基于CO_(2)水基压裂液的煤体软化及降尘技术应用

为解决坚硬煤层条件下,常规煤体注水方式效果不好,回采过程中顶煤可放性差、工作面截煤和放煤过程中粉尘大的难题,根据金川煤矿煤层的具体情况,基于煤体压裂软化-润渗除尘理论,利用CO_(2)活性水耦合液、液相与气相耦合液,代替传统注水和注气技术,在金川煤矿开展了煤体软化及降尘技术应用研究。CO_(2)活性水压裂软化润渗技术,能够使煤体中裂隙和孔隙的容积以及结构发生变化,造成煤体的破裂和松动,降低了煤炭强度,达到对硬煤最佳的软化效果。试验表明:煤层CO_(2)水基压裂后,放煤循环速度提高了5.6%,顶煤破碎块度均衡,顶煤平均采出率提高了3.2%;截割浮尘浓度降低45%,工作面能见度提高,工作面转载运输点煤尘降低23%,润渗作用有效降低了煤体产生浮尘的能力。

裂缝内CO_(2)压裂液相态分布特征的数值模拟研究

CO_(2)干法压裂工艺利用纯液态CO_(2)进行携砂压裂施工,对储层进行改造,该技术已实现大量现场应用。但是,CO_(2)压裂液在裂缝内的相态分布尚未进行系统的研究。运用流体模拟软件,建立二维裂缝的物理模型,分析CO_(2)压裂液在造缝过程中的相态分布。研究结果表明,在造缝过程中,CO_(2)压裂液以液态CO_(2)和超临界CO_(2)两种相态存在,并且以超临界CO_(2)的分布为主;CO_(2)压裂液充满裂缝时,随着测点与井口距离的增加,CO_(2)温度先增加,然后趋于稳定;CO_(2)压裂液进入裂缝内,压裂施工完成20 min时,裂缝内CO_(2)的温度达到地层温度;地层温度越低,液态CO_(2)吸热越慢,达到超临界相态所需时间越长,超临界CO_(2)分布区距离缝口越远。

含夹矸煤层CO_(2)气相压裂瓦斯治理技术

吉宁矿山西组2号煤层为典型的复杂低渗突出煤层,2201工作面存在瓦斯含量高、煤层松软、透气性低、存在厚夹矸的复杂情况,表现为采前难抽,采中涌出大的特点。为解决上述难题,在掘进工作面实施CO_(2)气相压裂强化造缝、卸压增透技术,通过对瓦斯抽采数据和掘进效果的分析,得出气相压裂孔瓦斯参数随抽采时间增加,表现出“稳定型”和“增高型”演化规律。气相压裂孔的百米瓦斯抽采纯流量0.11~0.22 m^(3)/min,与前期密集钻孔措施的0.018 m^(3)/min相比,提高了5.1~11.2倍。185 MPa的高压力CO_(2)气相压裂技术适配于该煤层地质条件,能够有效沟通煤中解吸-扩散-渗流多尺度通道,瓦斯抽采参数稳定且高效。

CO_(2)气相压裂煤层瓦斯参数测试及数值模拟分析

五虎山煤矿所开采的山西组9#煤层为高瓦斯难抽采煤层,回采期间瓦斯抽采效率低下,严重制约了煤矿的安全高效生产。为探究适配的CO_(2)气相压裂瓦斯治理技术方案,在瓦斯治理巷开展CO_(2)气相压裂瓦斯参数测试。测试结果表明,气相压裂过后,平均瓦斯含量从8.26 m^(3)/t降低到7.67 m^(3)/t,降低了7%;Langmuir吸附体积由19.0969 cm^(3)/g提高到20.2657 cm^(3)/g,提高了6.12%;煤层透气性系数从0.022~0.027提高到0.780~0.791,提高了28~35倍。基于瓦斯参数测试结果,建立COMSOL Multiphysics流固耦合模型,模拟气相压裂前后瓦斯抽采半径。模拟结果表明,气相压裂后煤层瓦斯抽采半径大幅度提高,抽采180 d后抽采半径从0.63 m提高到4.13 m,提高5.56倍。在抽采时间为6个月时,可按照8 m的孔间距布置气相压裂钻孔,即可获得良好的瓦斯抽采效果。该研究成果可为类似条件煤矿的瓦斯治理提供借鉴。

难抽煤层CO_(2)气相压裂瓦斯高效抽采技术研究

五虎山煤矿开采的9号煤层为高瓦斯低渗难抽煤层,回采期间瓦斯抽采效率低,制约了煤矿的安全高效生产。为此,开展CO_(2)气相压裂瓦斯高效抽采技术研究,在010911回采面近切眼段布置4单元共20个100 m深钻孔,其中8个压裂孔,12个瓦斯抽采孔;对比分析压裂单元与非压裂单元瓦斯抽采数据。试验结果表明:CO_(2)气相压裂试验后,瓦斯抽采效率大幅度提高,瓦斯抽采浓度提高了1.46倍;瓦斯抽采纯量提高了1.49倍;抽采90 d瓦斯抽采半径提高了1.53倍;抽采达标时间缩短了190 d.实践证明,CO_(2)气相压裂在煤层中形成复杂裂缝,大幅提高煤层渗透率,使难抽煤层变为易抽煤层,是回采面近切眼段瓦斯高效抽采的可行技术。

液态CO_(2)相变致裂在低渗低透强突出煤层的应用研究

针对低透气性煤层瓦斯含量高、预抽效果不理想的问题,采用液态CO_(2)相变致裂技术,在穿层钻孔中利用瞬间产生的高压CO_(2)气体冲击煤体,产生大量裂隙并促使裂隙发育、扩展,以达到提高煤层透气性的目的。在绿塘煤矿南二采区S204工作面进行的试验表明:液态CO_(2)相变致裂技术可有效提高瓦斯抽采效果,试验后平均抽采流量为0.057 m^(3)/min,是试验前的4.3倍,是相同抽采时间内水力冲孔措施平均抽采流量的2.3倍;抽采浓度也有所提升;在试验考察期内流量衰减系数降低到0.046 d^(-1),增透效果显著。

煤层注液态CO_2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验

针对我国煤层＂高储低渗＂的赋存特征,基于液态CO_2黏度低、阻力小、酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO_2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律。结果表明：压裂过程流量随着压力的增长呈现出＂波动＂特性,钻孔周围煤体受CO_2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2 MPa处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂—弱面扩展—微孔隙破坏。现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20 m,且与水力压裂相比在压裂安全性、时间和效果方面存在技术优势。

液态CO_2致裂技术在冲击地压防治中的应用

为解决冲击地压常规解危措施中的难题,研发了冲击地压防治新技术,即液态CO_2致裂。系统介绍了液态CO_2致裂技术的工作原理,在实验室中通过自主研发设备进行压力转化率测试,测试了不同孔壁和泄能头间距与爆破压力的关系,根据实验室研究成果在现场进行了工业性试验。研究实践表明,液态CO_2致裂无明火、可反复使用,是一种新型安全高效的防冲手段。孔壁和泄能头间距越小,孔壁所受压力越大;间距为10~21 mm时,压力转化率为70%~82%;封孔较不封孔压力增大了52.3%。选用直径为50、65 mm两种规格的钻孔进行现场煤体致裂,通过钻孔窥视和光纤监测发现致裂效果良好,研究成果可在高瓦斯冲击地压矿井进行应用。

高瓦斯煤层注液态CO_2压裂增透技术试验研究

基于液态CO_2的低温冻结及相变增压特性能够有效致裂煤体,可以达到煤层增透的目的。在淮南矿区张集北矿17246工作面开展了煤层注液态CO_2压裂增透技术工业性试验,沿工作面走向布置2个压裂钻孔、12个抽采钻孔,分2个阶段进行压裂试验,压注液态CO_2共计4.0 t。对Y1、Y2压裂钻孔的压力、流量及泵压进行在线监测,实测压裂后连续26 d瓦斯抽采效果。研究结果表明:试验过程中压裂液流量随压力升高呈现波动特性,试验工艺系统稳定;抽采支管的瓦斯纯流量是压裂前的2.1～3.2倍,瓦斯浓度是压裂前的1.6～3.1倍,累计26 d的瓦斯抽采总量为32 288.57 m3,与普通密置钻孔抽采瓦斯技术相比,经液态CO_2压裂后煤层瓦斯抽采效率明显提高。

液态CO_2增稠压裂液流变性能分析

针对目前CO_2干法压裂工艺技术存在压裂液黏度低、携砂困难等技术难题,将氟醚羧酸盐类表面活性剂增稠剂(FAL-16)和络合金属离子(铝)有机盐增稠助剂(FAL-31)分别按1%加量加入液态CO_2中制备了液态CO_2增稠压裂液,采用高压管路流变实验模拟了液态CO_2增稠压裂液在管路内的增稠过程,研究了液态CO_2增稠压裂液的流变性能。研究结果表明:在液态CO_2中加入1%的增稠剂FAL-16和1%增稠助剂FAL-31能显著提高液态CO_2压裂液的黏度,液态CO_2增稠压裂液的黏度最高可以达到20 m Pa·s(压力20 MPa、温度0℃、剪切速率393 s-1),增黏倍数在90数498之间,液态CO_2增稠压裂液呈现剪切稀化特性,黏度随着温度的增加呈指数递减;随温度的升高,液态CO_2增稠压裂液体系的流动指数n增大,稠度系数k减小。

液态CO_2干法加砂压裂增稠剂技术现状及展望

CO_2干法加砂压裂是低压、低渗透、强水敏等非常规储层高效开发的有效措施之一。系统分析了目前国内外液态CO_2干法加砂压裂技术中增稠剂现状,对现有增稠剂分子结构进行分析归类,指出了增稠剂存在的主要技术问题和开发的难点。通过对目前国内液态CO_2干法压裂技术现状和现场试验情况梳理发现:国内液态CO_2增稠剂技术滞后于现场应用,压裂液携砂效率低,影响了压裂施工效果;分析国内外液态CO_2增稠剂研究存在的问题,借鉴现有研究成果,依据CO_2分子结构特征和理化特性,构建能使液态CO_2高效增黏的新型增稠剂分子结构,合成高质量的液态CO_2增稠剂,是实现液态CO_2干法加砂压裂的技术关键。在现有技术条件下,建议将液态CO_2干法压裂技术与常规无水压裂技术结合,既发挥了液态CO_2干法压裂技术优势,又实现了高砂比对压裂施工技术要求,满足非常规储层压裂开发需要。

液态CO_2压裂增透技术在松软煤层瓦斯治理上的应用

为提高松软煤层瓦斯治理效果,基于液态CO_2低温、低黏度、相变高压膨胀等特性,对松软煤层进行液态CO_2压裂增透实验,考察分析压裂实验后瓦斯抽采效果,研究其变化规律。实验表明:压裂孔周围形成了由壁面位移区、纵向裂隙发育区和多裂隙发育区的压裂影响区域,压注有效影响半径不少于20 m,压裂区域抽采效果提升显著,抽采混量总体呈上升趋势,抽采浓度、抽采纯量提高近1倍,压注间隔周期为10 d,10 d后呈衰减趋势;与传统的增透方式相比在安全性、时效性存在较大优势。

液态CO_2压裂技术在煤层气压裂中的应用

煤层气是一种非常规天然气资源。煤层气储层与常规天然气储层相比具有很大的差异。煤层通常以多个煤层组形式存在,各组之间相距的距离不等,这一特征加上煤岩本身的一些特性,使得煤层压裂与常规储层压裂之间存在一些差异。文章介绍了液态CO2压裂技术的原理、优缺点以及工艺技术特点,对利用液态CO2施工的步骤及效果进行了对比分析,建议在煤层气压裂中有针对性地利用该项技术。

亭南煤矿液态CO_2致裂巷道卸压技术的应用研究

为了消除冲击地压给亭南煤矿带来的安全隐患,采用液态CO_2致裂技术对危险区域的煤体进行预裂爆破。通过数值模拟研究控制孔对钻孔爆破的影响及亭南煤矿爆破孔的合理间距,并采用钻屑法对爆破后的效果进行分析。研究结果表明:控制孔的存在对煤预裂爆破效果是有利的,施工控制孔之后进行煤层液态CO_2爆破的裂隙区影响范围明显大于无控制孔时的爆破的裂隙区影响范围;爆破孔的合理间距为7 m;爆破后钻屑量的测定结果均小于钻屑量的临界值,爆破后消除了煤体冲击地压的安全隐患,可以正常开采。

液态CO_2压裂施工管柱摩阻计算与分析

液态CO_2加砂压裂技术作为一种前沿的无水压裂技术,国内现场试验不断取得重要进展,液态CO_2压裂施工管柱沿程摩阻计算也逐渐显现其重要性。通过矿场试验,验证了S.M.Campbell等人液态CO_2压裂液摩阻计算图版,得到了易于工程应用的拟合计算公式。与Lord等人的清水摩阻计算模型比较,为液态CO_2压裂液摩阻快速评价取得直观认识。

页岩气藏超临界CO_(2)压裂—提采—封存研究进展

为了解决页岩气开发过程中使用水基压裂液造成的耗水量大和储层伤害等问题,将CO_(2)注入页岩气藏,利用超临界CO_(2)(SCCO_(2))独特的物理化学性质,可在提高页岩气采收率的同时封存CO_(2),达到“利用与封存一体,增产与减排双赢”的效果。为实现SCCO_(2)强化页岩气开采与地质封存一体化,系统综述了SCCO_(2)页岩气压裂、置换驱替及地下封存的研究进展,梳理了目前研究存在的主要问题及技术瓶颈,并针对性地提出了未来研究方向。研究结果表明:①相较于水基压裂液压裂,CO_(2)进入储层后将弱化页岩的力学性能,导致起裂压力更低,并且易于形成更复杂、更粗糙的裂缝网络;②页岩对于CO_(2)的吸附能力远大于CH4,利于有效置换出CH4,且CO_(2)不会与CH4进行大范围的混合,而是倾向于对CH4进行类活塞状驱替,从而提高页岩气采收率;③目前缺乏定量评价不同封存机制对CO_(2)封存潜力贡献的计算模型,同时长时间尺度上CO_(2)与盖层相互作用机理及突破压力的变化研究有待完善;④提升SCCO_(2)携砂能力、解决地面与井下设备腐蚀问题、降低CO_(2)的捕集与运输成本,是超临界CO_(2)提高页岩气采收率(SCCO_(2)-ESGR)技术大规模工程应用的前提。结论认为,SCCO_(2)-ESGR为我国页岩气资源规模效益开采提供了一种绿色、高效的新技术,能够加快我国“双碳”战略目标的实现。

基于DA-DE-SVM智能模型的煤岩体SC-CO_(2)压裂效果预测

煤岩体压裂效果是超临界CO_(2)(SC-CO_(2))压裂工程设计的主要依据。为准确预测煤岩体SC-CO_(2)压裂效果,基于多孔相向裂缝动态扩展模拟,筛选确定影响煤岩体SC-CO_(2)压裂效果的6个地质因素和4个施工因素,提出了一种集成支持向量机(SVM)、蜻蜓算法(DA)、差分进化算法(DE)的混合人工智能模型,利用支持向量机构建SC-CO_(2)压裂效果与其影响因素之间的关系,并利用蜻蜓算法、差分进化算法联合优化支持向量机的超参数。以相关系数、均方根误差、平均绝对误差为评价指标对混合人工智能模型性能进行了评估,并采用MIV方法对模型输入变量进行了敏感性分析,结果表明:本文提出的DA-DE-SVM智能模型能很好预测煤岩体SC-CO_(2)压裂效果,其训练集的R值为0.9572,测试集的R值为0.9316。SC-CO_(2)压裂效果影响因素的重要程度从高到低依次为:相邻压裂钻孔水平距离>垂直地应力>压裂液注入速率>相邻压裂钻孔垂直距离>煤体抗拉强度>水平地应力>压裂液温度>煤体渗透系数>煤体初始孔隙压力>煤体弹性模量。研究成果可为SC-CO_(2)压裂工程参数优化设计及工程应用提供重要指导。

多因素对液态CO_(2)冻融致裂煤体的影响试验研究

为研究多因素耦合对液态CO_(2)冻融致裂煤体的影响,采用自主研发的液态CO_(2)冻融致裂试验装置,利用核磁共振测试技术,测定不同影响因素下液态CO_(2)冻融致裂后煤体的孔隙度,分别研究液态CO_(2)冻结时间(t)、冻融循环次数(n)和煤体含水饱和度(W)对煤体孔隙度(φ)的影响;采用响应曲面法设计试验,构建φ与t、n和W的二次回归响应曲面模型,分析t、n和W单独及耦合作用时对φ的敏感程度及影响特征,并预测优化与验证不同影响因素下的φ。结果表明:随着t的延长和n的增多,φ呈指数函数关系变化,随W的增大,φ呈线性关系增加;影响因素t、n和W均为φ的极显著项(显著性判别值P<0.01),对φ影响的主次关系为:n>W>t。交互项nt交互作用极显著,nW交互作用次之,Wt交互作用不显著,对φ影响的主次关系为:nt>nW>Wt。模型预测当t、n和W分别为57 min、19次、96%时,φ达到最大值(9.47%),4组试验值与模型预测值平均误差为2.98%,所测φ平均值为9.58%,φ较优化之前(8.94%)提高了7.16%。

超临界CO_(2)分段多簇压裂井间干扰规律研究

水平井分段多簇压裂是非常规油气藏开发的关键技术,在合理利用压裂诱导应力增大储层改造体积的同时,避免井间干扰所导致的裂缝砂堵和压裂窜扰,是压裂工艺优化中的关键科学问题。文章针对超临界CO_(2)分段多簇压裂的缝间干扰和井间干扰问题,采用流固耦合的扩展有限元方法研究单井及多井裂缝诱导应力演化特征,充分考虑裂缝内超临界CO_(2)流动和滤失,从非常规油气储层岩性特征、地应力场分布及施工工艺等多方面对压裂扰动应力进行系统研究,揭示单井分段多簇压裂缝扩展机制及应力扰动特征,在此基础上研究多井井间压裂缝干扰规律。结果表明:高水平应力差、高弹性模量的储层中压裂干扰界限较大,低水平应力差、低弹性模量地层需适度增大簇间距,减小簇间干扰;老井压裂后,其邻井压裂缝非对称系数随井间距呈先增大、后减小的趋势;当井间距等于压裂干扰界限时,非对称系数λ达到最大,且井周改造范围最大,但裂缝两翼的非对称性可能导致储层动用不充分。本研究为水平井细分切割压裂和立体式井网设计优化提供理论基础,在“双碳”战略背景下对非常规油气资源高效开发具有重要意义。

鄂尔多斯盆地页岩油水平井CO_(2)区域增能体积压裂技术

针对鄂尔多斯盆地页岩油储层压力低、缝网复杂程度低和黄土塬水资源缺乏等问题,以该盆地庆城油田页岩油为研究对象,进行了滑溜水和CO_(2)压裂物理模拟试验,利用高能CT监测了CO_(2)压裂裂缝扩展规律,分析了CO_(2)压裂形成复杂裂缝的可行性;利用油藏数值模拟方法,优化了CO_(2)注入关键参数,形成了适合庆城油田页岩油的CO_(2)区域增能体积压裂技术。研究表明:前置CO_(2)压裂可提高长7段页岩油储层裂缝复杂程度,裂缝沿层理弱面扩展并纵向穿层形成缝网;增能理念应由单井段间交替增能向平台整体注入实现井间、段间协同一体增能转变,单井采用全井段注入增能模式,可实现缝控区域全覆盖。庆城油田某平台进行了页岩油CO_(2)区域增能体积压裂试验,与采用常规体积压裂技术的邻井相比,3口试验水平井平均压力保持程度提高1.5倍,单井平均初期产油量提高28.6%。研究和现场试验结果表明,CO_(2)区域增能体积压裂能提高裂缝复杂程度,增加区域地层能量,提高单井产能,可为鄂尔多斯盆地页岩油开发提供技术支持。