裂缝内CO_(2)压裂液相态分布特征的数值模拟研究

CO_(2)干法压裂工艺利用纯液态CO_(2)进行携砂压裂施工,对储层进行改造,该技术已实现大量现场应用。但是,CO_(2)压裂液在裂缝内的相态分布尚未进行系统的研究。运用流体模拟软件,建立二维裂缝的物理模型,分析CO_(2)压裂液在造缝过程中的相态分布。研究结果表明,在造缝过程中,CO_(2)压裂液以液态CO_(2)和超临界CO_(2)两种相态存在,并且以超临界CO_(2)的分布为主;CO_(2)压裂液充满裂缝时,随着测点与井口距离的增加,CO_(2)温度先增加,然后趋于稳定;CO_(2)压裂液进入裂缝内,压裂施工完成20 min时,裂缝内CO_(2)的温度达到地层温度;地层温度越低,液态CO_(2)吸热越慢,达到超临界相态所需时间越长,超临界CO_(2)分布区距离缝口越远。

液态CO_(2)相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO_(2)相变爆破钻孔布置参数,研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,基于LS DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征,并在山西某矿15号煤层进行液态CO_(2)相变致裂现场试验。结果表明:液态CO_(2)单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大,两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通,当孔间距为5 m时,致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成,裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO_(2)相变致裂后,平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍,平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。

煤层液态CO_(2)相变致裂半径预测研究

预测致裂半径是确定液态CO_(2)相变致裂增透瓦斯抽采技术布孔间距的前提,直接影响瓦斯抽采效果。现有预测方法大多基于单因素。为掌握多因素对液态CO_(2)相变致裂半径的影响规律,有效预测布孔间距,采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,结合正交试验,开展了煤层液态CO_(2)相变致裂半径预测研究。数值模拟结果表明:影响液态CO_(2)相变致裂半径的因素主次顺序为地应力>瓦斯压力>煤体坚固性系数;致裂半径随地应力增大而减小,随瓦斯压力和煤体坚固性系数增大而增大,且呈线性关系。对数值模拟结果进行多元回归分析,建立了基于地应力、瓦斯压力及煤体坚固性系数3组不同因素耦合条件下的液态CO_(2)相变致裂半径预测模型。在煤矿现场进行工业性试验,基于预测模型计算结果设置抽采钻孔,采用压力指标法对瓦斯抽采效果进行测试分析,结果表明:液态CO_(2)相变致裂孔两侧观测孔的瓦斯压力随时间增加呈递减趋势,且抽采初期距致裂孔越远,则压力越大,与理论分析及数值模拟结果一致;液态CO_(2)相变有效致裂范围与预测结果基本相符;观测孔瓦斯抽采体积分数较自然抽采孔提高73.4%,瓦斯抽采效率显著提高。

基于SAPSO-BP的CO_(2)相变致裂效果预测及敏感度分析

液态CO_(2)相变致裂效果受很多因素影响,针对BP神经网络收敛速度慢且易陷入局部最优解的问题,为提高模型的预测精度和泛化能力,采用SAPSO算法优化BP神经网络的权值和阈值,并采用MATLAB软件编写构建了SAPSO-BP算法,基于仿真得到的35组数据,使用SAPSO-BP,PSO-BP,BP模型以及多元线性回归模型对致裂效果进行预测,其平均相对误差分别为2.73%、7.1%、14.6%、13.9%。平均绝对误差分别为0.068、0.169、0.239、0.314 m。表明:SAPSO-BP算法预测精度最高,提高了BP模型的预测精度,其精度满足工程实际需要。并采用Sobol指数法探究了相关影响因素对有效致裂半径的敏感度,表明:敏感度由高到低依次为地应力、弹性模量、瓦斯压力、泄放压力、致裂器间距、钻孔直径、抗拉强度,可为CO_(2)相变致裂的工程设计提供理论支持。

煤层液态CO_(2)相变致裂半径范围的影响因素研究

为提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害事故掌握不同因素对液态CO_(2)相变致裂半径范围的影响特征,以液态CO_(2)气爆能量释放的三硝基甲苯(TNT)当量转化为基础构建煤体爆破损伤演化模型;利用LS-DYNA软件模拟煤层物性参数(煤层地应力σ、煤体抗拉强度S_(t)、瓦斯压力P_(g))和孔径d对液态CO_(2)相变致裂半径L范围的影响;运用灰色关联分析理论,结合数值模拟结果分析爆破影响因素主次顺序。结果表明:液态CO_(2)相变致裂半径范围与瓦斯压力和钻孔孔径呈递增关系与煤层地应力呈递减关系;地应力对致裂半径范围的影响程度最强,钻孔孔径次之,瓦斯压力影响程度相对较弱,煤体抗拉强度变化对致裂半径范围的影响甚微。

CO_(2)气爆致裂半径影响因素数值模拟研究

为了提高CO_(2)相变致裂增透效果,明确不同因素对CO_(2)致裂半径的影响。本文计算了液态CO_(2)相变气爆能量的TNT当量转化并采用LS-DYNA软件模拟研究了不同地应力、瓦斯压力、致裂器泄放压力对致裂半径的影响,给出了各个影响因素与致裂半径的关系式。结果表明:随着地应力的增大,有效致裂半径逐渐降低;瓦斯压力的存在使煤体内裂隙呈膨胀张开状态,降低煤岩的有效压缩应力,使得煤层中的原始瓦斯压力对有效致裂半径的扩大有积极的正效应。泄放压力的增大提高了爆生气体射流的冲击速度,增大了气爆冲击波对周围煤岩体的径向压缩效能,增大了气爆应力波能量,3种因素联合作用使得气爆有效致裂半径随致裂器泄放压力的增大而增大。