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CO2致裂钻孔瓦斯径向non-Darcy渗流影响因素研究
煤炭学报
网络首发时间:2024-06-28 13:36:36
79
作者
张天军
朱诗鹏
庞明坤
武晋宇
刘荣涛
韩明睿
潘红宇
单位
西安科技大学安全科学与工程学院
摘要
CO2致裂作为提升低透煤层瓦斯抽采效率的关键技术手段,其核心机制在于通过将高压CO2注入煤层,诱导煤体内部产生裂隙网络,从而大幅度提升煤层的透气性。CO2致裂技术实施后,致裂孔孔周煤体内形成了大量的宏观裂隙扩展,形成特殊的“环状”孔-裂隙结构,这些孔-裂隙网络构成了孔周瓦斯流动的主要通道。为了深入研究此类“环状”孔-裂隙结构煤体的瓦斯渗流特性,设计构建了LFTD1812-3型瓦斯径向渗流试验系统,以不同粒径组合的“环状”煤样为研究对象,开展了系列瓦斯渗流实验。试验结果表明:1)初始阶段,孔周煤体渗透率随着瓦斯压力的增加有所下降,随后逐渐趋于稳定,在此过程中,破碎区的渗透率普遍高于裂隙区,且随着煤体破坏程度的加深,煤体内流体流动通道持续增多和改善,进一步验证了CO2致裂技术的有效性。2)非达西流因子β与煤体渗透率存在显著的关联性,随着β值的增大,渗透率降低,这与非达西流因子β与煤体孔隙/裂隙结构复杂性的正相关关系一致。原因在于,孔隙率变化较小的情况下(φ≤0.01),由较小粒径(d≤0.4mm)组成的煤样,其非Darcy流因子从1.28×105最终减小到1.4×104;而由较大粒径(0.6≤d≤1.0mm)组成的煤样,非Darcy流因子从2.6×104最终减小到7.5×103,表明较小粒径所组成试样的非Darcy流现象更为显著。3)试样粒径的组合方式对其渗透率具有显著影响,粒径越大导致其孔隙空间越大,组合试样渗透率越大。在“环状”组合试样中,当外环粒径保持不变而内环粒径增大时,渗透率呈上升趋势。由较小粒径(0~0.2mm)组成的外环与由较大粒径(0.4~0.6mm)组成的外环相比,后者的渗透率显著大于前者,且增长趋势更为显著。4)随着有效应力的增加,钻孔周围煤体的渗透率呈现下降趋势,且遵循负指数规律,这种关系可以表示为k=a σ-b,钻孔破碎区,随着有效应力的增大,渗透率的下降趋势相对缓和。此外,有效应力的变化同时会影响到煤体内部的应力平衡状态,进而促使孔周煤体裂隙扩展,煤层透气性将得到进一步提升。基于以上结论,在CO2致裂技术实施过程中,可依据致裂钻孔孔周煤体的瓦斯渗流特征参数,精准确定钻孔的致裂半径,并据此为CO2致裂钻孔间距的合理布置提供理论指导,进而实现低透煤层瓦斯的高效抽采。
关键词
瓦斯抽采
煤层增透
瓦斯渗流
有效应力
渗透特性
文章目录
1.试验方法
1.1试验设备
1.2 试样制备
2 试验原理及方法过程
2.1 试验原理
2.2 试验步骤与过程
2.3 试验数据
3 试验数据分析
3.1 孔周致裂煤体瓦斯渗流参量变化规律
3.2 孔周致裂煤体non-Darcy渗流特征分析
3.3 孔隙度对煤体non-Darcy渗流的影响
3.4 有效应力对煤体non-Darcy渗流的影响
4 结论
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