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创

新点

（1）针对深部煤层储层压力大，地应力高，渗透率低等特点，基于切割卸压提高储层渗透率原理，综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式，提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。

（2）阐明了深部煤层气定向井+水力割缝卸压方法在网格化流体运移通道，扩大卸压范围和程度，强化煤层气解吸扩散，适用深部煤层复杂地质条件等方面的特点与优势。

（3）认为水力缝槽参数控制，固相颗粒的返排，定向井完井与水力割缝匹配性以及高压流体传输动力损失是深部煤层气定向井+水力割缝方法应用过程中需要解决的关键问题。

（4）提出了深部煤层气定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气增渗增产改造以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面的应用前景。

作 者

卢义玉1,2,3，李 瑞1，鲜学福1,3，葛兆龙3，夏彬伟1,2

单 位

1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室；2. 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室；3. 重庆大学 资源与安全学院

研究背景

钻井和水力压裂是当前应用最普遍的煤层气井人工增产改造技术。我国绝大多数地面煤层气井采用垂直钻井+水力压裂的方法进行增产改造。对于煤体结构完好,厚度稳定的煤层则可以采用定向井(水平井、L型井等)或多分支钻井+分段水力压裂方法来增加煤层导流通道和提高储层渗透率来提高煤层气产量。然而,工程实践结果表明,煤层气水力压裂适用于原生结构煤以及碎裂煤这类煤体结构较为完好的煤层当中,而对于碎粒煤与糜棱煤这类松软煤层,压裂造缝效果较差。

矿井下瓦斯抽采是我国煤层气资源开发的另一主要途径,其开发历史以及产量贡献都远超地面煤层气井。对瓦斯突出煤层进行大范围有效卸压是矿井下瓦斯抽采的主要途径,即通过人工改造诱导原地应力释放,引起煤岩移动与变形,增加储层孔隙度和渗透率,从而降低储层压力。以保护层开采、高压水射流和水力压裂等为代表的煤层卸压增透强化措施已经逐步形成了较为成熟的矿井瓦斯防突与抽采技术体系。对于煤层构造破坏严重的高瓦斯突出矿井,通过保护层开采、高压水射流(水力冲孔、水力割缝)等手段,在煤层中形成卸压空间,可以有效释放周围煤体应力,增加煤层透气性,提高煤矿瓦斯抽采效率。为解决深部煤炭资源开发的瓶颈难题,谢和平等提出了煤炭深部原位流态化开采的科学构想和理论技术体系,深部煤炭资源流态化开采技术颠覆了传统的采煤方式,该技术体系中煤炭及其伴生矿产资源的开发可实现地下无人智能原位流态转化开采及液(气)化抽采。高压水射流是一种可将固体煤炭切割破碎成流态化与煤层气共同采出地面的具体措施,具有广泛的应用前景。

由于高压水射流具有良好的冲孔(刷)效果,近年来我国地面煤层气开发尝试发展了水射流技术,主要包括水力喷砂射孔,径向水平井(或径向水力钻孔),以及水平井水力喷射造洞穴等。这些技术推动了高压水射流技术在地面煤层气井开发的应用,在一定程度提高了煤层气井产量,表明了高压水射流技术在地面煤层气开发中较好的应用前景。然而,水力喷砂射孔及径向水力钻孔技术仍以直接增加储层导流通道为主要原理,均是在煤层内水力造孔,孔径范围一般为数到数十毫米,其形成的卸压空间十分有限。尚未充分考虑地应力变化对储层压降影响这一因素,卸压效果也较为有限,在应用过程中常常作为水力压裂的辅助措施改造煤层气储层。

鉴于深部煤层气储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,可以利用深部煤层地应力高的特点,通过切割造缝利用地应力变化增加储层孔隙和渗透性,来降低储层压力。基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,重庆大学高压水射流研究团队提出地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的理念。该卸压方法通过在深部煤层中定向钻井并分段实施高压水力割缝,在煤层当中切割产生多组盘状缝槽,沟通天然裂缝系统,诱导产生裂隙;同时,缝槽形成卸压空间,相当于在煤层内建立多层“保护层”开采空间,可以利用地应力变化降低储层压力,达到增加储层渗透率,提高煤层气井产量的目的。该方法增渗降压原理不同于传统地面井水力压裂方法,卸压空间也远大于水力喷射孔眼和径向水力钻孔孔眼尺寸,有望为深部煤层气资源地面开发开辟新的途径。

摘 要

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。

地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。

相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。

鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。

部分图片

煤层气水平井+水力割缝卸压方法示意

定向井+水力割缝卸压方法工艺流程

定向井眼和水力缝槽与天然裂缝连通

水力割缝诱导新裂缝形成的示意

未割缝钻孔与水力割缝钻孔竖直应力云图[25]

水力缝槽几何参数表示

作者简介

卢义玉，男，1972年1月生，博士，教授，博士生导师，长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室主任，重庆大学资源与安全学院院长。国家公派澳大利亚昆士兰大学访问学者，入选国家“万人计划”领军人才、国家百千万人才工程、中青年科技创新领军人才、教育部创新团队学术带头人，国家有突出贡献的中青年专家，中国青年科技奖获得者，教育部新世纪优秀人才地下采矿技术，重庆市采矿学科学术带头人，享受国务院政府津贴。担任中国煤炭学会理事，国家安全生产专家组成员，中国水射流学会副主任委员，美国水射流协会会员，全国专业标准化技术委员会委员，重庆市科学技术协会会员、《重庆大学学报（自然科学版）》、《土木建筑与环境工程》编委等职。

研究方向

矿山动力灾害防治；非常规天然气开发；高压水射流理论及技术

主要成果

长期从事高压水射流理论及在非常规天然气开采应用方面的研究，针对低透气性煤层瓦斯抽采的技术难题，提出了水利化网格破碎煤层增透的学术思路，开展了高压振荡射流碎裂煤岩动力学、网格化造缝卸压及复合压裂增透机理等方面的研究，建立了水力化网格破裂煤层增透理论，开发出高压振荡射流造缝及复合压裂增透关键技术及装备。先后承担973课题、教育部创新团队、国家重大专项子课题、国家自然科学基金等纵向、横向课题40多项。发表学术论文130余篇地下采矿技术，被SCI、EI收录110余篇，授权发明专利23项，出版著作6部，获国家科技进步二等奖2项、三等奖1项、省部级一等奖4项。