亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        煤層底板多分支水平井滲透注漿擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬研究

        2023-11-05 05:49:04孫家應(yīng)石耀軍
        鉆探工程 2023年5期
        關(guān)鍵詞:分支飽和度滲透率

        程 萬,孫家應(yīng),張 毅,李 華,石耀軍

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074;2.安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì),安徽 淮南 232052;3.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院,安徽 合肥 230094)

        0 引言

        兩淮煤田在開采過程中受到了煤層下部奧陶系巖溶水害的威脅[1],煤礦突水、淹井事故時(shí)有發(fā)生,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。多分支水平井注漿堵水技術(shù)[2]是煤田深部水害治理的核心技術(shù)之一,該技術(shù)主要采用多分支水平井對(duì)煤層底板某一深度的含水層進(jìn)行注漿,分支井主要呈現(xiàn)水平展布,各分支按照一定的順序進(jìn)行鉆孔和注漿施工,在奧灰含水層和煤層之間形成一定厚度的隔水層。它主要封堵巖層中的裂隙、斷層、陷落柱等導(dǎo)水通道,從而避免采煤巷道、工作面突水致災(zāi)事故發(fā)生[3]。

        國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)滲透注漿技術(shù),從理論和試驗(yàn)兩方面開展了研究,主要是為了明確漿液擴(kuò)散范圍、注漿壓力、地層滲透率、注漿液量、注漿排量、漿液流變性之間的規(guī)律,形成了多個(gè)滲透注漿擴(kuò)散理論模型,包括球形擴(kuò)散模型[4]、柱形擴(kuò)散模型[5]、平行板擴(kuò)散模型[6-7]、圓管擴(kuò)散模型[8-9]、裂隙網(wǎng)格擴(kuò)散模型[2,10-11]等。這些理論模型大多適用于淺層砂礫土或具有足夠開度的裂縫性巖體,針對(duì)于深部多分支水平井注漿擴(kuò)散機(jī)理的研究仍有很多需要改進(jìn)的地方[12-16]。煤層底板多分支水平井注漿技術(shù)與傳統(tǒng)的注漿技術(shù)相比,還需要明確分支井水平段的間距、分支井距離煤層底板的深度。孟凡丁等[12]針對(duì)多分支水平井注漿,構(gòu)建了深埋和滲透率各向同性條件下的水泥漿液-孔隙水兩相流動(dòng)數(shù)值模型,并分析了滲透率、孔隙度、注漿壓力、水灰比等因素對(duì)注漿擴(kuò)散距離的影響規(guī)律[17]。然而,深部沉積巖的滲透率往往存在各向異性,垂向于層理面的滲透率一般遠(yuǎn)小于順層的滲透率,這使得漿液擴(kuò)散趨向于滲透率更大的方向[18-19]。考慮水泥漿液-孔隙水兩相滲透的漿液擴(kuò)散模型因計(jì)算公式復(fù)雜、參數(shù)多,在工程應(yīng)用時(shí)不便捷。因此,還需針對(duì)多分支水平井滲透注漿漿液-孔隙水兩相滲透行為,構(gòu)建簡化的擴(kuò)散半徑理論模型。

        鑒于此,本文針對(duì)多分支水平井滲透注漿工藝,考慮巖層滲透率各向異性和水泥漿液-孔隙水兩相滲流行為,構(gòu)建了滲透注漿擴(kuò)散數(shù)值模型和簡化的擴(kuò)散半徑理論模型,并針對(duì)兩淮煤田水害防治問題開展了數(shù)值模擬研究,為多分支井間距設(shè)計(jì)、埋深設(shè)計(jì)和注漿關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

        1 基本假設(shè)與模型構(gòu)建

        1.1 基本假設(shè)

        為了構(gòu)建滲透注漿兩相流數(shù)學(xué)模型,需要作出以下基本假設(shè):(1)裂縫、孔隙發(fā)育的底板灰?guī)r地層等效為各向異性孔隙介質(zhì),水泥漿液在底板灰?guī)r中的滲流為多孔介質(zhì)達(dá)西滲流;(2)水泥漿液和原孔隙水為兩種相態(tài)的流體介質(zhì),且都為均質(zhì)的不可壓縮的牛頓流體,忽略漿水相交界面水對(duì)漿液的稀釋作用;(3)底板灰?guī)r中原始裂隙為水飽和狀態(tài),水泥漿液注入后為兩相共存;(4)分支井眼長達(dá)數(shù)百米,故假設(shè)井眼軸線橫截面上水泥漿液滲流滿足二維徑向滲流,如圖1 所示。圖1 中pw為井眼內(nèi)的流體壓力,rw為井眼半徑,a為水泥漿液水平擴(kuò)散半徑,b為水泥漿液垂向擴(kuò)散半徑。由于水平方向一般為順層方向,且順層滲透率一般遠(yuǎn)高于垂直于層理面的滲透率,漿液擴(kuò)散區(qū)域呈現(xiàn)橢圓展布,則a為橢圓長軸,b為橢圓短軸。

        圖1 注漿井筒與漿液擴(kuò)散區(qū)域示意Fig.1 Sketch of grouting borehole and diffusion area

        1.2 數(shù)學(xué)模型

        1.2.1 數(shù)值模型

        水泥漿液在巖層中的運(yùn)動(dòng)過程實(shí)質(zhì)上是漿液驅(qū)替地下水并填充多孔介質(zhì)中裂縫、孔隙和斷層帶等導(dǎo)水通道的過程。孔隙水在底板灰?guī)r中流動(dòng)時(shí)的質(zhì)量守恒方程為:

        式中:Vwx、Vwy——x和y方向上孔隙中水相滲流速度,m/s;Vcx、Vcy——x和y方向上孔隙中水泥漿液滲流速度,m/s;ρc、ρw——孔隙中水泥漿液和水的密度,kg/m3;Sc、Sw——孔隙中水泥漿液和水的飽和度,無量綱;?——平均有效孔隙率,無量綱。

        在不可壓縮流體體積法中,漿水流體的混合密度會(huì)隨運(yùn)動(dòng)位置的變化而變化:

        混合液密度和粘度可為水泥漿液與孔隙水的加權(quán)平均:

        式中:μw——水的粘 度,Pa·s;μc——水 泥漿液 的粘度,Pa·s;ρ——混合液的密度,kg/m3;μ——混合液的粘度,Pa·s。

        根據(jù)廣義達(dá)西定律,流體滲流速度為:

        式中:kx、ky——巖體在x方向和與y方向的滲透率,m2。

        孔隙水和水泥漿液在底板灰?guī)r中流動(dòng)時(shí)速度為:

        孔隙水和水泥漿液兩相飽和度之和為1。初始條件:

        式中:p0——灰?guī)r地層原始孔隙壓力,Pa。

        邊界條件:

        式中:q——單位長度井眼上的注漿排量,m2/s;rw——井眼半徑,m;k——巖體等效滲透率,。

        1.2.2 簡化的理論模型

        在各向異性滲透率的地層注漿過程中,孔隙壓力等值線呈現(xiàn)近似橢圓形分布,橢圓長軸與較大的主滲透率方向重合。水泥漿液粘度遠(yuǎn)大于孔隙水粘度,注漿過程實(shí)際上可等同于高粘度流體驅(qū)替低粘度流體的物理過程。根據(jù)注漿區(qū)域全局范圍內(nèi)體積平衡,注漿擴(kuò)散區(qū)域滿足:

        式中:L——分支井眼水平長度,m;Qin——分支井眼累計(jì)注漿量,m3。

        注漿擴(kuò)散區(qū)域成橢圓形,其長軸短軸滿足:

        2 案例分析

        兩淮煤田某煤礦地層滲透率變化范圍為1×10-14~1×10-10m2,水平方向大致為順層方向,其水平滲透率是垂向滲透率10~1000 倍,孔隙率變化范圍為0.01~0.05??卓谧{壓力最高為9.6 MPa,井底注漿壓力最高約為15 MPa。煤層底板隔水層承受的水壓約6.2 MPa,底板隔水層厚度要求大于62 m。注漿層位到1 煤底板間巖層在注漿后可視為相對(duì)隔水層,1 煤下80 m 作為注漿目的層。漿液的水灰比變化范圍為1.2∶1~1.4∶1,模擬時(shí)長設(shè)為24 h。

        由于太灰含水層和奧灰頂板滲透率、孔隙率變化較大,且實(shí)際注漿過程中水灰比和注漿壓力也是一個(gè)范圍,故設(shè)定一系列參數(shù)進(jìn)行注漿數(shù)值模擬。在各向同性滲透率的情況下,注漿24 h 的擴(kuò)散半徑數(shù)值解和簡化的理論解如表1 所示,二者吻合良好。由公式(10)可知,水泥漿漿液擴(kuò)散范圍主要取決于注漿漿液量和地層的有效孔隙度。

        表1 各向同性地層注漿24 h 的擴(kuò)散半徑Table 1 Diffusion radius of grouting for 24-hours in isotropic formation

        根據(jù)表1 中第1 行的主要參數(shù)開展注漿漿液擴(kuò)散數(shù)值模擬,獲得了漿液和水飽和度如圖2 所示。在各向同性滲透率的情況下,水泥漿液擴(kuò)散區(qū)域呈現(xiàn)圓形分布。圖2(a)為各向同性滲透率條件下注漿24 h 井周地層孔隙水飽和度分布,深紅色區(qū)域的孔隙水飽和度為1,藍(lán)色區(qū)域孔隙水飽和度為0,過渡帶較窄。圖2(b)為各向同性滲透率條件下注漿24 h 井周地層孔隙中水泥漿飽和度分布,深紅色區(qū)域的水泥漿液飽和度為1,對(duì)應(yīng)的水泥漿液完全充填區(qū),漿液凝固后膠結(jié)緊密,將該區(qū)域的半徑視為數(shù)值模擬的擴(kuò)散半徑;圖2(b)深藍(lán)色區(qū)域表示水泥漿液飽和度為0,對(duì)應(yīng)裂隙二次發(fā)育水體充填區(qū)和原生裂隙區(qū);在深紅色與深藍(lán)色之間的區(qū)域,漿液飽和度介于0~

        圖2 各向同性地層注漿孔圍巖孔隙水和水泥漿液飽和度分布Fig.2 Saturation distribution of pore water and cement grouting around the borehole in the isotropic formation

        1 之間,對(duì)應(yīng)非完全充填的過渡區(qū)。

        圖3 為各向同性滲透率條件下的水泥漿液動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過程中,圍巖孔隙壓力、孔隙水飽和度和孔隙中水泥漿飽和度隨注漿時(shí)間的變化規(guī)律。隨著注漿時(shí)間的推進(jìn),水泥漿漿液驅(qū)替孔隙水沿著徑向方向運(yùn)動(dòng)。井周圍巖的漿液擴(kuò)散范圍逐步增大,而孔隙水飽和度逐漸降為零,水泥漿漿液與原孔隙水過渡界限明顯。如果巖層滲透率增加但孔隙率保持不變,則說明死孔隙減少而有效孔隙增多,有利于漿液的擴(kuò)散。對(duì)于相同巖性的地層,孔隙率和滲透率一般為同步增長和減少;而對(duì)于不同巖性地層,存在孔隙率相同而滲透率不同的情況。當(dāng)滲透率一定時(shí),介質(zhì)的孔隙率越大,則漿液擴(kuò)散半徑越小,如表1 所示,原因?yàn)閿U(kuò)散導(dǎo)致死孔隙的存在;當(dāng)孔隙率一定時(shí),介質(zhì)的滲透率越高,則漿液的擴(kuò)散越快。

        圖3 注漿過程中孔隙壓力和飽和度隨注漿時(shí)間的變化規(guī)律(表1 中第1 行案例)Fig.3 Change law of pore pressure and pore water saturation with time in the process of cement grouting

        對(duì)比分析表1,可以發(fā)現(xiàn)注漿壓力越大,漿液擴(kuò)散速度越快;對(duì)于低滲透地層,可通過提高注漿壓力來驅(qū)使水泥漿漿液擴(kuò)散更遠(yuǎn)。漿液的水灰比越高,則漿液的粘度則越小,漿液擴(kuò)散阻力越小,則漿液擴(kuò)散速度越快,但是水泥漿漿液與原孔隙水過渡帶越寬。在保證漿液能夠有效封固地層的前提下,適當(dāng)提高水灰比可以提高注漿效率。

        在各向異性滲透率的情況下,注漿24 h 的漿液水平擴(kuò)散半徑數(shù)值解和簡化的理論解如表2 所示,二者吻合良好,表明簡化的理論模型可靠性較高。

        表2 各向異性注漿24 h 的擴(kuò)散半徑Table 2 Diffusion radius after 24-hour grouting in anisotropic formation

        在各向異性滲透率的地層中注漿,水泥漿液擴(kuò)散區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形分布,水泥漿液和原孔隙水飽和度分布如圖4 所示。橢圓長軸與較大的水平滲透率方向重合,橢圓短軸則垂直于層理面。水平方向滲透率與垂向滲透率比值越高,漿液水平擴(kuò)散距離越遠(yuǎn);擴(kuò)散區(qū)域橢圓長軸可定義為水泥漿液在水平方向上的擴(kuò)散半徑,短軸可定義為水泥漿液在垂向的擴(kuò)散半徑。在水泥漿液飽和度超過90%的區(qū)域,水泥漿液凝固后具有很好的密封性,能夠起到防治灰?guī)r水害的目的,分支井水平段的間距可設(shè)計(jì)為不大于漿液水平擴(kuò)散半徑的2 倍。為了防治煤礦巷道和工作面冒漿等不良現(xiàn)象,分支井水平段距離目標(biāo)煤層底板垂向距離建議不小于漿液垂向擴(kuò)散半徑。

        圖4 各向異性地層注漿時(shí)飽和度分布Fig.4 Saturation distribution around the borehole when grouting in anisotropic formation

        3 結(jié)論

        (1)本文針對(duì)多分支水平井滲透注漿工藝,考慮巖層滲透率各向異性和漿液、孔隙水兩相滲流行為,構(gòu)建了多分支水平井滲透注漿擴(kuò)散范圍的數(shù)值模型和簡化的理論模型。在各向異性滲透率的地層中注漿時(shí),在垂直于井眼軸線的截面上,水泥漿液擴(kuò)散區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形分布。

        (2)分支井間距的確定應(yīng)依據(jù)該地區(qū)地層條件下注漿漿液的擴(kuò)散范圍,分支井水平段的間距可設(shè)計(jì)為不大于漿液水平擴(kuò)散半徑的2 倍。為了防止巷道和工作面冒漿,分支井水平段距離目標(biāo)煤層底板垂向距離建議不小于漿液垂向擴(kuò)散半徑。

        (3)在保證漿液凝固后能夠有效封固地層的前提下,適當(dāng)提高水灰比可以提高注漿效率。

        猜你喜歡
        分支飽和度滲透率
        糖臬之吻
        巧分支與枝
        中煤階煤層氣井排采階段劃分及滲透率變化
        不同滲透率巖芯孔徑分布與可動(dòng)流體研究
        一類擬齊次多項(xiàng)式中心的極限環(huán)分支
        SAGD井微壓裂儲(chǔ)層滲透率變化規(guī)律研究
        高滲透率風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)失步振蕩的影響
        制作一個(gè)泥土飽和度測(cè)試儀
        巧用有機(jī)物的不飽和度
        柔情粉色
        優(yōu)雅(2014年4期)2014-04-18 10:18:25
        婷婷丁香开心五月综合| JIZZJIZZ国产| 中文字幕亚洲乱亚洲乱妇| 国产成人av三级在线观看韩国| 婷婷综合另类小说色区| 日韩内射美女人妻一区二区三区| 国产日韩欧美911在线观看| 国产三级视频在线观看国产| 日日噜噜夜夜狠狠久久丁香五月| 黑人巨大av在线播放无码| 伊香蕉大综综综合久久| 国产精品女同二区五区九区 | 日本一区二区三区小视频| 国产婷婷成人久久av免费| 好男人社区影院www| 婷婷四房播播| 国产三级自拍视频在线| 国产一区二区精品亚洲| 亚洲国色天香卡2卡3卡4| 亚洲另类欧美综合久久图片区| 日本一区二区日韩在线| 国产av无码专区亚洲av果冻传媒| 在线观看免费人成视频色9| 国产精品三级在线专区1| 成人国产av精品麻豆网址| 99久久久无码国产精品秋霞网| 波多野结衣aⅴ在线| 日本一级淫片免费啪啪| 亚洲av日韩一区二区| 国产sm调教视频在线观看| 亚洲成在人网av天堂| 精品成人av人一区二区三区| 国产综合久久久久久鬼色| 在线观看av中文字幕不卡| 国产美女高潮流的白浆久久| 精品亚洲成av人在线观看| 制服丝袜人妻中文字幕在线| 亚洲国产精品久久久久婷婷软件| 国产一区二区三区视频在线观看| 久久www免费人成—看片| 欧美日本道免费二区三区|