应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展.pdf

第 45 卷第 7 期煤炭学报Vol. 45 No. 7 2020 年7 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly 2020 桑树勋,周效志,刘世奇,等. 应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展[J]. 煤炭学报,2020,45 72531-2543. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DZ20. 0754 SANG Shuxun,ZHOU Xiaozhi,LIU Shiqi,et al. Research advances in theory and technology of the stress release ap- plied extraction of coalbed methane from tectonically deed coals[J]. Journal of China Coal Society,2020,457 2531-2543. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DZ20. 0754 应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展 桑树勋1,2,周效志1,2,刘世奇3,4,王海文5,曹丽文1,2,刘会虎6,李自成7,朱术云1,2, 刘长江8,黄华州1,2,徐宏杰6,王 冉1,2,贾金龙9,ASHUTOSH Tripathy1,2,韩思杰1,2 1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116; 2. 中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏 徐州 221116; 3. 中国矿业大学 低碳能源研究院,江苏 徐州221008; 4. 中国矿业大学 江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室,江苏 徐州 221008; 5. 中国石油大学华东 石油工程学院,山东 青岛 266580; 6. 安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南 232001; 7. 武汉工程大学 电 气信息学院,湖北 武汉430205; 8. 中国石油大学华东 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580; 9. 武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖 北 武汉430074 摘 要构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择,构造煤储层与煤层气赋存特征决定 了疏水降压煤层气开发理论技术不再适合构造煤储层,应力释放原位煤层气开发理论技术是新 的技术方向,有望将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域,同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突 出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。 依托国家重大科研仪器研制项目,以应力释放构造 煤煤层气开发关键实验平台和工程装备原理机为基本定位,以开发理论创新、技术原理探索为先 导,以装置、装备及其工艺技术为研究核心,应力释放构造煤煤层气开发理论技术研究取得重要和 实质性进展。 探索构建了应力释放煤层气开发理论技术基础,阐明了水平井造洞穴应力释放构造 煤原位煤层气开发的工程原理。 水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完 成设计进入加工阶段,系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层 气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放构造煤煤层气开发煤储层渗透率变化规律。 研发形成了构 造煤储层大口径水平井双向往复式钻进多级扩孔复杂循环钻井液成井、水平井泵注喷射诱导 控制造洞穴应力释放与储层激励、气/ 水/ 高浓度煤粉混合物直井射流泵配套井底装置组合高效 举升、产出物地面高效重力分离回收水循环、煤层气应力释放开发装置装备数据采集和控制 系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术。 关键词构造煤;原位煤层气;应力释放开发;煤与瓦斯突出 中图分类号P618． 11 文献标志码A 文章编号0253-9993202007-2531-13 收稿日期2020-05-03 修回日期2020-05-18 责任编辑韩晋平 基金项目国家自然科学基金资助项目41727801 作者简介桑树勋1967,男,河北唐山人,教授,博士生导师,博士。 Tel0516-83592826,E-mailshxsang cumt． edu． cn Research advances in theory and technology of the stress release applied extraction of coalbed methane from tectonically deed coals SANG Shuxun1,2,ZHOU Xiaozhi1,2,LIU Shiqi3,4,WANG Haiwen5,CAO Liwen1,2,LIU Huihu6,LI Zicheng7, ZHU Shuyun1,2,LIU Changjiang8,HUANG Huazhou1,2,XU Hongjie6,WAMG Ran1,2,JIA Jinlong9, ASHUTOSH Tripathy1,2,HAN Sijie1,2 1. School of Mineral Resource and Geoscience,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir ation Process Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3. Low Carbon En- ergy Institute,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China; 4. Jiangsu Key Laboratory of Coal-based Greenhouse Gas Control and Uti- lization,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China; 5. School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum East Chi- 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 na,Qingdao 266580,China; 6. School of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 7. School of Electrical and Ination Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China; 8. School of Geosciences,China University of Petroleum East China,Qingdao 266580,China; 9. School of Resources in-situ coalbed methane;stress release applied extraction;coal and gas outburst 构造煤广泛发育和构造煤煤层气资源丰富是中国 煤与煤层气资源的显著特征,构造煤资源量占我国已发 现煤炭资源的比例很高,构造煤煤层气资源量占我国煤 层气资源总量的比例更大,构造煤具有富气、低渗、松软 等突出特征,多为煤与瓦斯突出煤层,因危害大且抽采 利用困难煤矿生产中多将其风排到大气中,构造煤煤层 气高效开发的能源、安全、生态意义十分突出[1-7]。 疏水降压解吸采气理论是当前原位煤层气地面 井开发的理论基础[8-10],其核心要义是通过地面井疏 水降低煤储层流体压力,储层压力低于临界解吸压力 时,煤层气发生大量解吸,游离气运移到井筒形成工 业气流。 由于构造煤储层渗透率极低且水力压裂等 改造方式效果很差,疏水降压解吸采气理论显然不适 合于构造煤储层,勘探开发实践也表明,基于疏水降 压解吸采气理论基础的煤层气勘探开发技术无法实 现构造煤煤层气的高效开发,包括 SRVStimulated Reservoir Volume,体积压裂技术系列直井压裂、U 形井、多分枝水平井、水平井压裂等、ECBMEn- hanced Coal Bed Methane Recovery,提高煤层气采收 率技术系列CO2-ECBM,N2-ECBM 等及其复合 技术[11-13],构造煤煤层气高效勘探开发技术与装备 也成为制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要 技术瓶颈之一。 煤矿区被保护层构造煤煤层气采动卸压增透开 发理论技术与工程实践为我们提供了启示[14-15],即 煤岩应力释放和体积膨胀不仅可以显著降低煤层流 体压力,同时大大改善煤层渗透性,煤层气大量解吸 和渗流到地面井井筒,从而实现煤矿区卸压煤层气地 面井高效开发,但也存在着覆岩变形造成井孔破断、 煤与煤层气生产衔接困难等制约性问题。 如何在采 2352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期桑树勋等应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展 动区以外更大范围原位区实现构造煤煤层气的应力 释放解吸采气 借鉴直井洞穴完井工程原理,同时考 虑到直井洞穴应力释放范围的局限性和工程效果不 佳的情况[16-17],在国家自然科学基金国家重大科研 仪器研制项目构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压 开发模拟试验系统20182022的资助下,拟另辟 蹊径,发展水平井造洞穴应力释放解吸采气理论,同 时创研基于该理论基础的构造煤原位煤层气高效勘 探开发技术。 1 构造煤储层发育与煤层气赋存特征 1． 1 构造煤储层发育特征 我国构造煤发育广泛,集中分布于构造变形强烈 地区例如南方贵州、云南、四川、湖南、江西晚二叠 世煤层、构造应力集中地区例如安徽、河南石炭二 叠纪煤层,东北辽宁、黑龙江早白垩世煤层和煤层 埋藏深度大的地区华北河北、山西石炭二叠纪,西 北新疆侏罗纪等埋深超过 800 m 的煤层图 1。 图 1 中国构造煤储层分布改自文献[18-20] Fig． 1 Distribution diagram of tectonically deed coal seams in China[18-20] 3352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 受成煤期沉积环境与后期构造演化的共同影响, 构造煤厚度变化大且快,普遍具有韧性变形破坏特 征,甚至发生煤层流变,典型煤体结构类型为碎粒煤、 片状煤和糜棱煤。 构造煤岩石力学强度极低,且割理裂隙系统往往 因煤层强烈变形变得不规则、不连通和压实紧闭[21], 导致原地应力条件下构造煤煤层渗透率极低,孔隙度 也较小[22-23]。 由于构造煤样品采集过程中经历了地 应力释放,因此实验室实测构造煤孔隙度、孔容和孔 比表面积较原生结构煤大很多,并不能很好的表征构 造煤储层原始状态下的物性特征及煤层气开采过程 中的储层动态变化。 1． 2 构造煤煤层气赋存特征 原位地应力条件下,构造煤孔隙度小、含水性差, 煤层气几乎全部以吸附状态赋存,且煤层具有高含气 量、高含气饱和度、高甲烷体积分数的含气特征。 构 造煤的朗格缪尔体积大、朗格缪尔压力小[24],地应力 和储层压力大,且较低的渗透率有利于煤层气保存, 故构造煤含气量普遍较高,且多数具有较强的煤与瓦 斯突出危险性[25];受含气量高的影响,构造煤含气饱 和度一般较高,多为近饱和含气或饱和含气煤层;构 造煤煤层气甲烷体积分数总体较高,基本都在 80 以上表 1。 从含气性差异来看,构造煤含气性时空 变化显著,在煤层小构造发育或急剧变厚的部位含气 量往往异常高。 在煤层气勘查开发过程中,受限于构 造煤卸压后快速解吸逸失特性和煤层含气量现场解 吸测试方法[26-27],构造煤含气性测试结果与真实值 存在较大偏差[28]。 表 1 中国重点构造煤发育矿区煤层含气性统计 Table 1 Statistics of gas content of the tectonically deed coal seams in key coal mining areas in China 重点 矿区 实测含气量/ m3t -1 含气饱 和度/ 兰氏体积/ m3t -1 兰氏压 力/ MPa 鹤岗2． 0 7． 153 9015． 3 26． 31． 1 1． 8 鸡西1． 6 8． 066 8916． 1 30． 71． 3 1． 7 淮南3． 4 10． 140 11810． 5 19． 40． 9 3． 3 淮北3． 6 7． 845 8211． 1 19． 51． 0 4． 0 平顶山4． 2 14． 160 9016． 2 38． 61． 2 3． 2 柳林4． 6 10． 098 11116． 0 23． 21． 1 2． 1 盘江6． 5 23． 569 16918． 1 27． 41． 8 3． 1 水城9． 6 25． 785 9215． 0 25． 32． 0 2． 6 阳泉2． 1 11． 132 8429． 5 37． 41． 3 1． 7 峰峰5． 3 11． 930 8018． 1 29． 52． 0 2． 3 焦作10． 1 13． 356 8331． 5 37． 82． 5 3． 0 韩城6． 5 7． 476 16315． 3 17． 20． 5 1． 3 鹤壁5． 7 7． 760 7828． 4 31． 20． 7 1． 6 2 应力释放煤层气开发理论技术基础 2． 1 应力释放煤层气开发 相对于疏水降压煤层气开发,应力释放煤层气开 发是完全不同的理论技术方向。 前者主要适应于原 生结构煤层或构造变形很弱的碎裂煤,煤储层原始渗 透率高,或适于采用水力压裂技术进行改造后煤储层 渗透率得到显著改善、煤层气排采效率显著提高;后 者主要适应于构造变形相对强烈的碎粒煤、片状煤、 糜棱煤等典型构造煤,煤储层松软低渗,从原理上就 不适于采用水力压裂技术进行改造。 应力释放煤层气开发是充分利用典型构造煤储 层松软低渗高应力和应力释放体积急剧膨胀特性,基 于煤储层应力释放煤体膨胀孔隙度和渗透率剧 增储层压力剧降煤层气快速解吸煤层气扩散 渗流煤层气井筒产出的原理,形成的煤层气开发理 论与相应技术方法图 2。 广义上,包括煤矿区卸压 煤层气应力释放开发采动区保护层开采应力释放 煤层气开发、采空区整体采场应力释放煤层气开发 和原位区钻井造洞穴应力释放煤层气开发两类,我们 这里关注的是后者。 2． 2 应力释放煤层气开发理论基础 2． 2． 1 煤体应力释放与膨胀 原生结构煤体由割理裂隙切割的煤基质块体构 成,煤基质块为多孔介质,整体上可视为连续介质岩 体[29]。 典型构造煤由原生结构煤体变形破坏形成 的、大小不等的近等轴状、片状颗粒压实而成,整体上 可视为非连续介质岩体松散岩体。 在原地应力条 件下,煤岩体积单位质量和视密度是构造煤压缩 系数煤岩体积反比,视密度正比或压缩模量与有 效地应力正比的函数式1,2,其中,压缩系 数或压缩模量是构造煤岩石力学特征参数,与煤体多 遭受的变形破坏程度、煤级和煤岩煤质有关;有效应 力取决于覆岩应力、构造应力与流体压力。 钻井造洞 穴可产生局部低骨架应力甚至为 0并诱导形成一 定范围的地应力释放区域,地应力和有效应力的显著 降低导致构造煤视密度减小和煤体膨胀。 a Δe Δp ρs Δp 1 ρm - 1 ρ′ m 或 a Δe Δp Vm- V′ m VsΔp 1 式中,a 为压缩系数,MPa -1 ;e 为孔隙比,即孔隙体积 与其构造煤固体颗粒体积之比,无量纲;Δe 为孔隙比 变化量;p 为有效地应力,MPa;Δp 为有效地应力变化 量;ρs为构造煤固体颗粒的密度,即构造煤的真密 度,kg/ m3;ρm为初始煤岩视密度,kg/ m3;ρ′ m为有效应 4352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期桑树勋等应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展 力改变后的煤岩视密度,kg/ m3;Vm为构造煤的初始 体积表观体积,m3;V′ m为有效应力改变后的构造煤 体积表观体积,m3;Vs为构造煤固体颗粒的体 积,m3;表示煤体压缩;-表示煤体膨胀。 图 2 煤层气应力释放开发产出原理示意 Fig． 2 Principle diagram of the stress release applied extraction of CBM Es Δp Δε 1 e0 a 2 式中,Es为压缩模量,MPa;Δε 为应变增量,无量纲; e0为构造煤初始孔隙比。 2． 2． 2 煤层孔隙度和渗透率变化 推测原地应力构造煤孔隙度较原生结构煤一般 要低,这与构造煤储层地应力集中和压实紧闭有关。 但不论声波时差测井或中子密度测井得到的近井筒 煤储层孔隙度[30-31],还是室内密度法测得应力释放 构造煤孔隙度,均较原生结构煤要高[32-33],主要受应 力释放构造煤膨胀和构造煤形成过程中力化学作用 新产生更多的介孔和小孔的影响,故应力释放后构造 煤孔隙度会急剧增大。 测井、试井或煤矿井下钻孔测 得的原地应力构造煤渗透率较原生结构煤一般低 2 3 个数量级,受限于松散样品条件实验室内几乎 无法得到有代表性的构造煤渗透率测试结果。 据煤 矿井下应力释放前后构造煤储层渗透率实测结果对 比,应力释放后构造煤储层渗透率可增加 2 000 多 倍[34-35]。 2． 2． 3 煤层气间接降压解吸 相对于煤储层疏水直接降压煤层气解吸原 理,应力释放是通过间接降压来实现煤层气解吸的, 即应力释放首先引起构造煤煤体膨胀和孔隙度急剧 增大,随后导致构造煤储层流体压力的显著降低,加 之构造煤扩散表面积和扩散系数大,具有高瓦斯放散 初速度,最终使煤层气发生快速大量解吸。 2． 2． 4 煤层气渗流产出 应力释放后,构造煤储层渗透率急剧增大,会产 生大量的煤变形颗粒间的连通孔隙,同时产生大量裂 隙,形成煤层气渗流到气井井筒的通道。 对于钻井造 洞穴应力释放,产生的裂隙多高角度与井壁相交、环 绕井孔呈不对称的放射状,远离井孔方向裂隙密度、 开合度变小[36]。 对于保护层开采或采空区应力释 放,在垂直裂隙带的煤层以垂直裂隙发育为主,而在 远距离的离层裂隙带,构造煤往往以水平裂隙或离层 裂隙发育为主[33-34]图 3。 2． 3 应力释放煤层气开发技术基础 2． 3． 1 煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采技术 的启示 在淮南矿区、淮北矿区、铁法矿区、晋城矿区、松 藻矿区、鸡西矿区等已成功应用煤矿采动区或采空 区应力释放煤层气地面井抽采技术进行了构造煤 卸压煤层气开发[34-35]。 煤层气单井产量纯甲烷可 以达到 20 000 m3/ d,产出气体甲烷体积分数可达 80,证实了构造煤煤层气应力释放抽采理论的有效 性和技术原理的可行性[30]。 其基本技术要点① 多 采用下保护层采煤应力释放开发上部被保护层煤层 气;② 采区范围合适位置提前施工地面煤层气井,井 位布设在应力释放长期稳定适度和覆岩变形适度的 位置;③ 一般采用表层套管、技术套管、生产筛管的 三开或二开井身;④ 井口安装负压泵或连接负压管 线抽采;⑤ 井筒中少量的水通过采动裂隙从煤矿井 下排出;⑥ 采煤工作面推进到一定位置,煤层气井开 始产气。 存在的突出问题井孔稳定性差;煤层气生 产周期短;产出煤层气甲烷体积分数相对较低;高产 稳产井成功率较低;适应性较差,开发效果受限于采 5352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 3 煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采原理 示意改自文献[34-35,37] Fig． 3 Principle diagram of the stress-relief CBM extraction by surface well in mining area[34-35,37] 煤工艺、工程条件和地层结构、煤层厚度、煤层间距等 地质条件。 2． 3． 2 直井裸眼洞穴完井技术的借鉴 直井裸眼洞穴完井技术是美国圣胡安盆地煤层 气开发采用的关键技术,适应于中煤级原生结构或变 形程度微弱的高渗煤储层,平均单井煤层气产量 为 28 000 m3/ d, 最 高 稳 定 产 气 量 达 48 000 m3/ d[38-39]。 其基本技术要点① 直井布设于原地应力 条件下的高渗煤层发育部位;② 一般采用表层套管、 技术套管、生产井段裸眼的三开井身;③ 在产层和产 层段进行扩孔造洞穴;④ 井中安装有杆泵等举升系 统和井口采气装置;⑤ 通过疏水降压实现解吸采气。 该技术基于疏水降压原理,仍属于疏水降压技术的一 种图 4。 这里扩径幅度非常有限,扩孔造洞穴的目 的还主要是加大裸眼井筒与煤储层的接触面积,从而 增加煤储层流体泄流面积和提高煤层气井产量。 在 我国的江西丰城和辽宁沈阳等构造煤发育地区,曾开 展过应用直井裸眼洞穴完井技术进行应力释放开发 构造煤煤层气的尝试,从扩孔造洞穴发展为掏煤粉诱 导构造煤产层井段塌孔造洞穴,获得了煤层气井一定 产气量,但由于应力释放范围小、煤粉举升困难等,煤 层气井产气效果不佳[40-41]。 尽管没有获得成功,但 仍然可以提供非常有价值的借鉴,即通过钻井造洞穴 可以实现原地应力构造煤储层局部应力释放。 图 4 裸眼洞穴完井技术示意 Fig． 4 Principle diagram of the openhole cavitation completion technology 2． 3． 3 水平井造洞穴应力释放构造煤煤层气开发技 术工程原理 煤矿采动区应力释放煤层气地面井抽采技术证 实了构造煤煤层气应力释放开发技术原理的可行性, 直井裸眼洞穴完井技术证实钻井造洞穴可以实现原 地应力构造煤储层一定范围内应力释放和传递,目前 最大的挑战是如何让钻井造洞穴应力释放范围更大 且施工过程可控 水平井造洞穴应力释放构造煤煤 层气开发技术成为当前必然选择图 5。 基本工程 原理是通过水平井扩孔和诱导控制塌孔造洞穴实现 原地应力构造煤煤储层大范围应力释放传递和原位 构造煤煤层气解吸产出,获得有商业价值的构造煤煤 层气井产量。 其基本技术要点① 合适的井位部署, 应力释放范围和煤层气开发效果与煤层厚度、倾角、 变形程度及煤体结构、地应力等地质条件有关;② 基 本井型为“U”形水平井直井对接井组,水平井主要 6352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期桑树勋等应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展 用来造穴强化构造煤储层,直井便于含高浓度煤粉流 体的产出和水的循环使用;③ 构造煤钻进扩孔钻具 与大口径成孔工艺;④ 水平井诱导控制造洞穴应力 释放与构造煤储层激励;⑤ 含高浓度大颗粒煤粉流 体的高效举升;⑥ 产出物的高效分离、回收与循环泵 注。 图 5 水平井造洞穴应力释放构造煤煤层气开发技术原理示意 Fig． 5 Principle diagram of development technology of TDC in-situ CBM recovery by horizontal well cavern completion and stress relief 3 应力释放构造煤煤层气开发理论研究进展 3． 1 煤层气应力释放开发模拟实验装置与实验 实验室研究和工程探索是构造煤煤层气应力释 放理论技术基本研究方法,先期启动的实验室研究是 降低工程探索风险的有效途径,同期实验研究可以为 工程现象和工程发现提供解释。 目前,构造煤煤层气 应力释放开发实验研究围绕 2 个主要目的展开其 一,构建煤层气应力释放开发理论模型,丰富发展煤 层气应力释放开发理论;其二,实验室尺度模拟论证 煤层气应力释放开发技术的可行性,研制煤层气应力 释放开发技术装备的原理机,其中研制煤层气应力释 放开发大型模拟实验装置是开展实验室研究的关键。 在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目 构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验 系统20182022的资助下,中国矿业大学等高校 正在联合开展关键实验平台和工程原理机的研制工 作,按计划正常推进实验系统设计与委托加工工作。 该实验系统由三轴应力下煤系地层结构重构与地层 条件模拟、构造煤水平井扩孔造洞穴完井模拟、水平 井诱导控制造洞穴构造煤储层激励与流体运移模拟、 直井气水煤粉混合物举升与产出模拟、地面产物分 离/ 回收与水循环模拟、信息与自动化控制模拟 6 个 模块构成。 利用该实验系统,可以开展构造煤煤层气 水平井造洞穴应力释放开发模拟实验。 目前,利用已 有实验装置或新研制验证装置,相关配套实验正在开 展,例如,煤系岩石相似材料实验、构造煤孔隙结构分 析、构造煤等温吸附与扩散实验、构造煤气体渗流实 验、构造煤岩石力学实验、构造煤密度与体积应变的 视电阻率反演等,确定了围岩相似材料制备方案。 已 被授权国家发明专利 1 项,被受理国家发明专利 5 项,被受理国际发明专利 4 项。 3． 2 应力释放构造煤煤层气开发的甲烷解吸扩散 构造煤煤层气解吸扩散特征采用 3 种实验测试 计算方法及其相关参数进行表征① 等温吸附实验 实测朗格缪尔曲线、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力;② 等温吸附实验数据计算得到的扩散系数;③ 实测瓦 斯放散初速度。 以淮南矿区中煤级煤为例,统计表 明构造煤朗格缪尔体积平均值为19． 21 cm3/ g,朗格 缪尔压力平均值为3． 31 MPa -1 ,分别是原生结构煤的 1． 65 倍,1． 20 倍[42-44],淮南矿区丁集矿构造煤扩散 系数为原生煤的 1． 50 倍[45]。 实测淮北矿区构造煤 的瓦 斯 放 散 初 速 度 ΔP 平 均 值 为 8． 53 mmHg 1． 134 kPa [46],是原生煤的 1． 51 倍。 构造煤储层应力释放-煤体膨胀-孔隙度及其变 化-储层压力及其变化孔隙气体浓度及其变化-煤 层气解吸-扩散的关系模型可以通过理论模型构建 和实验模拟确定。 一方面取决于上述构造煤固有的 煤层气解吸扩散特征[47-50];另一方面也与煤储层煤 级、煤体结构、煤岩煤质、含气量及地层条件温度、 地层压力、含水性、地应力等有关[48,51]。 已开展了 原生结构煤、碎粒煤型煤在不同围压条件下的解 吸过程对比实验,测定了气体解吸速率变化,查明了 构造煤应力释放开发过程中应力释放与吸附气解吸 之间的关系图 6。 围压加卸载条件下,煤柱中的气体解吸曲线呈 明显的分段性图 6a。 解吸前期解吸量快速上 升,解吸速率很高,随后解吸量的增长逐渐趋于平 缓,解吸速率普遍降低到 0． 01 mL/ gmin 图 6b。 其中相同围压条件下,构造煤的解吸速率 7352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 明显高于原生煤,低围压条件下样品的解吸量和解 吸速率均高于高围压条件图 6c。 高围压吸附 后再降低围压解吸会提高构造煤型煤解吸初期的 解吸速率和解吸量,但对原生煤的影响则具有一定 的滞后性,即解吸 5 min 后才开始增大解吸量和解 吸速率图 6d。 8,13 和 18 MPa型煤柱样分别在 8,13 和 18 MPa 围压条件下吸附 12 h 后解吸; 18-13,18-8 和 18-5 MPa样品在 18 MPa 围压下吸附 12 h 后再将围压分别降低到 13,8 和 5 MPa 解吸 图 6 应力释放与煤层气解吸关系 Fig． 6 Relationship between stress release and CBM desorption 3． 3 应力释放煤层气开发构造煤煤储层渗透率 目前,构造煤煤储层应力释放与煤储层渗透率变 化的关系模型可以通过 3 种方法获得[52-53]① 煤矿 井下钻孔地应力应力解除法或水力致裂法和渗透 率现场监测;② 实验模拟与室内监测;③ 工程数据 拟合、实验测试与数值模拟。 现场长期监测数据可靠 性最强。 据淮南矿区样品实验结果,随应力释放,构 造煤储层渗透率呈对数函数关系递增图 7a,原 地应力 18 MPa 条件下,应力释放 72． 20 时,构造煤 渗透率可增加 8． 11 倍图 7a。 渗透率剧增是构 造煤储层应力释放后产生连通孔隙和裂隙的结果,除 受应力释放幅度、速度等控制外,也与原地应力大小、 煤储层变形程度与力学性质、应力释放方式等有 关[53-55]。 上述实例中,构造煤储层渗透率的后期急 剧增高应该与离层裂隙开始发育有关。 实验结果显示,围压释放时构造煤的渗透性明显 高于原生煤,渗透率增幅也高于原生煤图 7b。 但在实际瓦斯抽采过程中,构造煤渗透率往往低于原 生煤。 这是由于实验过程选择的原生煤柱样为完整 的标准煤体,构造煤由于煤体破碎而使用压制型煤的 方式获得煤柱。 型煤的制作方式、时间、压制强度和 构造煤颗粒等因素均影响型煤的渗透率。 但在目前 构造煤标准煤柱制取工艺无法取得突破的情况下,采 用型煤对于反映构造煤的一些规律仍具有一定的价 值[56]。 应力降低会释放原生煤和构造煤的煤体弹性 能,导致煤体膨胀和离层裂隙的发育,进而提高储层 8352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 7 期桑树勋等应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展 渗透率[47],且相较于原生煤,构造煤渗透率对应力释 放的响应更加明显。 图 7 淮南煤样应力释放与渗透率关系 Fig． 7 Relationship between stress release and permeability of Huainan coal samples 4 应力释放构造煤煤层气开发技术研究进展 4． 1 构造煤储层大口径水平井成井 构造煤储层水平井钻进、扩孔、成井最大的技术 挑战是构造煤松软且高地应力,极易发生缩径、塌孔 等井壁失稳问题,导致水平井建造过程中出现卡钻、 埋钻等事故,或水平井建造完成后井孔变形无法下入 工具。 要解决的关键科学问题是构造煤储层水平井 建造钻柱力学与井孔稳定性控制机理。 主要技术路 径研制专用钻进和扩孔钻具;研发特有的钻井工艺。 目前利用自主研发的水平井双向往复式钻进与多级 扩孔钻具模拟装置和构造煤地质力学模型,实现了二 维围压条件下构造煤钻进与多级扩孔物理试验模 拟图 8;已完成了两套激发扩孔方式的专用钻具研 制,即“一种构造煤大口径成井双向往复式钻进三级 扩孔钻具”和“多级变径智能随钻扩眼工具”;研制了 DF-1 水基钻井液和 DF-2 油基钻井液两种暂堵成膜 钻井液;形成了以双向往复式钻进、多级扩孔与复杂 循环钻井液为关键的钻井工艺。 4． 2 构造煤储层水平井诱导控制造洞穴应力释放 构造煤储层水平井诱导控制造洞穴应力释放与 储层激励最大的技术挑战是诱导水平井塌孔,形成 应力释放高效传递,使应力释放扩展范围最大化;控 图 8 构造煤钻进与多级扩孔物理试验模拟实验平台 Fig． 8 Simulation experiment plat for physical experiment of tectonically deed coal drilling and multistage reaming 制塌孔速率和强度,不影响井下作业工具正常运行, 垮落的构造煤能及时排出。 要解决的关键科学问题 是水平井诱导造洞穴应力释放激励煤层应力应变与 多相流运移规律。 主要技术路径研制专用水平井诱 导造洞穴工具;研发泵注喷射诱导造洞穴工艺。 目 前利用自主研发的小型简易装置开展了诱导塌孔与 应力释放区扩展试验模拟;已完成了构造煤储层水平 井诱导控制造洞穴应力释放工艺设计和诱导造洞穴 设备工具初步选型。 4． 3 气/ 水/ 高浓度煤粉混合物高效举升 水平井诱导造洞穴垮落煤粉、储层应力释放后产 出煤层气为主的流体和泵入井中的水构成气/ 水/ 高 浓度煤粉多相混合物,这些混合物需要通过直井举 升,混合物直井举升的技术挑战是诱导造洞穴垮落 煤粉在井底聚集、颗粒大小不一、举升混合物中煤粉 浓度高,举升系统要无堵塞、抗磨损和长寿命。 要解 决的关键科学问题是直井气/ 水/ 高浓度煤粉多相混 合物举升技术与优化理论。 主要技术路径研制含高 浓度煤粉流体专用射流泵和配套井底煤粉扰动破碎 装置;研发高效的直井气/ 水/ 高浓度煤粉混合物扰动 破碎与举升组合工艺。 目前完成了工业生产尺寸的 喷射泵携煤粉举升试验平台设计、加工和安装,开展 了直井气/ 水/ 高浓度煤粉混合物举升模拟实验;已完 成了配套井底煤粉扰动破碎装置的设计方案,并开始 按设计加工。 4． 4 产出物地面高效分离回收与水循环泵注 直井产出物地面高效分离、回收与流体循环的最 大技术挑战是混合物分离效率要高,煤层气、煤粉回 收率要高,水能够得到快速处理与循环利用,设备运 行稳定可靠。 要解决的关键科学问题是直井气水高 浓度煤粉产出物三相流体高效重力分离机理。 主要 技术路径研制专用气水煤粉产出物高效分离、回收 和水循环利用设备;研发产出物地面高效分离回收与 9352 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 流体循环工艺。 目前基于气液固三相重力分离、气体 解吸与水循环处理原理,设计了气水煤粉产出物的三 相分离/ 回收与水循环生产利用系统 3 套,开展了液、 固两相分离的模拟实验,完成了设计方案优选,优化 了液、固两相分离工艺。 4． 5 应力释放构造煤煤层气开发模拟实验装置或装 备数据采集与控制系统 目前的研发工作主要针对大型实验模拟装置 运行中的物理参数测量、数据采集和集成控制,同 时积极探索装备的先进控制算法,为实验模拟装置 的安全可靠运行提供技术支撑。 完成了仪器控制 部分、数据采集部分的传感器、控制器硬件选型,系 统设计与软件开发平台选择及方案论证,开展了仪 器系统信息与自动化控制模拟子系统整体系统设 计与算法设计,搭建了数据采集与监控系统的实验 室模拟平台,实现对实验模拟装置中的应力应变、 温度、压力、流量等参数的实时测量、数据采集和可 视化监测,构建了基于滑模控制和广