我国煤储层低渗的特点决定了要开发煤层气需进行储层改造。水力压裂因其货源广、价格较便宜、施工便利、改造效果较好而成为目前主要的储层改造方式之一。以垂直井进行的水力压裂改造面积小,面效应作用小;采用水平井分段压裂技术,可以实现点-线-面-体的综合体积改造,压裂影响范围扩大,能大大提高裂缝导流能力。本论文通过煤层气开发理论、岩体力学、渗流等理论,对煤层气水平井分段压裂工艺参数进行优化。主要研究内容包括:(1)根据煤层气地质学理论,应用回归分析、构造曲率法得出研究区煤层气富集特征及渗透率展布规律以鹤壁六矿煤层气及煤矿勘探开发资料为基础,借助煤层气地质学、岩体力学、渗流等理论,系统分析研究区含气量的影响因素结果表明:矿区煤层含气量高的根本原因取决于煤的变质作用。煤层含气量在变质作用下决定于原始成煤的物质类型,也即是煤的岩石力学特征。采用回归分析方法得出含气量与煤层埋深的关系,得出了研究区含气量分布规律:从煤层瓦斯风化带下界到煤层埋深750m,煤层含气量变化梯度为3.42 m3/hm.t;煤层埋深750~1100 m,煤层含气量变化梯度则为1.42 m3/hm.t,即浅部煤层含气量增幅相对较大,深部煤层含气量增幅相对较小;通过分析低温氮吸附试验和压汞孔隙分析,鹤壁矿区煤储层的孔比表面积和总孔体积较大;压汞孔隙度较大,吸附孔在孔隙结构中占绝对优势,约占总孔隙量的78%;根据构造曲率法,对研究区渗透率进行了预测。鹤壁矿区煤体渗透率在0.03~0.05mD之间。井田煤层在形成后遭受后期构造破坏而使储层渗透性变差,渗透率普遍较低。本区二1煤的煤体结构在垂向上大体可分为三个分层:煤层上部发育有0.5~1.0 m的碎粒煤和糜棱煤,煤层中部主要发育有原生结构煤和碎裂煤,煤层下部发育0.5 m的碎粒煤,煤体结构在垂向上分布不稳定。鹤壁六矿煤体结构破坏较严重,整个区块以Ⅲ、Ⅳ类为主,在鹤壁六矿研究区块的西南部存在以Ⅱ类煤为主的局部区域。根据等温吸附测试实验,得出鹤壁六矿煤样中甲烷初期解吸速度高、衰减快、解吸充分、残存量少,煤样中80%的气体可解吸出来,吸附时间仅数小时。解吸时间短,可以预测产量很快达到高峰。(2)进行了不同煤体结构应力-应变-渗透率测试,得出不同煤体结构应力-应变-渗透率变化关系系统分析了水平井水力压裂裂缝延伸形态的影响因素,基于断裂力学理论,构建了压裂延伸数学模型,得出了不同条件下水平井分段水力压裂裂缝形态。结果表明:当被压裂层与上下岩层杨氏模量相差不大时,杨氏模量是控制裂缝纵向扩展的重要因素之一,当被压裂层小于上下岩层杨氏模量5倍以上,裂缝高度将有可能被限制于压裂层中,形成“t”型缝;地应力差值是压裂裂缝形成单一裂缝或多裂缝的主要控制因素,地应力差越大,裂缝沿着最大主应力方向延伸,不易形成多裂缝,地应力差越小,裂缝延伸方向具有随机性,在各个方向都有可能延伸,裂缝形态以径向网状扩展为主;合理增大施工规模,提高施工排量、砂比,也就意味着增加了压裂影响范围、裂缝长度以及导流能力,提高了压裂效果,有利于煤层气井实现稳产、高产。实验进行了不同煤体结构的应力-应变-渗透率测试,得出了不同煤体结构应力-应变-渗透率的关系。实验结果如下:Ⅰ类、Ⅱ类煤在加载过程中,渗透率同有效应力之间的关系主要表现为符合负指数方程;Ⅲ、iv类型煤在声发射峰值过后则主要表现为应变软化的特性,在轴向压力平缓的降低,而原煤则呈现应力跌落,轴向上的压力变化与井下煤与瓦斯突出的瞬时性和快速发生特性十分相似。对于Ⅰ类煤,其内部孔裂隙不发育、由于几乎没有受到大的构造运动的影响,其内部煤体结构相对完整,内部孔裂隙的连通性差。在压密阶段,煤岩整体变形主要以颗粒运移为主;在弹性变形阶段,煤岩整体变形以颗粒变形为主;在塑性变形阶段,煤岩整体变形主要是颗粒破坏为主;在峰值后破坏阶段,煤岩整体发生破坏。该阶段是煤岩整体发生宏观破裂,裂缝之间的孔裂隙相互贯通的过程,并且随着应力加载不断进行宏观裂缝逐渐变大。完全破坏以后,随着加载进一步进行,煤岩颗粒之间由于受到挤压,孔裂隙开始闭合,渗透性减小。对于Ⅱ类煤,由于受到构造作用的影响,其煤体内部孔裂隙发育,同时孔裂隙之间的连通性较好,孔裂隙规模整体较大。在压密阶段,煤岩变形以颗粒运移为主。在弹性变形阶段,由于颗粒运移趋于有序化、稳定化,运移难度逐渐加大。在塑性变形阶段,由于前期变形阶段积累了大量弹性能,随着弹性能量逐渐达到煤岩强度,发生颗粒破坏的区域越来越大,新生裂缝大量生成,渗透性逐渐增强;在峰值后破坏阶段,随着应力继续加载,当煤岩本身难以抵抗变形时,煤岩整体沿着破裂区域发生整体破坏,渗透性进一步增强。煤岩完全破坏以后,随着加载的进一步进行,由于压实作用影响,致使煤岩颗粒之间的孔裂隙闭合,渗透性开始减小。对于Ⅲ、iv类煤由于受到构造作用破坏比较强烈,煤岩变形过程中裂缝的起裂、延伸、扩展主要是以颗粒之间的裂缝演化为主。由于煤体颗粒比较破碎,在加载过程中由于应力分布的差异性,致使颗粒由应力大的区域向应力小的区域运移,随着颗粒运移,会形成新的裂缝,但是由于颗粒之间的连接性差,随着应力加载,颗粒运移以后,该区域的空缺会被其它区域颗粒快速充填,裂缝重新闭合。在水力压裂过程中随着流体的流入,挤压颗粒形成裂缝,但是随着流体的返排以后,裂缝又重新闭合,因此常规水力压裂对Ⅲ、iv类煤压裂改造效果不佳。(3)根据渗流理论和岩体力学理论,构建了压裂裂缝形态数学模型及产能预测模型,优化了射孔参数以及压裂液量、砂比等泵注参数。根据渗流理论和岩体力学理论,构建了压裂裂缝形态数学模型及产能预测模型,优化了射孔参数以及压裂液量、砂比等泵注参数。根据储层参数以及建立的产能预测模型对hb01-h1井组的产气量进行了预测,通过计算该区压裂有效影响半径为20.4m,有效解吸半径为15.5m,通过对各压裂段理论最大产气量进行计算,计算结果显示:第一段产气量为93.0万m3;第二段产气量为87.3万m3;第三段产气量为80.6万m3;第四段产气量为113.2万m3,第五段产气量为105.8万m3,累计总产气量为479.9万m3。根据排采有效解吸半径为15.5m,每段影响长度为31m左右,五段累计影响长度为155m左右,远小于煤层段长度(583m),说明u型井排采过程影响范围有限,压裂分五段进行,造成该区域的累计压力有效影响半径小于煤层段长度,最终累计有效解吸半径也较小。通过增加压裂段数,不仅使排采时压裂影响半径增加,而且有效解吸半径将增加,容易形成压裂段间的压力干扰,大大提高煤层气井的产气量。由于hb01-h1井的影响长度小于煤层段长度。在对hb02-h2井进行压裂设计时,选择压裂段为11段,根据储层参数以及建立的产能预测模型对hb02-h2井组的产气量进行了预测。并采用mayer数值模拟软件对压裂效果进行模拟,显示半缝长58.27m。通过对各压裂段理论最大产气量进行计算,计算结果显示:第一段产气量为93.01万m3;第二段产气量为87.31万m3;第三段产气量为80.61万m3;第四段产气量为113.21万m3,第五段产气量为105.76万m3,第六段产气量为97.42万m3;第七段产气量为91.69万m3;第八段产气量为92.74万m3;第九段产气量为95.90万m3,第十段产气量为85.32万m3,第十一段产气量为85.89万m3,累计总产气量为1028.86万m3。在hb01-h1井施工五段压裂的压裂效果与hb02-h2井施工十一段压裂的压裂效果对比分析,HB02-H2井产能预测累计产气量1028.86万m3,为HB01-H1井累计产气量479.9万m3的2.1倍;HB02-H2井实际最高日产气量3580 m3,为HB01-H1井最高日产气量1340 m3的2.6倍;压裂效果有了明显的改进。