煤層增滲是促進瓦斯 (煤層氣 )高效抽采的重要措施，《低滲煤層井下水力化增滲理論與技術》針對松軟低滲透性煤層瓦斯抽采的難題，采用理論計算、數(shù)值模擬相結合的方法，闡明了非均勻應力場穿層鉆孔三維旋轉水射流擴孔及“點”式定向壓裂的增透力學機制；運用流體力學、巖體力學、彈性力學、機械工程等多學科交叉理論，揭示了淹沒條件下旋轉水射流噴嘴的流場特性，優(yōu)化了噴嘴結構參數(shù)；提出了三維旋轉水射流擴孔技術、“點”式定向壓裂技術、水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術，并開展了相關的工程實踐工作。
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目錄
前言
第1章煤層增滲技術國內外研究現(xiàn)狀1
1.1煤巖體結構特征及瓦斯流動理論研究現(xiàn)狀3
1.1.1煤巖體結構與孔隙、裂隙發(fā)育3
1.1.2煤層瓦斯流動理論4
1.1.3煤層瓦斯?jié)B透率及其與應力-應變的關系6
1.2低透氣性煤層強化抽采技術研究現(xiàn)狀6
1.3水力化煤層增滲技術的研究現(xiàn)狀9
1.3.1水力化儲層增滲技術在石油、天然氣等行業(yè)的研究現(xiàn)狀10
1.3.2煤層增滲與油層增滲的關系15
1.3.3水力化煤層增滲技術在國內的研究進展16
第2章含瓦斯煤體的結構與滲流性能20
2.1煤體結構20
2.1.1非破壞煤的結構21
2.1.2破壞煤的結構21
2.2煤的裂隙21
2.3煤的孔隙22
2.4煤層瓦斯的運移23
2.4.1瓦斯的吸附-解吸過程24
2.4.2擴散過程26
2.4.3達西流26
2.4.4煤的吸附瓦斯變形特性26
2.5煤體的滲透性27
2.5.1煤層滲透性的表征27
2.5.2煤層滲透率隨應力-應變的演化特征28
第3章旋轉射流理論及其破煤巖機理31
3.1淹沒自由旋轉射流的基本理論31
3.1.1旋轉射流的產生和旋流數(shù)32
3.1.2旋轉射流的速度場和壓力場32
3.1.3旋轉射流的理論近似35
3.2鉆孔內淹沒自由旋轉射流速度理論解35
3.2.1旋轉射流在鉆孔內的流動條件假設35
3.2.2微分控制方程36
3.2.3動量通量和角動量矩通量方程37
3.2.4鉆孔中射流速度求解自相似運動的積分形式表述38
3.2.5射流邊界的確定42
3.3受限淹沒條件下旋轉射流的速度結構特點42
3.3.1三維時均速度分布規(guī)律42
3.3.2時均速度的自相似性質48
3.3.3旋轉射流動力學運動特點52
3.4高壓旋轉水射流破巖過程55
3.4.1旋轉水射流破巖特點55
3.4.2旋轉水射流孔底流場分布56
3.5高壓旋轉水射流破巖機理58
3.6旋轉水射流破巖效果的影響因素61
3.7三維高壓旋轉水射流擴孔煤層增滲力學機制63
3.7.1水射流擴孔后鉆孔的空間幾何形態(tài)63
3.7.2煤層段擴孔后塑性區(qū)分布的理論計算63
3.7.3穿層鉆孔煤層段擴孔后塑性區(qū)的FLAC3D數(shù)值分析67
3.8高壓旋轉水射流割縫煤層增滲機理70
第4章三維旋轉水射流流場的數(shù)值模擬72
4.1高壓旋轉水射流噴嘴的設計72
4.1.1噴嘴結構設計72
4.1.2旋流強度設計73
4.1.3葉輪結構設計75
4.2模擬軟件PERAANSYS簡介77
4.3模型的建立79
4.3.1葉輪導向角優(yōu)化模擬方案79
4.3.2噴頭結構優(yōu)化模擬方案79
4.4控制方程及邊界條件81
4.4.1淹沒射流方程81
4.4.2非淹沒射流方程82
4.4.3計算條件設置83
4.4.4三維旋轉水射流流速分布特征84
4.5數(shù)值模擬結果分析92
4.6旋轉水射流噴嘴性能的實驗室測試95
4.6.1實驗室水射流試驗系統(tǒng)95
4.6.2制備試驗樣品97
4.6.3試驗方案98
4.6.4試驗結果分析98
第5章“點”式定向水力壓裂增滲機理與工藝101
5.1“點”式定向水力壓裂技術的基本原理101
5.1.1不同破壞煤體的起裂條件101
5.1.2不同埋深煤層裂紋擴展方向106
5.1.3煤層原生裂隙對裂紋擴展的影響107
5.1.4煤巖界面的裂紋擴展特征108
5.1.5控制孔的“松動圈”效應109
5.1.6非對稱孔隙壓力的導向作用111
5.1.7“點”式定向水力壓裂的過程112
5.2“點”式定向水力壓裂數(shù)值模擬114
5.2.1流–固耦合模型并行有限元分析系統(tǒng)簡介115
5.2.2順層鉆孔“點”式定向水力壓裂的RFPA3D-Flow模擬117
5.2.3穿層鉆孔“點”式定向水力壓裂的三維并行模擬研究121
5.3“點”式定向水力壓裂現(xiàn)場工藝125
5.3.1“點”式定向水力壓裂的工程意義125
5.3.2順層鉆孔“點”式定向水力壓裂工藝126
5.3.3穿層鉆孔“點”式定向水力壓裂工藝128
5.3.4“點”式定向水力壓裂的選層133
5.3.5注入水壓的預測與設計133
5.3.6其他參數(shù)設計134
5.3.7封孔方法135
5.3.8“點”式定向水力壓裂典型曲線136
5.4“點”式定向水力壓裂裝備137
5.4.1封孔器137
5.4.2移動式高壓泵站141
第6章水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲機理142
6.1小直徑穿層鉆孔水力壓裂的理論分析142
6.1.1小直徑鉆孔水力壓裂裂隙的起裂與擴展143
6.1.2小直徑鉆孔水力壓裂裂隙擴展的影響因素146
6.2水射流擴孔后定向壓裂裂隙的起裂機理150
6.2.1水射流擴孔對水力壓裂裂隙擴展的影響151
6.2.2水射流擴孔后控制孔的定向導控作用機理152
6.3三維旋轉水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲數(shù)值分析155
6.3.1模擬軟件簡介155
6.3.2物理模型157
6.3.3數(shù)值分析方案157
6.3.4數(shù)值模擬結果分析158
第7章三維旋轉水射流擴孔(割縫)裝備研制及地面聯(lián)機試驗187
7.1煤礦現(xiàn)場用噴嘴的設計原理187
7.2組合高壓旋轉水射流噴頭及噴嘴189
7.3螺旋輔助排渣高壓鉆桿191
7.4回轉式高壓旋轉接頭193
7.5高壓水泵及配套裝置195
7.6井下高壓水射流作業(yè)遠程監(jiān)測與控制系統(tǒng)199
7.7井下高壓旋轉水射流擴孔(割縫)系統(tǒng)200
7.7.1井下高壓旋轉水射流擴孔(割縫)系統(tǒng)的組成200
7.7.2系統(tǒng)研制期間取得的專利200
7.7.3井下移動高壓水力泵站系統(tǒng)樣機地面聯(lián)機調試200
第8章三維旋轉水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲技術在瓦斯抽采中的應用203
8.1三維旋轉水射流與水力壓裂聯(lián)作增滲工藝203
8.2三維旋轉水射流擴孔與水力壓裂聯(lián)作增滲工藝流程204
8.3增滲效果考察方法206
8.4不同增滲技術在煤礦瓦斯抽采中的應用207
8.4.1三維旋轉水射流擴孔技術的現(xiàn)場應用207
8.4.2控制孔導控定向水力壓裂技術的現(xiàn)場應用211
8.4.3水射流擴孔與周邊孔壓裂聯(lián)作增滲技術的現(xiàn)場應用215
8.4.4控制孔導控下水射流擴中心孔后定向水力壓裂技術的現(xiàn)場應用217
參考文獻227
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