双孔介质煤层瓦斯运移数学模型，其中双孔介质煤层瓦斯运移数学模型的计算公式如下：
式中：pm为孔隙瓦斯压力，MPa；t为时间，d；VM为气体摩尔体积，0.0224m3/mol；pf为裂隙瓦斯压力，MPa；VL为朗格缪尔体积，m3/kg；pL为朗格缪尔压力，MPa；τ为吸附时间，d；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为煤层温度，K；ρc为煤体视密度，kg/m3；φm为孔隙率，％；φf为煤体裂隙率，％；k为渗透率包括等效渗透率或煤层渗透率，mD；μ为甲烷动力学粘度，1.08×10-5Pa·s；
6)利用等效渗透率和等效增透半径定量评价水力冲孔的增透效果，为水力冲孔强化瓦斯抽采参数设计提供数值参考。
优选的，步骤5)中，所述数值仿真软件选自COMSOLMultiphysics多物理场耦合分析软件。
优选的，步骤5)中，所述预设值为冲孔后钻孔半径的三倍值。
与现有技术相比，本发明使用等效渗透率和等效增透半径表征冲孔后钻孔周围非均匀分布的渗透率，表征方式简洁明了，利于不同钻孔设计之间的增透效果对比分析；等效渗透率通过径向流量法现场测定，施工操作简单，等效增透半径由配套的软件计算并匹配实测流量得出，方便快捷、结果可靠；本方法不需要测定煤层的地应力和力学参数，实施简单，方便工程现场的应用。
附图说明
图1为冲孔后钻孔周围煤层渗透率和等效渗透率分布示意图；图中R0-冲孔钻孔半径，kp-冲孔后煤层真实渗透率，Rr-渗透率最大值区半径，Rp-增透区半径，keq-等效渗透率，Req-等效增透半径；
图2为穿层钻孔、煤层瓦斯压力和钻孔瓦斯流量测定示意图；图中，1-煤层；2-钻孔；3-抽采管；4-封孔；5-压力表；6-阀门；7-量筒；
图3为水力冲孔增透效果定量评价方法应用流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
煤层实施水力冲孔后钻孔周围渗透率提高，但是由于煤层损伤程度不同渗透率变化不同，并且产生损伤的煤层范围有限，渗透率增大仅发生在有限范围内。冲孔后钻孔周围煤层渗透率分布和等效渗透率分布如图1所示，水力冲孔后煤层的渗透率为kp，靠近钻孔煤层的渗透率达到最大值，随着距离远离钻孔煤层的渗透率快速下降直到初始渗透率，整个增透区的范围为Rp。现有手段无法在现场准确测定水力冲孔后煤层非均匀分布的渗透率。因此，为了对水力冲孔的增透效果定量评价，本发明提出了等效渗透率和等效增透半径，简化地等效表征水力冲孔后煤层的渗透率。在距离钻孔中心Req范围内，将渗透率等效为常数keq，在距离钻孔中心Req范围外，煤层渗透率为初始值，keq和Req分别定义为等效渗透率和等效增透半径，综合使用等效渗透率和等效增透半径对水利冲孔的增透效果进行定量评价。
事实上，等效渗透率和等效增透半径是相互影响的关系，等效渗透率越大，则等效增透半径越小，反之亦然，但是，当其中一个参数确定时，另一个参数也就固定了。等效渗透率通过径向流量法现场测定，等效增透半径通过对煤层瓦斯运移数值模拟得到，该模拟不需要煤层地应力和力学参数。
现场应用时利用本方法定量评价水力冲孔增透效果的流程如图3所示，具体步骤如下：
1)如图2所示，从岩石巷道向煤层1施工穿层钻孔2穿透煤层，记录钻孔半径、见煤长度，并取样测量煤层瓦斯含量，将抽采管3沿钻孔2送入煤层1，然后封孔4，在孔口安装压力表5测定煤层原始瓦斯压力。
2)测压完成后打开阀门6使钻孔2内压力降至大气压，使用量筒7测出各个时刻钻孔2内瓦斯自然排放量。利用径向流量法计算煤层初始渗透率，计算公式如表1所示。
表1煤层渗透率计算公式
上表中，α为瓦斯含量系数，m3/(m3·MPa1/2)；W为煤层瓦斯含量，m3/m3；p0为原始煤层瓦斯压力，MPa；q为t时刻的钻孔煤壁单位面积瓦斯流量，m3/(m2·d)；r为钻孔半径，m；p1为钻孔排瓦斯时的瓦斯压力，0.1MPa；t为从瓦斯排放到测量瓦斯流量的时间间隔，d。
3)对钻孔2实施水力冲孔工程，记录冲孔后钻孔半径，冲孔结束后持续监测钻孔瓦斯流量达两周以上，每天至少测量1次。
4)基于测量的瓦斯流量，利用径向流量法计算出冲孔后的煤层渗透率。由于冲孔后煤层渗透率呈非均匀分布，瓦斯流量随测量时间逐渐减小，计算出的渗透率也随时间的延长而减小并趋于稳定，当计算结果变化小于5％时可认为渗透率达到稳定，确定等效渗透率。
5)在数值仿真软件中，本实施例选择在COMSOLMultiphysics多物理场耦合分析软件中建立煤层几何模型和双孔介质煤层瓦斯运移数学模型，数学方程如下：
式中：pm为孔隙瓦斯压力，MPa；t为时间，d；VM为气体摩尔体积，0.0224m3/mol；pf为裂隙瓦斯压力，MPa；VL为朗格缪尔体积，m3/kg；pL为朗格缪尔压力，MPa；τ为吸附时间，d；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为煤层温度，K；ρc为煤体视密度，kg/m3；φm为孔隙率，％；φf为煤体裂隙率，％；k为渗透率包括等效渗透率或煤层渗透率，mD；μ为甲烷动力学粘度，1.08×10-5Pa·s。
将数学方程中所需煤层参数和步骤4)获得的等效渗透率输入数值软件，先输入冲孔后钻孔半径的三倍作为等效增透半径预设值，计算出模拟钻孔瓦斯流量，并将模拟的瓦斯流量与步骤3)实测的瓦斯流量进行比对。根据比对结果调整输入的等效增透半径的值，模拟流量随之改变，当模拟流量与实测流量相匹配时，确定等效增透半径。
6)利用等效渗透率和等效增透半径定量评价水力冲孔对煤层增透效果的影响，为水力冲孔强化瓦斯抽采参数设计提供数值参考。
Claims (3)
1.一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)从岩石巷道向煤层施工穿层钻孔穿透煤层，记录钻孔半径、见煤长度，并取样测出煤层瓦斯含量，然后封孔，在孔口安装压力表测定煤层原始瓦斯压力；
2)测压完成后打开阀门使钻孔内压力降至大气压，然后测出各个时刻钻孔瓦斯自然排放量，再利用径向流量法，通过相应的公式计算煤层初始渗透率；
3)对钻孔实施水力冲孔工程，记录冲孔后钻孔半径，冲孔结束后持续监测钻孔瓦斯流量两周以上，每天至少测量1次；
4)基于测量的钻孔瓦斯流量，利用径向流量法计算冲孔后的煤层渗透率，冲孔后的煤层渗透率随瓦斯测量时间的延长逐渐降低并趋于稳定，当计算结果的变化小于5％时判断为渗透率达到稳定，确定等效渗透率；
5)在数值仿真软件中建立煤层瓦斯运移模型，将煤层参数和步骤4)获得的煤层渗透率、等效渗透率输入数值仿真软件，先输入预设值作为等效增透半径，计算出模拟钻孔瓦斯流量，并将模拟的瓦斯流量与步骤3)实测的瓦斯流量进行比对；根据比对结果调整输入的等效增透半径值，使模拟瓦斯流量与实测瓦斯流量相匹配，确定等效增透半径；
上述煤层瓦斯运移模型包括煤层几何模型和双孔介质煤层瓦斯运移数学模型，其中双孔介质煤层瓦斯运移数学模型的计算公式如下：
式中：pm为孔隙瓦斯压力，MPa；t为时间，d；VM为气体摩尔体积，0.0224m3/mol；pf为裂隙瓦斯压力，MPa；VL为朗格缪尔体积，m3/kg；pL为朗格缪尔压力，MPa；τ为吸附时间，d；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为煤层温度，K；ρc为煤体视密度，kg/m3；φm为孔隙率，％；φf为煤体裂隙率，％；k为渗透率包括等效渗透率或煤层渗透率，mD；μ为甲烷动力学粘度，1.08×10-5Pa·s；
6)利用等效渗透率和等效增透半径定量评价水力冲孔的增透效果，为水力冲孔强化瓦斯抽采参数设计提供数值参考。
2.根据权利要求1所述的一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，其特征在于，步骤5)中，所述数值仿真软件选自COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件。
3.根据权利要求1所述的一种穿层钻孔水力冲孔增透效果定量评价方法，其特征在于，步骤5)中，所述预设值为冲孔后钻孔半径的三倍值。
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