煤层气水平井扇形洞穴完井应力—渗透率演化机理

我国煤层渗透率低且地质条件复杂,采用常规油气储层改造的开发方式难度大、技术适应性差。近年来,基于应力释放的煤层气改造新方法“煤层气水平井水力喷射造穴”很好地解决了这一技术瓶颈问题,但是造穴卸压—增渗的作用机制及其主控地质因素尚不明晰。为此,考虑了煤岩层理和天然裂隙的影响,采用有限元—离散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method,FDEM)建立了煤层气水平井扇形洞穴完井数值模型,探究了造穴后岩体的应力演化历程和储层的卸压—增渗机制,并对比分析了不同储层参数(孔隙压缩系数、储层强度、弱面强度和地应力场)对应力释放的影响规律。研究结果表明:(1)围岩演化过程为造穴后岩体收缩,储层发生应力重构,围岩强度逐渐降低,岩体内部发生新生裂隙萌生和原生裂隙扩展,形成开挖损伤区和应力释放区;(2)参数敏感性分析表明孔隙压缩系数是决定造穴完井储层适应性的关键,弱面强度、储层强度和地应力场分布决定了围岩的应力演化模式和裂缝扩展形态;(3)造穴卸压后储层增渗机制为穴周裂缝提升导流能力,储层应力释放提升基质渗透率。结论认为,模型首次综合考虑了地层特点、造穴过程和煤岩裂隙的影响,研究结果揭示了煤层造穴后的应力演化过程及其卸压、增渗作用机制,深化了对煤层气水平井洞穴完井增产机理的认识,对我国煤层储层改造具有重要的工程参考价值。

煤矿巷道磨料射流泄压增透新方法初探

针对坚硬煤层纯水射流冲孔泄压破岩效率低、施工操作复杂等难题,依据磨料射流高效破岩机理和石油工程钻采工艺,提出了煤矿巷道井下磨料射流深穿透泄压增透技术和连续送进磨料射流径向钻孔泄压增透技术2种新方法,并结合理论分析和试验研究等方法探讨了工艺的可行性,通过自主搭建的高压磨料射流试验系统,开展了旋转磨料射流破岩室内试验。试验结果表明:旋转磨料射流在坚固性系数为2的煤层及顶板致密砂岩中均可高效破岩钻孔;在喷射压力为30 MPa的条件下,可形成直径为50~60 mm的孔眼,且孔壁光滑、形状规则、孔眼结构稳定;层理对煤岩的成孔特征和破坏模式影响较为显著。研究结果可为坚硬煤层水力冲孔高效泄压提供新思路。

煤层气水平井水力喷射分段造穴技术探索

我国煤层气资源丰富,但是“单井产量低”长期难以改变。提出了煤层气水平井水力喷射分段造穴的新思路,旨在大范围释放储层应力、提高渗透率,从而提高单井产量。首先介绍了水平井水力喷射分段造穴的优势:灵活调控洞穴形状和尺寸、定点喷射、精准分段、多簇卸压、构建体积缝网、符合煤炭原位流态化开采的科学构想。然后,采用有限元-离散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method)建立了水平井造穴诱导煤层应力演化流-固耦合模型,计算了多段洞穴形成的应力释放区域,描述了穴周、穴间应力干扰区诱导形成的裂缝分布特征,阐释了水平井分段造穴应力释放开采煤层气的原理。其次,开展了淹没条件下磨料直射流和旋转磨料射流喷射煤岩的室内实验,研究了磨料射流喷射煤岩的成孔形态和破坏模式及天然裂隙对破坏作用的影响,发现磨料射流冲击下,层裂是煤岩重要的破裂机制。接着,介绍了裸眼井、筛管井、套管井、顶底板间接改造井等不同水平井完井方式下水力喷射分段造穴的井下核心工具、工艺流程和煤粉返排方式。最后,探讨了该技术的地质储层适应性和应用前景,有望在构造煤、深部煤、煤系薄互层及压裂造缝效果欠佳或无法实现分支井眼重入的松软煤层等推广应用。

基于分离涡模拟的旋转射流流场结构特征分析

采用改进的分离涡模拟方法配合剪应力输运模型分析旋转射流涡结构、速度场、压力场的演化过程,探索喷嘴压降对大涡结构发展和湍流脉动波动的影响规律。研究结果表明:射流涡结构的发展可划分为Kelvin-Helmholtz不稳定性阶段、过渡阶段和旋转不稳定性阶段;旋流作用能够显著增强径向湍流脉动、增大射流扩散角,湍流脉动耗散是下游射流速度衰减的主要原因;随压降增大,射流速度和脉动幅度都相应增大,速度分布的对称性增强,沿轴线方向的压力脉动特征和涡旋输运强度显著增加,但当喷射距离超过约9倍无因次喷距后,提升压降并不能提高旋转射流的有效冲击距离,但可以增大旋流强度和射流扩散角。旋转射流更适用于需求大孔径的径向水平井钻孔、煤层气水平井造穴和煤矿巷道钻孔卸压等工程场景。