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摘要
我国煤层渗透率低、瓦斯压力高、含量大,原始煤层瓦斯抽采困难。为提高煤层瓦斯抽采率、缩短预抽时间,必须实施人工增透。而众多压裂增透技术中,液态CO2压裂具有压裂增透和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是当前低渗透煤层压裂改造方法的一个研究热点。由于压裂增透的效果与煤层孔裂隙发育程度密切相关,而煤层复杂多变的地质赋存条件和钻孔压注参数均对煤层裂缝的形成和扩展产生显著影响。因此掌握液态CO2压裂过程中裂缝形成和扩展规律,研究复杂裂缝形成机制,分析影响裂缝扩展的主要因素,对于液态CO2压裂增透技术的有效实施,提高瓦斯抽采效率具有重要的科学意义和工程应用价值。本文综合运用理论分析、实验研究、数值模拟和现场试验等手段,围绕煤岩体液态CO2压裂过程中裂缝的起裂和扩展机制及其影响因素、压裂后煤层中气体运移、压裂增透效果等方面的内容进行了系统地研究。取得的主要研究成果如下:(1)系统地分析了煤层中水力压裂和液态CO2压裂裂缝起裂差异。相比水力压裂,液态CO2由于其低黏和强渗透性,其在煤层钻孔周围产生的孔隙压力和周向应力显著降低了煤层的起裂压力;对于增压速率对起裂压力的影响,通过引入特征长度理论,建立了考虑增压速率基于点应力破裂准则的起裂压力模型,对其进行归一化运算确定了起裂压力的上下限。(2)以Ⅰ型裂缝断裂准则为裂缝扩展判别条件,将牛顿流体本构方程、压裂流体运移控制方程联立,建立了恒定压注流量下的扁椭圆体裂缝扩展模型,获得了沿裂缝长度的压力分布;推导了液态CO2压裂与水力压裂裂缝扩展距离的定量表征关系,为压裂钻孔的布置提供了理论依据。该模型揭示了煤岩体内裂隙的扩展受其断裂韧性(XIC)、地层压力(σ1,σ2)、注液压力(p0)、压裂液黏度(μ)、裂缝产状(b)等的综合影响;且裂缝扩展距离随着压裂流体黏性的增大而减小,随着压裂裂缝宽度的增加而增大;裂缝宽度对裂缝扩展距离的影响比压裂液黏性的影响更显著。(3)开展了真三轴应力条件下清水和液态CO2垂直钻孔压裂,探讨了压裂液类型、水平应力差、注液流量等对煤岩起裂压力和裂缝扩展的影响规律,验证了起裂压力模型。发现相比清水压裂,液态CO2压裂产生较多的次生裂缝,激活更多的原生裂隙,形成更为复杂的裂缝网络,液态CO2压裂裂缝扩展受水平主应力影响较小,而受原生裂隙的影响较大。(4)构建了液态CO2压裂前后煤层双组分气体运移数值模型,采用相变点热源耦合实际状态方程动态计算物性参数模拟松散煤体内液态CO2相变,通过与室内实验和现场试验的对比,验证了所采用模型和模拟方法的有效性。模拟结果表明:在距离液态CO2压裂钻孔1.0～1.25 m的半径范围为低温圈,此范围内煤层由于冷冲击作用,抗拉强度下降,有利于煤层起裂;CO2的扩散范围和煤层CH4置换半径随时间的变化符合指数函数y=Aeβt+y0。(5)基于煤层液态CO2起裂压力模型和相似模拟实验,综合考虑淮南矿区煤层赋存,确定了液态CO2压裂增透工艺关键参数,研发了国内首套井下高压(30 MPa)液态CO2压裂增透煤岩成套装备;基于裂缝扩展模型,优化了压注孔与考察孔的布置间距,进行了井下上向穿层钻孔的液态CO2压裂增透煤层现场试验,对理论计算模型和压裂增透效果进行了工程验证。
- 出版日期2021
- 单位西安科技大学
