[發明專利]基于真三向應力和滲透率動態變化的瓦斯鉆孔布置方法

有效

• 申請號: 202110057078.7
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112727534B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 蔣長寶;段敏克;魏文輝;李揚;張東明;楊陽;陳昱霏;王一帆;楊巍;李琳;楊博文;付銀蘭;汪波濤;孫奇
• 申請（專利權）人: 重慶大學;鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;E21F7/00;E21B49/00;E21B43/30
• 代理公司: 重慶天成卓越專利代理事務所(普通合伙) 50240
• 代理人: 譚小容

1.一種基于真三向應力和滲透率動態變化的瓦斯鉆孔布置方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：未擾動狀態煤巖滲透率各向異性測試；

1.1、實測獲得煤層賦存區域的地質資料，包括地應力狀態、煤層走向、傾向、傾角；

1.2、根據煤層分布切割大塊原煤，在實驗室對原煤塊體進行加工，沿垂直煤層層理方向，制備出試樣；

1.3、根據煤層傾角與實測地應力數值，進行應力變換，獲得層理正交方向的應力值：

式中：σ_v為實測垂直地應力；σ_h為實測最小水平地應力；σ_H為實測最大水平主應力；σ₁、σ₂、σ₃為變換后的三向應力；θ為煤層傾角；

1.4、未擾動應力狀態下試樣滲透率測試；

A)裝樣：將加工制備的試樣放置于真三軸氣固耦合試驗系統的壓力室內，在試樣上安裝高精度傳感器，連接好數據傳輸線，完成裝樣后將壓力室歸位；

B)應力狀態控制：根據實測原巖應力狀態，以經過應力變換后的應力值為賦值依據，通過計算機控制高精度伺服液壓系統，對試樣施加三向應力；

C)氣體吸附平衡：保持應力狀態，向試樣內通入瓦斯氣體，直至達到吸附平衡狀態時停止通氣；

D)通氣管道位置不變，通過旋轉調整試樣方向，重復B)、C)操作，實現沿試樣層理方向和垂直層理方向注氣；

E)未擾動狀態下滲透率測試：保持試樣三向應力恒定，僅改試樣層理和氣流方位關系，測試其初始滲透率，獲得并記錄試樣滲透率各向異性數據，以此模擬煤巖體由其自身結構異性引起的滲透率各向異性特征；

步驟2：擾動狀態煤巖滲透率各向異性測試；

步驟2.1、2.2、2.3及步驟2.4中A)、B)、C)、D)與步驟1.1、1.2、1.3及步驟1.4中A)、B)、C)、D)相同；

步驟2.4的E)、動態改變試樣三向應力狀態，進行擾動應力狀態下試樣滲透率測試；改變試樣層理和氣流方位關系，包括垂直和水平兩種方位關系，同時對試樣三個方向主應力進行適當的加卸載，測試其滲透率，獲得并記錄試樣滲透率各向異性數據，以此模擬煤巖體受外部應力擾動和自身結構異性共同作用下的滲透率各向異性特征；

步驟3：瓦斯抽采鉆孔布置的模擬優化；

3.1、在數值模擬軟件中建立煤巖體模型，在模型上設置瓦斯鉆孔，選擇合適的尺寸進行網格劃分；

3.2、對所建立模型設置符合實際的邊界條件，包括入口壓力、出口壓力、彈性模量、孔隙率、動力粘度；

3.3、分別以步驟1和步驟2中最終測得的滲透率各向異性數據為依據，導入基于層理效應的真三軸應力條件下動態各向異性滲透率模型中，并進行軟件計算，基于層理效應的真三軸應力條件下動態各向異性滲透率模型如下：

式中：為x、y、z方向的均一化滲透率；λ為層理結構引起的煤巖結構各向異性比；為煤體初始裂隙率；Δε_s為吸附體應變增量，％；Δε_i(i＝x,y,z)分別為煤巖體在外力影響下x、y、z方向的應變增量；分別為煤體在x、y、z方向的彈性模量折減比，E_i和分別為煤體和煤基質的楊氏模量，MPa；

3.4、提取模擬結果，通過數值模擬手段，獲得鉆孔瓦斯流量、有效抽采半徑、有效抽采時間、瓦斯涌出壓力變化曲線的相關數據；

3.5、模擬結果分析，根據結果適當修正鉆孔布置形式和參數，重新執行3.1—3.4操作步驟，直到確定理想條件下的鉆孔布置參數范圍；

步驟4、對比瓦斯抽采效果，指導鉆孔作業；

以數值模擬鉆孔布置參數為理論依據，結合現場地質工況，確定適用于不同現場實際條件的瓦斯鉆孔布置參數范圍，進行井下現場試驗，并對現場瓦斯抽采效果進行評估；

綜合數值模擬和現場鉆孔測試結果，分析瓦斯抽采效果的差異性及其原因，進而對數值模擬和現場施工方案反復優化，逐步確定最優化的鉆孔布置參數范圍，最終指導瓦斯鉆孔作業。

2.按照權利要求1所述的基于真三向應力和滲透率動態變化的瓦斯鉆孔布置方法，其特征在于：所述步驟3中的數值模擬軟件為Comsol Multiphysics。