碎软突出煤层空气动力造穴工程主控因素_赵龙.pdf

第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY gas injection displacement; cave radius; the taken out volume of coal body 空气动力造穴技术自 20 世纪 80 年代起在美国 圣胡安盆地被应用推广以来，在煤层气井储层改造 方面取得了较好的效果，该技术是采用介质“激动” 的方法，通过从井口注入空气或氮气进行憋压，然 后迅速卸压，不断周期性重复憋压、卸压过程，使 煤储层一定范围内形成剧烈的压力“激动”，从而破 坏储层原始应力状态分布，提高储层渗透性[1-2]。该 技术引进国内后，在沁水盆地和沈北煤田被应用于 地面煤层气井增产改造，但气井增产效果不佳，分 析原因是美国圣胡安盆地煤体结构好、煤层渗透 率大，注气增压时高压气体能够沿煤层裂隙传导较 远，从而沟通了煤储层内的裂隙系统，达到大范围 的改善煤储层渗透性的目的；我国煤储层的渗透率 较低、煤体结构较差[3]，在受到高压气体挤压后， ChaoXing 第 6 期 赵龙等 碎软突出煤层空气动力造穴工程主控因素 23 注气压力在井筒周围煤储层传递范围小，不能达到 大范围改善煤储层渗透性的效果。我国的碎软突出 煤层，空气动力造穴技术虽然达不到大范围改造储 层渗透性的目的，但是由于碎软突出煤层煤体结构 较差[4]，在局部压力过大然后瞬间卸压的情况下， 煤体结构受到大幅度破坏， 大面积脱落形成粉末状， 在煤层中产生大空间的洞穴，有利于局部瓦斯压力 迅速释放，便于瓦斯快速抽采。该项技术已在安徽 淮南、 淮北矿区井下石门快速揭煤工程中得到应用， 并取得了一定的效果[5-6]。为了进一步提高该技术在 煤矿瓦斯治理方面的应用效果，笔者对影响造穴效 果的工程主控因素进行综合分析和系统研究，提出 一套适合我国碎软突出煤层空气动力造穴的工程参 数组合。 1 空气动力造穴机理与工程主控因素 1.1 空气动力造穴机理 空气动力造穴，首先利用空压机、增压机以及 相应的地面–井筒管路系统，将大量空气压入井内， 在井底空间内形成高压环境，高压气体一部分直接 作用于揭露的煤层表面，一部分渗入煤层，沿煤层 裂隙延展，造成井筒揭露的煤层及其附近出现应力 集中现象。然后瞬间卸压，井筒附近煤储层应力瞬 间释放，一方面使井筒附近的煤体结构受到一定程 度的破坏，产生坍塌、剥落和粉碎；另一方面由于 压力激荡进入煤层裂隙的气体，会携带出裂隙中的 煤粉，疏通裂隙通道，使原有的裂隙系统得到扩大 和延伸。之后再利用空压机压风洗井，将其余脱落 的煤粉或煤粒返排至地面，扩大洞穴体积，增大煤 层的暴露面积，提高井眼周围煤体的渗透性，增大 储层的导流能力。 1.2 工程主控因素分析 依据技术原理，将空气动力造穴主要分为 2 个 阶段注气造穴和返排掏煤。造穴半径主要取决于 空气动力的“激动”作用所能够形成的空洞的大小和 返排煤粉时空气携带煤粉能力的大小。产生空气动 力“激动”作用的根本原因是压力差，因此压力差的 大小决定了空气动力制造煤体洞穴能力的大小，压 力差的工程主控因素是注气压力。煤粉上升的能量 来自于不断注入的高压气体，决定气体能量大小的 主要工程因素是返排排量，因此空气动力造穴的工 程主控因素为注气压力和返排排量。 a. 注气压力 在地质条件一定的情况下，注气压力决定了井 口裸露煤层及其附近的应力状态，注气压力过小， 会导致应力在煤层中的传递半径减小，煤储层的弹 性势能也较小，不利于形成较大洞穴；注气压力过 大，会使煤储层结构破坏程度过大，塑性变形增多， 弹性变形减少，弹性势能降低，不利于卸压时弹性 势能转化为动能，不利于煤体大量脱落，注气阶段 的注气压力大小直接影响了碎软煤层空气动力造穴 的煤体破坏程度。 b. 返排排量 返排煤粉阶段是在不憋压的状态下，利用空压 机向井底注气，将井底煤粉携带至地面的过程。此 阶段煤粉和气体相互作用，形成混合为一体的气、 固两相流[7]，气体将一部分动能转化为煤粉的动能， 使煤粉具有向上的速度，煤粉在向上运动时又将动 能转化为势能，当煤粉的动能大于从井底到地面所 需势能转化量时，煤粉就可以被返排至地面。根据 能量守恒定律，注入气体的动能越大，煤粉具有的 动能也就越大，被携带的煤粉量也就越多。现场实 验中空压机提供的返排气体排量决定了空气携带煤 粉能力的大小[8-9]。 2 造穴效果影响研究 对比了淮南矿区谢一煤矿 2 口空气动力造穴井 的数据，施工了 1 口实验井，并对实验井进行了数 值模拟分析和工程实践效果分析。 2.1 数值模拟分析 2.1.1 流固模型方程 煤体是具有骨架结构的连续多孔介质，在被高 压气体压缩后会产生应变和位移，孔隙内的气体或 液体也会在压差的作用下发生流动，因此需要将煤 体的变形与流体的运动综合考虑， 建立流–固耦合方 程，来分析注气增压过程中煤储层状态的变化。由 于煤储层内煤体和流体是处于同一压力系统下，因 此需建立考虑孔隙压力的煤体变形方程和流体控制 方程，通过孔隙压力项和位移项进行相互耦合[10]， 对多物理场进行分析和求解，气水两相流体与煤体 变形的耦合方程为 g w ggww gg ww gwgw 0 τ τ v KK KK pp B μB μ SS SSε φ tBBBBt     1 式中 为哈密顿算子； K 为绝对渗透率， 10-3 μm2； Kτg、 Kτw为煤层气和地层水的相对渗透率，10-3 μm2；Bg、Bw 为煤层气和地层水体积系数； Sg、 Sw为煤层气和地层水 的饱和度，；μg、μw为气相和水相黏度，mPas；ε 为体积应变；φ 为孔隙度；p 为孔隙压力，MPa。 2.1.2 数值模拟及结果分析 数 值 模 拟 实 验 采 用 多 物 理 场 耦 合 软 件 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 45 卷 COMSOL Multiphyscis简称 COMSOL，该软件可 用于所有可用偏微分方程描述的物理过程的求解。 本次数值模拟以各向同性和连续弹性介质、弹性小 变形、 广义虎克定律、 达西定律、 吸附饱和、 Langmuir 方程为基本假设条件， 通过 COMSOL 软件建立多物 理场耦合数值模型[11]，在煤体表面加载不同的法向 应力模拟注气增压作用，分析不同压力下的煤体应 力应变的变化情况，从而确定空气动力造穴注气增 压的传导范围，分析造穴效果。 数值模拟的物理模型选用 x、y、z 三轴式直角坐 标体系，以煤储层层理面为 x-y 平面， 以走向方向为 x 轴，y 轴与 x 轴垂直，以煤层倾向方向为 z 轴正方向； 模型大小 xyz 设为 100 m100 m20 m， 井筒穿过位 于 x-y 坐标平面中心，井筒直径 0.3 m，见图 1。 图 1 数值模型示意图 Fig.1 Schematic numerical model 数值模拟的主要参数包括初始注气半径、注气 速度、注气煤层厚度、储层压力、最大和最小水平 主应力、煤岩密度以及相关的煤岩力学参数。本次 实验在空气动力造穴前进行了机械扩孔和水力扩 孔，将井眼半径从 0.15 m 扩大至 1.00 m，数据见 表 1，模拟结果云图见图 2。 表 1 参数设置 Table 1 Parameter setting 参数名称 赋值 初始注气半径/m 1.00 注气压力/MPa 8.00 注气速度/m3s-1 1.35 注气煤层厚度/m 6.55 初始瓦斯压力/MPa 0 储层压力/MPa 3.85 最大最小水平主应力/MPa 11.008.00 煤岩密度/kgm-3 1.51 内聚力/MPa 1.90 内摩擦角/o 29.00 体积模量/103 MPa 6.11 剪切模量/103 MPa 1.45 抗拉强度/MPa 2.15 图 2 注气井筒周围储层气体压力图 Fig.2 Gas pressure in coal seam around gas injection well 注入气体压力从井筒向四周逐渐降低图 2， 应 力集中区位于距离井壁 2.5 m 的范围内，压力值为 68 MPa，区域内边界为井眼表面，是最易发生破 碎坍塌的区域；应力变化区位于距离井壁 2.53.7 m 的范围，压力值为 46 MPa，储层气体压力变化明 显，比原始储层气体压力升高了 23 MPa，发生破 碎的可能性较大； 应力恢复区位于距离井壁 3.77 m 的范围，压力值为 43.8 MPa，储层的渗透性会有 一定改善，但储层结构不会受到大幅破坏；应力 稳定区位于距离井壁 7 m 以外，压力恢复至储层 原始值。 数值模拟数据表明注气增压只对钻孔周围的储 层气体压力产生了影响，据井眼 7 m 以外的区域气 体压力并未发生改变，储层渗透性不会有大面积提 升，空气动力造穴技术在碎软煤层中很难达到大面 积改善储层渗透性的作用。 2.2 工程实践效果分析 2.2.1 注气压力影响效果 现场共进行了 17 次空气动力造穴实验施工， 注 气压力 48 MPa，注气排量 60.6 m3/min，现场统计 掏出煤体体积 161 m3，掏出煤体体积数据见表 2。 由于地面统计掏煤量是按照煤粉的体积进行计算， 因此需要将煤粉的体积按照式2换算为煤储层的 煤体体积即为洞穴体积，经现场测量煤粉密度为 1.06 g/m3，换算最终洞穴体积为 112.16 m3，煤储层 洞穴半径从 1 m 扩大至 2.51 m。 ρ VVV ρ  煤粉 洞穴煤体煤粉 煤体 2 根据现场实验结果，每次空气动力造穴施工钻 孔井眼的半径扩大范围均在 0.1 m 左右，处于数值 模拟的应力集中区，表明只有储层气体压力值接近 注气压力时，才能因空气压力“激动”作用发生大面 积破碎和坍塌。初始注气压力为 4 MPa，返排煤粉 量较少，洞穴扩大距离较小，说明注气压力不足以 大面积破坏煤体结构并将煤体粉碎；将注气压力逐 ChaoXing 第 6 期 赵龙等 碎软突出煤层空气动力造穴工程主控因素 25 表 2 实验井空气动力造穴数据表 Table 2 Date of aerodynamic cavitation in test well 次序 注气压力/MPa 掏出煤体体积/m3 换算掏出煤体体积/m3 注气前洞穴半径/m注气后洞穴半径/m 半径扩大距离/m 1 4.00 3.59 2.50 1.00 1.06 0.06 2 4.00 3.88 2.70 1.06 1.12 0.06 3 6.00 8.02 5.59 1.12 1.23 0.11 4 8.00 8.02 5.59 1.23 1.33 0.10 5 7.50 10.03 6.99 1.33 1.44 0.12 6 6.50 10.03 6.99 1.44 1.55 0.11 7 6.50 12.04 8.39 1.55 1.67 0.12 8 6.60 12.04 8.39 1.67 1.79 0.11 9 6.10 11.04 7.69 1.79 1.89 0.10 10 6.20 11.04 7.69 1.89 1.98 0.09 11 6.10 11.04 7.69 1.98 2.07 0.09 12 6.00 11.04 7.69 2.07 2.15 0.09 13 6.00 11.04 7.69 2.15 2.24 0.08 14 6.00 11.04 7.69 2.24 2.32 0.08 15 6.00 11.04 7.69 2.32 2.39 0.08 16 8.00 10.03 6.99 2.39 2.46 0.07 17 8.00 6.03 4.20 2.46 2.50 0.04 总计 161.00 112.16 1.51 渐上升至 68 MPa，返排煤粉量明显提升，洞穴单次 扩大距离也一直维持在 0.080.12 m； 当返排煤粉量急 剧下降时，将注气压力提升至 8 MPa 无明显效果，分 析认为由于洞穴体积过大，注入的空气无法将洞穴内 的煤粉携带进入返排通道， 导致返排煤粉量急剧下降。 将掏出煤体体积、 注气压力通过散点图进行趋 势分析，两者随造穴次数的变化趋势基本一致；在 两曲线尾部由于洞穴体积过大， 煤粉在洞穴内形成 环流，无法被返排至地面，继续提升注气压力已不 能提高单次返排煤粉量，使两曲线出现负相关性 图 3。在注气压力未超过 7 MPa 时，掏出煤体体积 随着注气压力的上升而增大， 在注气压力超过 7 MPa 后，掏出煤体体积随着注气压力的上升而下降，注 气压力为 6.5 MPa、 6.6 MPa 掏出煤体体积达到峰值， 详见图 4 所示。 图 3 掏出煤体体积和注气压力变化曲线 Fig.3 Variation of taken-out volume of coal body and gas injection pressure 图 4 掏出煤体体积与注气压力相关性曲线 Fig.4 Taken-out volume of coal body vs gas injection pressure 2.2.2 返排排量影响效果 高压气体在注入阶段将其动能转化为煤粉的动 能和势能以及摩擦热能，由于气体的动能与其速度 平方及密度成正比，气体在高速运动中几乎是不可 被压缩的[12]，因此可将气、固混合物视为密度相对 均匀的混合相，当煤粉从井底洞穴上升至环空口处 时，由于环空的过流面积远小于洞穴，出现混合气 体压力急剧升高、流速急剧下降的现象，如果此时 的井底气体速度大于返排末速度值式 3， 煤粉将随 高速气体进入环空通道；在环空中由于气体压力不 断下降[13]，气体、煤粉混合相速度会不断上升，煤 粉将被运移至地面。 4 3 gd γγ V Cγ   煤粉气 末 气 （ 3 2 1 2 Eρ V 标 气 4 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 45 卷 ρp ρp  标标 工工 5 22 [π]QVRr 排气 6 式中 V末为煤粉返排末速度，m/s；V气为气体速度， m/s；g为重力加速度，9.8 m/s2；d为注气钻杆内径， m；γ煤粉为煤粉重度，N/m3；γ气为空气重度，N/m3； C为扰流阻力系数；E为气体动能，J/m3；ρ标、ρ工 分别为标准状态和工况条件下的空气密度，kg/m3； p标、p工分别为标准状态和工况条件下的气体压力， MPa；Q排为返排气体排量，m3/min；R为套管内径， m；r为钻杆外径，m。 根据 R R Angel[13]提出的气固两相流最小动能法 认为环空气体能够携带粉尘运移的最小动能与以 15.24 m/s 运行的标准状况下的空气动能相当， 按照式4计算 的动能为 149.80 J/m3[14]，而按照式5压力与密度的换 算公式， 注气压力为 2.4 MPa 的工况下， 携带煤屑所需 的最小空气动能为 3.60103 J/m3， 井底气体的动能需大 于携带煤屑所需的最小空气动能才能将煤粉携带至地 面，因此返排气体动能决定了被破坏的煤体是否能够 有足够的能量被携带至地面。据式6，注气排量为 35 m3/min 时，返排环空通道气体速度为 15.26 m/s，气体 动能为 3.64103 J/m3，稍高于理论最小动能值，空气钻 井现场实测最小气量值一般比 Angel 理论计算值高 25左右[15]， 因此该工况下的排气量过小， 不利于煤粉 返排；注气排量为 40m3/min 时，返排环空通道气体速 度为 17.44 m/s，气体动能为 4.76103 J/m3，返排气体 动能是理论最小动能的 132，注气排量为 60 m3/min 时，返排环空通道气体速度为 26.16 m/s，气体动能为 1.07104 J/m3，返排气体动能是理论最小动能的 297， 均可满足煤粉在返排通道中的运移，但随着空气动力 造穴井底洞穴的增大，洞穴截面积越来越大，气体运 动速度越来越小，气体携带煤粉的动能也越来越小， 煤粉从洞穴进入返排通道也越来越困难。各种工况下 不同位置空气动能计算值见表 3。 表 3 不同工况下空气动能计算表 Table 3 The computation sheet of air kinetic energy in working condition 不同工况 注气压力/MPa 排量/ m3min–1 位置 空气动能 计算值/103Jm–3 注气通道 67.30 2.4 35 返排通道 3.64 注气通道 88.00 2.4 40 返排通道 4.76 注气通道 198.00 2.4 60 返排通道 10.7 为了研究不同注气排量下的掏出煤体体积， 采 用排量较大的空气压缩机进行施工， 结合前期收集 的研究区 2 口空气动力造穴井资料表 4，当注气 压力范围基本一致时， 实验井比 1 号井返排排量增 加 71，掏出煤体体积增加 45 m3，增幅 37；实 验井比 2 号井返排排量增加 50， 掏出煤体体积增 加 20 m3，增幅 14，即随着返排气体排量的增大， 返排煤粉量也随之增大。 表 4 空气动力造穴掏出煤体体积统计对比表 Table 4 Statistical and comparative data of taken-out volume of coal body of aerodynamic cavitation 注气次数 井号 0≤p5 MPa 5 MPa≤p6 MPa 6 MPa≤p7 MPa 7 MPa≤p8 MPap≥8 MPa 注气压力/ MPa 返排排量/ m3min-1 掏出煤体 体积/m3 1 1 2 11 1 3 2.4 35 120 2 1 2 10 2 2 2.4 40 145 实验井 2 0 11 1 3 2.4 60 165 3 结 论 a. 空气动力注气增压只对钻孔周围的储层气 体压力产生影响，空气动力造穴技术在碎软煤层中 很难达到大面积改善储层渗透性的作用，距离钻孔 位置越近煤储层越易遭到气体压力“激动”作用破 坏，在淮南谢一矿实验区碎软煤层注气影响半径约 7 m，影响效果较明显的区域半径为 2 m，影响效果 剧烈的区域半径为 1 m。根据现场实验结果，每次 注气增压洞穴半径扩大距离为 0.1 m 左右。 b. 碎软突出煤层空气动力造穴的注气压力适 合设置为 67 MPa，不宜高于 8 MPa，在一定范围 内，掏出煤体体积随注气压力的增加而增大。 c. 在注气压力一定的情况下，碎软突出煤层空 气动力造穴的返排气体排量越大掏出煤粉量也越 多，但受破碎煤粉总量限制，不会无限制上升。 参考文献 [1] 熊德华， 王珊珊. 煤层气井空气造穴工艺的实践与认识[J]. 中 国煤炭地质，2010，221026–27. 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