煤矸石井下原位智能分选充填技术研究进展

传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈。为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离。为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环。为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述。所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路。

三轴应力下CO_(2)置换开采天然气水合物实验研究

为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO_(2)置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明:在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠体系对CH4置换效率影响较小,但对CO_(2)水合物合成表现出抑制作用;储层初始饱和度与CH4置换效率之间是负相关关系且高的储层含水率更有利于CO_(2)封存;CH4置换效率随着置换压应力的增长有一定幅度的提高,置换压应力的增大为CO_(2)水合物合成提供了高的驱动力,进而提高了CO_(2)封存效率。

基于真三轴试验装置的岩石渗流密封方式改进及实验研究

国内现有的非常规油气储层的渗透性测试大多采用圆柱试样,通过假三轴试验装置进行测试,而真三轴条件下立方体试件棱边大多存在棱边串流与端面密封不严的缺陷。基于现有真三轴试验装置,以及大量的实验经验,针对现有的立方体试件单橡胶套渗流密封方式进行改进。介绍了嵌套式“上下密封套”结构特征,特别对棱边区的密封进行了设计,提出了密封套顶-底端面凹陷型内嵌“单孔网槽导流板”结构设计,并对顶部传压板的尺寸进行了讨论。对100 mm×100 mm×100 mm立方体煤样进行了真三轴渗流试验分析,得到了不同入口渗透压力真三轴围压条件下的渗透率。该密封方法的改进有助于提高科研单位及测试中心对原位地应力条件下非常规油气储层渗透性测试精度,并提高高端科研人才的实践创新能力与科研素养。

不同变质程度煤的吸附瓦斯动力学特性实验研究

为了进一步揭示不同变质程度的煤在不同吸附压力下的动力学特征,利用自主研发的TQY-2型精密吸附仪和红外热成像装置对直径为8.5 mm的褐煤、焦煤和无烟煤煤样进行不同压力(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa)下的宏观吸附试验和吸附压力为(0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa)的煤体细观结构吸附试验,利用准一级、准二级、颗粒内扩散、Elovich以及双常数等吸附动力学模型分析吸附瓦斯规律及机理。研究表明:对比5种吸附动力学模型,准二级吸附动力学模型适合表征褐煤和焦煤的吸附瓦斯过程,而无烟煤的最优模型为颗粒内扩散模型;随着吸附压力升高,褐煤和焦煤的准二级吸附速率常数k2逐渐增加,无烟煤的颗粒内扩散速率常数kp也逐渐增加,均呈正相关;吸附压力对煤样适合的动力学模型影响较小;在宏观吸附和基于红外热成像的煤体细观结构吸附实验下,煤样适合的动力学模型一致。

细粒砂矿物成分及粒径配比对CO_(2)水合物合成特性影响的实验研究

在冻土层中用水合物法封存CO_(2)是一种具有潜力和前景的CO_(2)封存技术。为探究地层性质对CO_(2)封存的影响,在初始压力5.5 MPa、温度1.27℃的条件下,在不同细粒砂矿物成分及粒径配比的影响下进行了CO_(2)水合物合成实验,对实验过程中CO_(2)水合物生成过程的压力-温度变化、CO_(2)水合物平均生成速率、CO_(2)耗气量和相饱和度等进行了分析。结果表明,细粒砂与粗粒砂粒径配比(各组分质量比,下同)为1.0:2.0时的CO_(2)水合物平均生成速率最小(12.60 mmol/min),随着粗粒砂比例的增大,比表面积减少,CO_(2)水合物平均生成速率变慢。蒙脱石黏土不利于CO_(2)水合物生成,粉砂组(含细粒砂与粗粒砂)CO_(2)水合物平均生成速率高于粉砂质黏土组(含细粒砂和蒙脱石黏土),且粉砂组实验更容易实现高的水合物饱和度和CO_(2)耗气量,因此在矿物成分含细粒砂与粗粒砂的区域更适合进行CO_(2)封存。细粒砂与粗粒砂或黏土矿物粒径配比为1.0:0.5时的CO_(2)耗气量分别为0.86 mol、0.77 mol,随着粗粒砂和黏土矿物比例的增大,水合物相饱和度和CO_(2)耗气量均逐渐减小,细粒砂与粗粒砂或黏土矿物粒径配比为1.0:0.5时是适合水合物法封存CO_(2)的比例。

不同压力下冻土区水合物法封存CO_(2)的实验研究

目的水合物法封存CO_(2)稳定性良好、储气密度高,是一种极具潜力的碳封存方式,利用冻土区的地层条件更具独特优势,将CO_(2)气体注入冻土区地层中,在一定的温度和压力条件下,形成固态CO_(2)水合物实现封存。方法依据国内冻土地区地层深度对应的温度和压力条件,选取不同地层深度(150 m和200 m)对应温度(1.27℃和2.72℃)和有效孔隙含水率(40%),研究不同注气压力(3.5 MPa、4.5 MPa和5.5 MPa)下的封存特征。分析封存过程的温度和压力变化、封存速率、最终水转化率和最终封存率等动力学规律。结果封存压力越高,水合物法封存所需的诱导时间越短,压力降幅越大。较高的封存压力导致初期封存速率较慢,缓慢封存期的持续时间减少,且封存压力越高,封存率、最终水转化率和水合物相饱和度越高。封存温度越高,压力对封存率的影响效果越明显。结论在地层深度150 m(对应地层平均温度1.27℃)、5.5 MPa及有效孔隙含水率(40%)的条件下,CO_(2)封存效果最佳。

油页岩传热各向异性与原位传导热采模拟分析

【目的】油页岩原位开采过程中传热效率差,各向异性差异显著,油页岩原位开采中存在各向异性传热差异问题。【方法】以新疆巴里坤油页岩制标准样本试件,采取多种室内试验手段对不同温度下块状油页岩水平、垂直层理传热差异进行探究,并进行原位开采模拟。【结果】实验结果表明:1)随着温度升高,各层理方向热传导系数均呈“降低”趋势,但油页岩平行层理方向的热传导系数均大于垂直层理方向;2)随温度升高,比热容先升高再降低,当温度为400℃时,油页岩比热容值最大;3)结合显微CT图,随着温度的升高,裂隙增多对垂直层理方向热量传导的影响大于平行层理方向。基于上述实验测试参数,同时利用COMSOL软件建立油页岩储层原位电加热的“热-固”耦合模型,模拟结果表明:随加热时间的增加,各向异性传热差异逐渐开始呈现;当加热时间为120 d时,加热井附近区域温度上升,并未表现出明显的各向异性;当加热到600 d时,平行层理方向的传热区域明显大于垂直层理方向,呈“椭圆”状;加热到1 440 d时,传热区域小幅度增加,加热井控制区域页岩基本热解完成。

原位改性流体化采矿科学、技术与工程

为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。其突出内涵是在原位,采用物理与化学方法改造矿体与矿物,改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性,实现矿物流体化开采。根据矿体性态变化特征,原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。科学理论主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程的发展现状及其展望,这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。

注能(以CO_2为例)改性驱替开采CH_4理论与实验研究

在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO_2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO_2在煤体表面的吸附势大于CH_4,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH_4,注能(CO_2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO_2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO_2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO_2/CH_4置换率;提高注入CO_2温度,有助于部分吸附CH_4解吸,但同时煤体对CO_2吸附能力也减弱,导致CO_2/CH_4置换率有所降低。

电极材料对电化学改性无烟煤前后甲烷吸附解吸特性影响的实验研究

针对电化学作用能够显著增强煤中甲烷解吸渗流特性,但对其电极材料的选择缺乏依据的问题,采用实验的方法研究了铝、铁、铜和石墨四种电极材料对电化学改性无烟煤甲烷吸附解吸特性的影响.结果表明:(1)未改性自然煤样的甲烷饱和吸附量a为39.92mL·g^-1,由铝、铁、铜和石墨四种电极材料进行电化学改性后阳极区域煤样的甲烷饱和吸附量a分别降低了5.22%、8.48%、9.24%和11.33%,阴极区域煤样的甲烷饱和吸附量a分别降低了9.53%、4.97%、6.25%和4.97%;(2)未改性自然煤样在300min的甲烷解吸率为83.17%,经铝、铁、铜和石墨四种电极材料改性后阳极区域煤样的甲烷解吸率分别提高了9.50%、7.10%、8.36%和15.75%,阴极区域煤样的甲烷解吸率分别提高了1.76%、1.12%、6.10%和16.23%;(3)采用石墨作为电极的电化学对无烟煤甲烷解吸的影响效果最为明显,原因在于石墨阳极处电解反应生成较多的H^+离子,一方面对煤表面进行酸化,抑制了煤甲烷的吸附,另一方面更多地溶蚀煤中的碳酸盐和硫酸盐矿物,增加了煤中的孔隙,使得甲烷最终解吸率有所升高.本文的研究结果可为电化学强化煤甲烷解吸电极材料的优选提供基础依据.

冻土地层水合物法封存CO_(2)的敏感性实验研究

水合物法二氧化碳封存是目前具有潜力的碳封存方式之一,将一定压力的CO_(2)气体注入冻土带的沉积层中,在特定的地层温度条件下CO_(2)气体可形成CO_(2)水合物从而达到长期稳定封存的目的。依据我国多年冻土地区地层的温压条件,选取冻土地区不同地层深度(110,150,200,250,300,350 m)对应的温度(0,1.27,2.72,4.53,6.38,8.70℃)进行了CO_(2)水合物封存实验。实验结果表明:在快速合成阶段实验温度为1.27℃下反应釜内温度上升幅度最大,生成速度最快,最终储气率最高,缓慢合成期持续时间随温度的升高而减少。在较低温度下(0和1.27℃)水合物的各相饱和度基本保持在约18%(水合物相)、15%(水相)和67%(气相)。在地层深度为150 m时(平均温度1.27℃)封存CO_(2)效果优于其他深度的地层。

煤层气原位注热开采的数值模拟研究及工程实践

煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题,如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水-气-热-固耦合数学模型,建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性,然后从水气运移角度分析了注热方法的产气规律,最后在煤矿井下进行了现场注热试验。数值模拟结果表明:煤层气注热开采过程中水气运移遵循“前期排水,后期采气”的变化规律。煤层中的水对甲烷的解吸和运移产生了重要的影响。注热过程中水占据了甲烷的运移通道,水对甲烷的抑制作用大于温度的促进作用;注热后的抽采过程中,高温促进了甲烷的解吸,解除了水对甲烷的抑制作用,使煤层气的产量大幅度提高。通过现场注热试验,已经形成了2种成熟的井下注热强化煤层气开采方法,即间歇注热方法和交替注热方法。2种注热方法具有相似的产气规律,即注热阶段的日产气量和甲烷体积分数一般比较低,而注热后抽采阶段的日产气量和甲烷体积分数均大幅度提高。现场注热试验结果表明,与传统的负压抽采方法相比,间歇注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和100倍以上,交替注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和50倍以上。现场注热试验结果与数值模拟结果共同表明,注热强化煤层气抽采的效果显著,注热后抽采阶段是煤层气的高产时间段。

高温蒸汽作用油页岩孔隙-裂隙结构演化规律实验研究

油页岩孔隙裂隙演化规律是影响对流加热方式原位流态化开采油页岩的关键影响因素。选取新疆巴里坤油页岩试样,首先利用自主研制的高温蒸汽作用实验系统对试样进行加热,然后采用显微CT和扫描电镜对不同温度作用后的油页岩的孔隙裂隙特征进行测试,并利用Avizo软件,对油页岩孔裂隙结构、内部渗流场特征以及表面微观特征随温度的演化规律进行了详细地研究,结果表明:1)原始状态下油页岩内部裂隙以微裂隙(100~500μm)为主,随着水蒸汽作用温度不断提高,微裂隙数量呈指数形式增长,同时孔径较小的小孔逐步转变为孔径较大的中大孔。2)随着水蒸汽作用温度增加,油页岩孔隙度显著增加,由常温状态下的2.7%增加到555℃时的16.2%,是常温下的6倍。3)随着热解温度的升高,油页岩内部连通的孔隙也不断增多,为高温水蒸汽以及热解产物的运移提供了良好通道,总体上平行层理方向的渗透率总是大于垂直层理方向的渗透率。4)油页岩渗透性存在明显的各向异性特征,当热解温度为314℃时,油页岩在平行层理方向与垂直层理方向的渗透率差异性最大,渗透率各向异性系数量级可达103.研究结论对调控水蒸汽对流加热原位开采油页岩油气的工艺参数具有重要意义。

复配高效菌群厌氧降解煤产甲烷实验研究

高效功能菌群是微生物增产煤层气技术的重要影响因素。通过复配降解芳香化合物的功能真菌菌群与降解煤产甲烷的真菌—产甲烷菌群,提高甲烷产量;分析菌群结构、中间产物和煤结构的演替规律,研究复配菌群降解褐煤产甲烷机理。研究结果表明:复配菌群能够厌氧降解褐煤,煤的甲烷产量为172μmol/g,是未复配的1.74倍,芳烃降解菌Cladosporium在第7天成为优势真菌属;具有较强环境适应性的Aspergillus、Penicillium等成为产气结束后的优势真菌,在第7天发酵液中检测到丰富的代谢中间产物脂肪酸和芳香酸,其占比在产气末期均下降50%以上;煤中芳香碳在降解后下降了12.27%,降解效果显著。研究结果为改善产甲烷菌群的煤降解能力,增强产甲烷效能提供了一种有效方法。

钙硅酸盐矿物湿法碳酸化封存二氧化碳实验研究

钙硅酸盐矿物湿法碳酸化封存CO_(2)是具有发展前景的固碳技术。为了比较不同种类的含钙硅酸盐矿物固碳效果的差异,研究了温度、压力、液固比(mL/g)、粒度及矿物添加剂(NaHCO3和NaCl)对硅灰石和钙长石湿法碳酸化封存CO_(2)效果的影响。结果表明,硅灰石和钙长石的碳酸化产物分别是方解石和文石,热重实验结果显示,方解石的热稳定性强于文石。各实验条件下硅灰石碳酸化转化率均高于钙长石,两种矿物碳酸化转化率随压力增大、粒度减小、NaHCO3和NaCl的加入而增大;获得了硅灰石和钙长石的最大碳酸化转化率分别为83.62%、16.20%,二者差异显著。在温度为120~210℃两种矿物溶解吉布斯自由能(ΔGr)的计算表明,硅灰石溶解过程的吉布斯自由能始终小于钙长石溶解吉布斯自由能,说明硅灰石溶解速率和溶解反应自发进行的程度都大于钙长石,这是影响钙硅酸盐矿物碳酸化反应活性的关键因素。

纳米硅溶胶改性水泥基材料性能及机理分析

针对普通水泥基材料存在早期强度低、抗变形能力弱等问题,通过纳米硅溶胶对水泥基材料进行改性,采用电液伺服万能试验机、X射线衍射及扫描电镜等手段对纳米硅溶胶改性不同水灰比水泥基材料的流动性、结石率、单轴抗压强度、弹性模量、水化产物及微观形貌进行研究。结果表明:硅溶胶掺量在0.5%以内、水灰比小于1.0时可显著提高水泥浆液的流动性,最大提高20.24%;结石率随着纳米硅溶胶掺量的增加而增大,且硅溶胶对水灰比大于0.7浆液的结石率提高明显,最大提高24.49%;当硅溶胶掺量为2%时,结石体的抗压强度增幅最大且随着养护龄期的增加,硅溶胶对试样强度的增幅效果逐渐减弱;纳米硅溶胶的掺入促进水泥基早期的水化反应,与水化产物反应生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H)并使微观形貌更加致密,使结石体的早期抗压强度及弹性模量显著提高;纳米硅溶胶通过缩短诱导期以及在颗粒空隙中为C-S-H提供成核位点促进水化反应,提高水泥基材料性能。

地下盐岩溶腔储库单井水平溶解建造流体运移研究

为提高水平盐穴储库单井后退式溶腔建腔速率,通过相似模型试验与数值计算开展建腔期注水方向对腔内流体运移规律影响研究。数值模拟结果表明:注入淡水接触腔内卤水后浓度会迅速升高,当浓度达到23%左右变为缓慢升高;上下同时入射有利于快速溶腔,垂直向下入射有利于建造更大腔体。相似模型试验流体运移规律与数值模拟基本一致,证明了数值模型的正确性。试验发现:腔内流体主要分为羽流区、边界溶解区、对流扩散区和底部饱和区4个区域;改变注水方向使羽流区流体浓度和流速改变,进而影响边界溶解区高度,与水平入射相比,垂直向上入射、上下型入射、四周型入射和垂直向下入射高度增加了22.2%、26.9%、51.1%、135.6%;改变注水方向使淡水初始向下流速改变,进而改变底部饱和区高度,与水平入射相比,垂上、四周、上下、垂下入射高度降低0%、12.9%、29.9%、70.1%。

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

纳米硅溶胶−EVA−粉煤灰水泥基复合浆材配比正交优化及对其物性的影响

针对传统水泥基浆材不能满足煤矿大变形巷道注浆加固实际需求的难题,通过添加纳米硅溶胶、乙烯−醋酸乙烯共聚物(EVA)和粉煤灰对普通硅酸盐水泥进行改性获得高性能复合浆材。采用正交试验和极差分析法系统研究复合浆材物理力学性能的变化规律,确定最优配比,并进一步分析最优配比复合浆材与纯水泥的物性差异,构建复合浆材的水化反应机理模型,阐明其加固破碎岩石的力学特性。研究结果表明,复合浆材最优配比为:水灰比0.7,粉煤灰掺量15%,硅溶胶掺量2%,EVA掺量7.5%;相较于纯水泥,复合浆材流变性略有下降,但浆液稳定性、力学性能等均有显著提升,初凝时间缩短了38.9%,终凝时间缩短了53.8%,析水率降低了60%,结石率提高了3.3%,单轴抗压强度提高了39.1%,抗拉强度提高了97.2%,拉压比提高了41.7%;硅溶胶和粉煤灰在不同时期与Ca(OH)2发生火山灰反应生成更多水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(CA-H),促进复合浆材的水化反应,并加速EVA成膜,使结石体更加致密;复合浆材注入量和胶结体单轴抗压强度均随注浆压力的增大而增加,随Talbot指数的增加,抗压强度先增大后减小,破坏形式多呈鼓状,剪胀变形明显;当注浆压力大于2 MPa,Talbot指数为0.5时,胶结体强度较大,破坏较小。本研究为水泥基复合浆材早期强度、增韧改性提供了可行途径。

西山煤田煤层气井水力压裂效果剖析及启示

水力压裂是改善煤层渗透率的常用方法,其改造效果直接影响煤层气井的产能。详细观测了西山煤田屯兰区块5口煤层气井的井下揭露煤层及裂隙展布情况,并联合体视镜、扫描电镜和显微CT等研究煤体结构、微裂隙、石英砂和煤粉的分布特征,结合区域地应力和水力压裂施工参数,剖析煤层气井的压裂效果。研究结果表明:水力压裂产生的宏观裂隙形态复杂多样,包含水平型、垂直型、X型和T型。距离煤层气井筒越近,煤体越破碎,以碎裂煤和碎粒煤为主,水力压裂裂隙发育,远离煤层气井筒的煤体主要是原生结构煤,以原生裂隙为主。石英砂主要铺置在水平裂隙内,仅有少量分布在T型裂隙内。石英砂与煤的裂隙面强烈摩擦、碰撞和嵌入,与压裂液破裂煤体叠加形成大量煤粉,造成煤粉裹挟石英砂堵塞裂隙。宏观裂隙内的煤粉主要受水力压裂时煤体破裂、压裂液冲刷煤体及石英砂与裂隙面摩擦而产生,微观裂隙内的煤粉在煤体破断时产生。煤粉与石英砂混合堆积在裂隙内,对携砂液产生巨大阻力,造成石英砂无法向煤层气井的远端运移。地应力的大小和方向、煤层及顶底板的强度是影响水力压裂裂隙张开与延展方向的重要因素,携砂液黏度低无法悬浮石英砂,容易造成石英砂与煤粉聚集堵塞裂隙。