低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 0 1 年1 0月 煤 炭 学 报 J OU1 L NALOFCHI NA C OAL S OCI E Y Vd． 2 6 N0 5 Oc t 2 0 0 1 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 1 0 5 0 4 5 5 0 4 低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究 赵阳 升 ， 杨 栋 ， 胡耀 青 。 ， 段 康廉 ， 冯增 朝 ， 赵 岚 1 中国矿业大学 能源科学与工程学院，江苏 棘州2 2 1 0 0 8 1 2 ． 太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要概括地介绍了通过实验揭示的三维应力作用下，煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律． 据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素． 基于实验、理论与数值分析，论逮了 水力压裂技术在改造低渗透煤层中的局限性，其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的 裂缝 ，而且在压裂裂缝周围还会产生应力集中区，谊区事实上成为煤层 气开采的屏障区；本蝶储 层割缝，使煤层卸压的同时，还产生大量裂缝，是改造低渗透蝶储层的最有利的技术方向．并研 究了有效的割缝高度． 关键词煤层气开采；低渗透储层；水力压裂；卸压开采；有效技术途径 中图分类号 P 6 1 8 ． 1 1 文献标识码 A 我国有 3 0 --3 5 万亿方煤层气储量，但由于我国普遍属于低渗透煤储层，致使煤层气开采难以实施， 效果甚差研究表明我国煤层渗透率一般在 0 ． 1 ～0 ． 0 0 1 1 0 0 m 2 范围 J ，国内渗透率最大的抚顺 煤 田也仅为 0 ． 5 4 N3 ． 8 1 0 b u -2 n_ 2 ．其渗透性比美国低 2 ～3个数量级 ，按美国地面煤层气开发标准． 认为煤层渗透率在 3 ～4 1 0 q,u m 2 最佳， 但不能低于 1 1 0 一b t r lfl 2 ． 几十年来，为解决煤矿安全问题，国内针对低渗透煤层井下煤层气 瓦斯抽放曾研究实施过相当多 的技术方案． 例如大直径密集钻孔开采，直径 1 5 0 --2 0 0 m i ll ，孔间距 1 ． 5 --3 ． 0 m；水力冲孔、扩孔技 术；水力压裂加支撑剂技术；超长钻孔支撑压力裂隙带开采，水力割缝等l2 J ． 可以说几乎穷尽了可以想 到的技术方案， 但收效甚微， 至今未能形成有效的低渗透煤储层井下煤层气 瓦斯抽放技术． 针对低渗透煤储层开采煤层气问题，世界其它国家也无能为力．1 9 8 0年，美国在开发圣胡安、黑勇 士两个煤层气田时， 也采用压裂技术完井，取得了一定的效果． 但是，在许多储量非常好的煤层，例如依 州 6 号煤层、哈山煤层、西弗吉尼亚州的波卡洪达司 3 号煤层、桃山的无烟煤层等，就没有效果【4 ． 近年 来，国内外公司，曾先后在我国施工 1 5 0 多12 1 煤层气井， 部分也采用水力压裂技术完井，但收效甚微 1 三维地层压力是导致煤储层渗透性降低的主要因素 1 ． 1 煤储层煤层气赋存方式 煤层气以游离与吸附两种方式赋存于煤体中，而吸附煤层气约占9 0 ％以上，这就导致煤储层煤层气 开采时，其运移路径为微孔隙裂隙表面吸附煤层气的解吸和扩散，转变为游离煤层气，赋存于较大的孔 隙裂隙之中，进而游离煤层气渗流进入采掘自由空问． 但煤层气吸附与解吸是互为条件转化的，当游离煤 层气压强低于吸附煤层气压强时．吸附煤层气较快地转变为游离煤层气，反之亦然从这种意义下讲．降 低游离煤层气压强是煤层气开采的必要条件 ．因此 ，设法通过提高煤层渗透性 ， 疏通渗流通道 ， 使游离煤层 气排出． 是煤层气开采 的关键步骤⋯ 1． 1 ． 2 三维应力作用下煤体基质岩块渗流韧性规律 系统地研究了煤体基质岩块的气体渗流规律．揭示出三维应力和孔隙压对吸附气体在煤体基质岩块中 收穑 日期 2 0 0 1 0 5 1 7 基金珥目国家杰出青年科学基金 5 9 6 2 5 4 0 9 ；山西省自然科学基鱼重点资助项目 9 8 0 7 5 维普资讯 维普资讯 第 5期 赵 阳升等 低渗透煤储层煤层 气开采有效技 术途径的研 究 2㈣ l 6 0 0 1删 乓 8 0 0 4 0 0 0 z， 0 圈 3 埋深 5 0 0m．压裂压力为 1 2 5 MP a 十2 ． 5 a 时 裂缝周围的体积应力分布 F i g 3 Th e v o l u me t ric s t r e s s d i s t ilb u t i o n a r o u n d c T a c k，wh e n f r a c t u r i n g p r e s s u r e is 1 2． 5 MP a2』 ． in t h e 5 0 0 m d e p t h 有效途径，是使煤层卸压．在长期 的煤矿开采 2 实践中，国内外都在自觉的或不自觉的采用卸 压原理，防止煤与瓦斯突出和提高煤层气 瓦 斯 抽放率．例如开采解放层技 术，就是通过目 邻近煤层的开采，形成采空区， 切断上覆岩层 应力传递的路径 ．而使煤层卸压 ；本煤层水力 冲孔、水力割缝技术 ，也曾进行过试验 ，并取 8 7 5 8 1 3 5 7 J B 3 8 2 3 1 9 图 4 埋深 5 0 0m，压裂压力为 1 2 ． 5MP a 2 ． 5 a 时 ． 裂缝周围的渗透系数分布 Fig 4 Th e p e r me a b i l i t y d i s t r i b u t i o n a r o u n d c r a c k，wh e n f rac t u r i n g p r a s s r ei s1 2． 5MV a2 5 ， i nt h e 5 O Om d e p t h 0 5 1 0 1 5 裂齄程度／ 白 n 5 0 0 图6 不同埋藏深度下，煤层完全卸 压的有效割缝高度 ．6 Th e e f f e c t iv e h i g h n o f c r a c k c u t f o r u n l o a d i n g i n d i f f e r e n t d e p t h 1 ～2 埋藏深度为 5 0 0． 1 0 0 0 m 1 8 7 5 ～0 ． 2 2 5 0 1 1 2 5 ～0 1 卯 0 0 3 7 5 ～0 0 0 ，盯n b 圈 5 埋 藏深度 5 0 0 m情况下 ，割缝 导致的 煤层渗透系数和煤层体积应力的变化 Fig 5 Th e F e r me a b i l i t y c o e f fi c i e n t a n d v o k w n e t fi c s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f c r a c k c u t i n t h e 5 0 0 m d e p t h a 渗透系数变化； b 体积应力变化 0 5 0． 舯 0 ∞0 3 5 0 0 由图 5可见 ，在割缝 的上、下方 ，有 8 m厚度的煤层 应力降低 5 0 ％以上，大约有 5 m厚的煤层应力降低8 0 ％以 上；大约有7 n l 厚的煤层，渗透系数提高5 倍以上而对应 的割缝平均宽度仅为 4 c m 图 6 ．由此可见 ，对 5 0 0 m埋 藏深度的煤层，只要切割一条高度为4 c m的裂缝，即可以 使煤层完全卸压，取得大幅度提高低渗透储层煤层气开采 率的良好效果 ． 咖 ㈨ 枷 鲫 。 2 l 卜 Ⅲ 聊 掰 一 饕 } 目 8 艘 3 0 卜 卜 卜 珊 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 1 年 第2 6 卷 4 结 语 三维地应力场对煤体基质岩块孔隙裂隙气体渗流、 煤体裂缝渗流具有显著影响．水力压裂技术改造低 渗透煤层的作用是十分有限的，甚至在大多数情况下，是没有效果的． 这一结论从深刻的固流耦合作用机 理角度已得到论证． 卸压是改造低渗透煤储层，大幅度提高煤层气开采率的最有效技术途径，本煤储层割 缝是改造低渗透煤储层最为有利的技术方向 参考文献 周世宁瓦斯在煤层中的流动机理 [ J ] 煤炭学报，1 9 9 0 ，1 5 1 1 5 -2 4 ． 陈锐． 提高突出煤层预抽瓦斯效果的途径 - J ] ．煤矿安全，1 9 9 0 1 2 5 1 ～5 8 ． 期南媒研所 ，渤南红卫煤矿． 高压水力割缝防止煤与瓦斯突出 【 J 煤矿安全，1 9 8 6 5 4 ～1 0 ． 俞申翰译．美国瓦斯研究总结 [ J ] 煤矿安全，1 9 9 0 4 4 2 ～6 0 赵阳升， 胡耀青，魏锦平，等气体吸附作用对岩石渗流规律影响的实验研究 [ J ．岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ，1 8 6 6 5 1 ～6 5 3 赵阳升， 杨栋， 郏少河，等．三维应力作用下岩石裂缝水渗流物性规律的实验研究 [ J ] 中国科学 E辑 ，1 9 9 9 ，2 9 1 8 2 8 6 ． Z h a oY a r h e n g ， HuY a rnin g ，Y a n g呱． A n e x p e r a n e n t l r e s e a r c ho nt h e s e e p e g el a w o f t w o p h a s et l u i d o f g a s l i q u i d i n r o c kl r a c t u r e[ AJ ． 9 t hI n t ． C o n g r o f r o c kme c h a n i c [ C ] ．p a r i s ． 1 9 9 9 8 0 5 -8 0 7 ． 赵宝虎， 赵阳升， 杨栋．岩体三维应力控制压裂实验研究 J ] 岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ，1 8 增刊 1 3 1 7 ～ 1 31 8 作者简介 赵孵升 1 9 5 5 一 ，男，山西太原人，教授，博士生导师，1 9 9 2年于同济大学获结构工程博士学位 ，一直从事采矿工 程和工程力学方面的教学与科研工作 ，先后在国内外学术期刊发表论文 9 } 多篇，出版 矿山岩石流体力学等著作 2 部． S t u d y O i l t h e e f f e c t i v e t e c h n o l o g y wa y f o r mi n j l l g me t h a n e i n Z H A OY a n g - s h e n g ，Y A N GD o r 1g 2 ， H UY a o - q ir 1g 2 ， D U A N K a n g - l ia n 2 ，F E N G Z e n g - c h a o 2 ， Z H A OL a n 2 { 1 ． C h i n a U n i z r s i t y o fMi n i n g a n d T ， 岫，舶 如 “ 2 2 1 0 0 8 ，C i n a 2 T a i a Un i z r s i t y T e c h r o o l o ，T a i y an 0 3 1 3 0 2 4 ， 加 Ab s t r 矗 c I h e s e e p age l a w o f ∞a 1 ma t r i x a n d s i n g l e{ r a c t u r e u n d e r 3 D s t r e s s i s i n t rod u c e d． b a s e d o n t h e O 13 1 “ t e s t r e s e a r c h a n dt h ei d e ah l c h 3 D 8 t r e s si s a b r i e f { a c t o rt o d e c r e a s er me a b i l i t y 0 f ∞a l s e a m i s p u t{ o r wa r d． B a s e d o n t h e t e s t r e s e a r c h．t h e o r e t i c a l a n d FE M a n a l y s i s ．t h e l i mi t a t i o n o f wa t e r f r a c t u r i n g t o r e { o t to t h e l o w p e r me a b i l i t y c o a l s e a r n i s d i s c u s s e d，i t s me c h a n i s m i s o n l y t o c r e a a f e w c r a c k i n c o a l s e a r n b y wa t e r f r a c t u r i n g ．b u t t O p r o d u c e a h i g h S t IS S a r e a a t t h e s a r I l e t i me wh i c h i t i s a o b s t r u c t a r e a i n f a c t ．Cu t t i n g c r a c k i n c o a l s e a n 1 wi l l u n l c d o f c o a l 9 e a n 1 a n d c r o ． t e 8 g r e a t d e a l o f c r a c k ．i s a p r i o r t e c h n o l o g y d i r e c t i o n t o r e { o t to l o w p e ml e a b i l i t y c o a l s E a m，a n d a e f f e c t i v e h i g h n e s s o f c u t t i n g c r a c k i s s t u d i e d ． Ke y w0 H bmi n i n g me t h a n e i n c o a l b e dl o w p e r me a b i l i t y c o a l s e a mh y d r a u l i c r a c t u r i n g ；u n l o a d i n g o f c o a l s e _衄 e f f e c t i v e t e c h n i e a l wa y 1 2 3 4 5 6 7 8 维普资讯