狮王寺勘查区煤层气开采条件研究

通过对狮王寺勘查区控制煤层气资源的地质构造、煤层特征、水文地质条件及储层参数的分析研究,表明了地质条件和成煤阶段均有利于煤层气的富集,煤层厚度大,稳定性好,煤层气资源量丰富,估算煤层气总量为25.14亿m3,理论可采收煤层气总量为16.63亿m3;水文地质条件也有利于煤层气的开采,可有效解决临界吸附压力和储层压力较大给开采带来的问题;煤层的渗透性较好,储层的破裂压力和闭合压力主要是由地应力引起,根据煤岩特征采用洞穴完井工艺开采本区煤层气资源较为合理.     

叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验方法研究

为了研究滇东-黔西地区的多层叠置含气系统煤层气开采过程中储层参数和产量的时空动态演化特征,在多层叠置含气系统的特殊煤层气成藏模式和已有试验设备的基础上,对煤层气开采系统进行了改造和升级,煤层气开采系统由开采管、开采管路和气水分离器以及其他附件组成。建立一套集合材料选取、试件制备和煤层气开采的煤层气开采物理模拟试验方法,最后对试验系统和方法的优势、今后改进方向和适用条件进行了汇总。为了对开采物理模拟试验方法进行效果验证,以直井为例开展了叠置含气系统煤层气开采试验,研究了4个煤层在煤层气开采过程中的瓦斯压力、煤层温度、煤层变形、产量等参数动态演化规律。结果表明:瓦斯压力以井筒为中心近似呈现椭圆状,越靠近井筒区域瓦斯压力越小,反之越大,气体运移速度由近井段向远井段逐渐降低;煤层温度下降量在煤层内以井筒中轴线为起点呈圆弧状向边界递减,越靠近井筒区域温度下降量越大,反之越小;1—4号煤层在第360分钟的最终体积应变分别为0.000 67、0.001 09、0.001 17、0.001 54,初始瓦斯压力越大的煤层,其最终的变形量也越大,且初始瓦斯压力越小的煤层,体积应变增长速率变缓的时刻越早;瞬时产量曲线呈现在开采初期迅速达到峰值并急剧下降的单峰曲线类型。研究结果验证了叠置含气煤层气开采物理模拟试验方法的可靠性,能够为现场煤层气开采提供参考。     

碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一,其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层,核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征。将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间,结合立方定律,得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz自由能表达式,结合达西定律,导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式。在数值计算中,将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元,通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合。采用断裂力学实验识别材料参数,结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏-渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性。在此基础上,模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程,包括水平井和界面的间距D,竖向与最小水平地应力之差Δσ,煤岩界面摩擦因数f_c,r。结果表明:(1)DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏-渗流耦合响应特征;(2)煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展,其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散,导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2%;(3)数值模拟条件下,水力裂缝穿透煤岩界面的临界f_c,r与D呈正相关,与Δσ呈负相关关系。D对临界f_c,r的影响更大,将D控制在1 m之内有望使18%~30%的水力能量用于水力裂缝扩展,提高间接压裂煤层技术的成功率。水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用,实现碎软煤层地面井煤层气增产,为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑。     

霍宝干河矿含隔水层特性及对下组煤开采的影响分析

为了研究霍宝干河矿高承压含水层对煤层开采的影响,基于现场实测资料,确定了井田范围内的主要含隔水层特征及其空间分布关系,得出了底板承压含水层为中等富水含水层.针对高承压含水层对下组煤开采可能造成的底板突水,采用FLAC~(3D)数值模拟手段,得出了工作面开采宽度与煤层底板破坏深度的关系及渗流发育的规律.当工作面的开采宽度大于160 m时,煤层底板的破坏深度不再随开采宽度的变换而变化,而是稳定在25 m,加上阻水带厚度13 m,小于底板46 m的隔水层厚度;在应力一渗流耦合的过程中,开切眼处单元孔隙水压力最高上升到2.4 MPa,且变化过程中孔隙水压力始终小于承压含水层的水压,不会发生煤层底板突水事故.     

小尾沟煤矿奥灰水带压水文地质条件评价

根据小尾沟煤矿地质资料,对井田水文地质条件进行分析,采用突水系数法、安全水头压力值计算法等方法对该矿奥灰水带压水文地质条件进行了评价。根据水文孔资料推测,井田内奥陶系O_2f+O_2s水位标高为525.50—527.50 m,井田内南部9、10、11号煤层最低底板标高为440 m,低于奥灰水位,属局部带压开采煤层。经计算,11号煤层的掘进工作面的安全隔水层厚度为4.78 m,小于矿井11号煤层至奥灰界面隔水层平均厚度21.60 m。采用突水系数法对回采工作面奥灰带压进行评价,经计算,井田内11号煤层最大突水系数为0.047MPa/m,小于临界值0.06 MPa/m,另在带压区范围内的断层两侧划出30 m的范围作为突出危险区;采用安全水头压力值计算法对回采工作面奥灰水带压进行评价,经计算,井田内煤层底板隔水层承受的水头压力均小于安全水头压力。     

煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律,开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验,通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明：水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力,当最大水平主应力与最大垂直应力接近时,裂缝沿应力的合力方向扩展;应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展,且穿层后的扩展距离增大,而对初始起裂压力和时间的影响较小;裂缝由岩层扩展进入煤层后,压裂压力会出现骤降与二次抬升,多数声发射事件位于煤层;若穿层失败,压力表现为持续波动。此外,在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管,注水起裂点设在岩层中起裂难度较低,且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整,为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。     

非平衡吸附模型在煤层气数值模拟中的应用

详细论述了煤层气在微孔中吸附、解吸以及由微孔到裂缝扩散的非平衡吸附模型,并将其与裂缝中的气-水两相渗流模型以源汇项的方式联合起来,建立煤层气数值模拟的耦合模型．利用此模型对实际煤层气孔的试验采气动态进行了生产史匹配．结果表明,在煤层气数值模拟中,应用非平衡吸附模型能够充分体现煤层气藏双重介质的性质及煤层气解吸后从微孔向裂缝扩散的时空过程,克服了平衡态模型把煤气层作为单孔隙介质,将微孔中气体浓度只看作是裂缝中压力的函数,而与时间无关的弱点,使数值模型更接近煤层气开发中解吸、扩散、渗流的实际过程,模拟和预测煤层气的开采动态,评价煤层气储量更准确、更可靠．     

胶结充填体渗透性试验研究

胶结充填体的渗透性是其重要性质之一。在充填采矿中,胶结充填料浆充入采场或采空区后,要求其具有良好的透水性,能够较快地疏干排水,以便能够缩短回采周期,减少挡墙和滤水井的压力。采用自行设计的渗流仪进行了结构流胶结充填体的恒水头渗流试验和变水头渗流试验,得到了不同配比的胶结充填体的渗透系数,研究了物料配比与胶结充填体渗透系数的关系以及胶结充填料浆在充入采场后的渗流规律。结果表明,灰砂比相同时,胶结剂中水泥含量越高的胶结充填体的渗透系数越低;充填料浆在充入采场后,开始时以恒定的渗透系数渗流,经过一段时间后,随着胶结剂的胶凝作用,充填体渗透系数开始降低,待水完全疏干后,从塑性体料浆变成具有一定强度的弹塑性充填体。     

煤层气井单相水流拟稳态排采模型与应用效果分析

为实现煤层气井的定量化排采管控,有效提高单井产气量,以沁水盆地南部马必东试验区高阶煤为研究对象,依据裂缝储层饱和水单相渗流机理,分析了压裂返排后各级裂隙对排水效果的影响,结合压裂与排采数据,探讨了压裂改造范围内的压力传播特征,将排水区域划分为单相流弹性排水区与两相流弹性排水区,通过建立垂直裂缝线性流拟稳态模型,确定了与试验区地质条件相符的排采控制原则。研究表明:在饱和水单相流阶段,压裂裂缝是水相主要渗流通道,为水相强流动区,100μm级(渗透率1×10~(-15)～1. 2×10~(-15)m~2)外生及微型裂隙对煤层应力、压力传播及气体解吸最为敏感,为水相弱流动区,排采过程中应同时考虑低压力梯度造成的非线性渗流效应与应力敏感作用;排采模型显示:在垂直裂缝拟稳态渗流阶段,储层压力分布呈抛物线型,近井区域产水量高于边界区域,表现为更易发生解吸,单相水流期的渗流阻力主要由煤岩渗透率、排采时间、煤岩压缩系数、裂缝尺寸、压裂改造半径、驱替压力梯度、孔隙压力等多种因素影响,为保证解吸气的连续、高效产出,马必东试验区按照"快-慢-缓"的排采原则,存在合理的排采界限(0. 05～0. 10 MPa/d);针对高阶碎裂煤,在定流压降幅条件下,产水曲线形态可划分为稳定型、上升型与下降型,同时反映了不同煤储层的供水特性,高产能井解吸前通常出现气驱水尖峰。     

低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究

概括地介绍了通过实验提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,论述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,该区事实上成为煤层气开采的屏障区;本煤储层割缝,使煤层卸压的同时,还产生大量裂缝,是改造低渗透煤储层的最有利的技术方向,并研究了有效的割缝高度。     

低渗透煤层瓦斯解吸渗流规律的试验研究

如何提高煤层气采收率是目前煤层气开发的重点课题。通过实验揭示了温度是影响煤层气渗透率及解吸渗流量的关键因素之一,得到了非等温条件下煤层气解吸-渗流规律。实验通过自制的温控三轴煤层气解吸渗透仪进行规律探究。经数据拟合,分析得出:不同温度条件下,渗透率随孔隙压力的增加以指数形式递增;在相同围压、轴压和孔隙压力条件下,等温解吸时,煤样瓦斯渗流量随温度的增加而呈现指数递减规律;升温解吸时,解吸量比低温下的渗流量增加,孔隙压力越大,渗流量增加越明显。根据试验结果,认为在注热开采煤层气时,通过间歇式注热(蒸汽吞吐)使煤层温度梯度不断变化,煤层发生升温解吸,有利于煤层气的产出。对低渗透煤层瓦斯开采提出新的思路。     

煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验

探讨煤岩水压裂缝扩展规律是提高煤层气开采效率,降低开采安全风险及成本的重要课题。采用原煤试样,参照煤层气井水力压裂工程制定了“三轴向施加围压-顶部钻孔-下射流管注水”的煤岩水力压裂裂缝扩展物理模拟实验方案,根据实验方案结合现有实验条件开展了煤岩水力压裂物理模拟实验及煤岩裂缝检测实验。实验结果表明：煤岩沿层理面方向裂缝的发育程度要高于垂直层理面方向的裂缝;煤岩水压裂缝扩展形式以注水孔壁原生横向裂缝扩展为主,纵向裂缝扩展为辅,且裂缝呈直线形、跳跃性扩展。同时,根据实验结果分析提出：实际煤储层水力压裂工程中,射流孔应尽量布置在井壁含有较多横向原生裂缝的位置,提高煤层气井水力压裂质量;对于井壁同时含有较多横向裂缝和纵向裂缝的储层,采用“控压”压裂方式提高造缝质量;对于厚储层,采用“分段-分压”压裂方式构造横纵交织的裂缝网,提高煤层气的开采效率;尽量避免在含较多纵向原生裂缝及较大断层的井壁位置布置射流孔,以免引起煤储层顶板、底板失稳破坏,造成安全事故。     

煤层注氮气置驱瓦斯过程压力场数值模拟

文章建立了煤层气体流动的渗流、扩散、多元气体吸附解吸等多物理场耦合数学模型,基于COMSOL Multiphysics有限元模拟软件和MATLAB仿真软件,模拟和分析了煤层注氮气过程中煤层气体压力场分布规律。结果表明:注气过程中煤层气体压力随时间迅速升高,煤层气体最高压力小于注气压力;煤层注气过程中,煤层压力场分布规律为:同一时刻在煤层水平面上,随距注气口距离的增大,煤层气体压力逐渐降低,同一时刻在煤层垂直平面上煤层气体压力呈现以注气轴为中心向外逐渐降低的趋势。注气后卸压过程中煤层气体压力随时间迅速降低,且模拟条件下煤层中没有形成高压残留。     

双承压水间采煤顶底板破断及渗流规律

以山西某煤矿双承压水间下组煤开采为背景,针对煤岩应力-渗流耦合机理,采用相似材料模拟和离散元数值模拟,揭示双承压水间下组煤不同开采尺度下岩体断裂模式和渗流规律,提出顶板导水裂隙带发展模式,并建立底板“四带”形成与工作面开采过程的对应关系。研究发现：初采期间底板仅发育矿压破坏带,达到充分采动后,新增损伤带及采动导高带开始出现,新增损伤带主要集中于工作面下方。采动岩体应力-渗流耦合效应归结为：煤层开采导致顶板破裂和应力的降低,顶板岩体渗透性能增大,太灰水透过顶板裂隙渗入采空区和工作面;底板隔水层在奥灰高承压水的楔劈作用下发育导高裂隙并导升。当残余水头压力无法继续劈裂隔水层岩体抗拉强度,底板岩层重新恢复到应力-渗流稳定状态。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

报废立井井筒封闭及充填技术研究

针对协庄煤矿已停止使用并报废的-550副立井,研究确定立井井筒封闭和充填方案。通过理论计算2煤层开采后导水断裂带高度,确定井筒混凝土浇筑密实充填段深度,井筒混凝土浇筑密实充填段至2煤层顶板36.5 m处,考虑到煤层赋存不稳定因素,确定井筒混凝土浇筑密实充填段至2煤层顶板45 m处;提出了立井采用混凝土井盖封堵+井筒密实充填方案,井口采用混凝土盖板封闭方式,井筒采用分段密实充填方式,井筒下段混凝土充填深度211.5 m,井筒上段矸石充填深度545 m;井底通道密闭墙采用楔形结构,外侧增加斜撑墙,实现井筒安全封闭,以及井筒封闭后压覆资源的安全开采。     

上行开采条件下多煤层开采覆岩破坏规律研究

为了定量研究上行开采条件下单一煤层和多煤层开采的覆岩破坏规律,利用FLAC3D数值模拟软件,分别对麦垛山煤矿仅开采6煤和先开采6煤后开采2煤两种情况下覆岩破坏规律进行了研究,结果表明:仅开采6煤时,弯曲下沉带主要发育在地表以下491.02 m,导水裂缝带发育高度为51.70 m,地表下沉值为94.00 mm;先开采6煤后开采2煤时,弯曲下沉带主要发育在地表以下380.00 m,6煤导水裂缝带发育高度为59.00 m,地表下沉值为375.00 mm。上行开采对于下部煤层6煤导水裂缝带发育高度影响不大,由于上部煤层2煤导水裂缝带的发育,导致弯曲下沉带范围缩小,地表下沉值由于上部煤层2煤的开采而显著增大。     

煤层倾角对煤层气水平井产能影响的数值模拟

对于含倾角的煤层,由于重力势能的影响,不同煤层倾角下水平井表现出不同的产能规律。在考虑煤层气藏与水平井筒流动耦合的基础上,以煤田煤层实际资料为例,通过数值模拟的方法研究了不同煤层倾角下水平井生产过程中的压力和气相饱和度分布情况,并对U型水平井的后期生产方式给出了建议。模拟结果表明,水平井跟端位于煤层倾角低部位时排水效果更好,产气量更高;随着煤层倾角的增大,煤层气水平井累积产气量与产水量均减小;不同煤层倾角下,受气水重力分异的影响在生产过程中会出现气体在倾角高部位聚集的情况,且倾角越大这种现象越显著;利用U型井开采倾斜煤层时,在开发后期可使其两端同时生产,以达到顶部产气底部产水的效果,使倾角高部位聚集的气体也得到有效开采。     

逐级堆排尾矿泥浆排水固结规律试验

设置竖向排水体可有效加快湿堆尾矿泥浆排水固结,提高土体稳定性。为研究排水体作用下逐级堆排尾矿泥浆排水固结规律,通过模型试验对其排水固结过程进行了模拟。试验结果表明:各层孔隙水压力与沉降在土体排水固结过程中变化并不完全同步,应力变化滞后于应变变化;停排期第35 d后孔隙水压力值降幅明显减小,由外加水头下自由水渗流转变为孔隙水渗流;进一步将逐级堆排尾矿排水过程分为沉降絮凝、絮凝压缩、絮体压缩固结、覆水自重固结阶段及自重压缩固结5个阶段;建立了排水体作用下尾矿孔隙渗流模型,并根据该模型计算排水体不同堆积高度最大影响半径,最大影响半径随尾矿的固结程度的提高而逐渐变小,第35 d后0.5 m及1.0 m堆积高度影响半径分别降低至约1.7 m及2.2 m。     

伊犁一矿砾石土三轴渗透试验研究

为了探寻伊犁一矿砾石土级配、初始孔隙比和水头压力对渗透系数的影响,利用多功能静动三轴试验机室内试验方法,进行不同级配、初始孔隙比和水头压力的砾石土渗透试验研究.试验结果表明:①伊犁一矿砾石土渗透系数k和初始孔隙比的关系是,渗透系数k随着初始孔隙比e0的增大而增大;②渗透系数k也随着水头压力的增大而增大,同时渗透系数和水头压力具有线性的关系;③在相同的水头压力下,渗透系数k随着围压σ3的增大而减小.研究结果,为伊犁一矿井筒渗流稳定分析提供更加合理的计算参数.