“水射流理论与技术及其在能源开发中应用”专栏

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“水射流理论与技术及其在能源开发中应用”专栏

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2022年第9期。

行业视野: 煤炭学报
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《煤炭学报》2022年第9期封面

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《煤炭学报》2022年第9期目次

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我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考

作者(Author)：卢义玉, 黄杉, 葛兆龙, 周哲, 刘文川, 管娅蕊

摘要：煤炭是我国能源安全的“压舱石”，具有重要的兜底保障作用。随着我国煤炭开采逐步向深部进军，深部矿井所面临的构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等情况日趋严重，以煤与瓦斯突出为代表的灾害防治难度逐渐增大，严重制约着我国煤炭安全高效开采。大范围提高煤层透气性是消除突出危险性并提高煤层气抽采效率的关键。传统煤层增透技术如密集钻孔等单孔增透范围偏小、抽采效率较低;常规压裂技术受制于地应力作用常存在水力裂缝形态单一、易损伤顶底板等不足，且裂缝两侧增透“空白带”内遗留瓦斯在后续开采过程中易诱发灾害。近几十年来，以提高煤层透气性、瓦斯抽采效率，减少煤与瓦斯突出风险为导向，诸多水射流技术因其效果显著、清洁等特点，逐渐成为了煤储层卸压增透、强化瓦斯抽采的主要方法。梳理了我国水射流技术增透煤层强化瓦斯开发的研究历程及最新进展，系统性归纳了水力冲孔、水射流割缝卸压、割缝导向压裂、树状钻孔均衡增透强化瓦斯开发理论及技术研究现状。我国对能源安全战略布局不断深化，然而面对深部煤层瓦斯动力灾害的复杂性、特殊性和突变性，目前煤矿水射流卸压增透措施仍存在技术协同性不够等亟待攻克的难题。基于新形势下保障国家能源安全的极端重要性，针对性分析了水射流强化瓦斯开发技术在运用中所存在的不足与局限，提出了未来重点发展趋势及展望。

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我国煤层气开发技术现状与发展趋势

作者(Author)：黄中伟, 李国富, 杨睿月, 李根生

摘要：我国煤层气资源丰富，但是由于赋存条件复杂、勘探开发技术难度大、不同地质条件下煤层气开发技术通用性差等诸多难点，导致单井产量普遍较低。首先梳理了近年来我国煤层气在钻井、完井、压裂、排采、提高采收率、人工智能方面取得的成效和关键技术进展，分析了现阶段不同技术在不同煤储层中的适用性。然后，总结了目前煤层气开发面临的难题与挑战:复杂的煤层地质条件;对煤层气赋存特点和增产机理认识不够充分;尚未形成针对我国不同煤层地质条件的适用性技术;“地质-工程一体化”理论与技术尚不成熟。为此，提出了煤层气高效开采的总体思路为:特定条件+适应性关键技术，鼓励多气合采、煤气共采，并提出了几项具体的储备型技术:深部煤层超临界 CO2径向井注入-聚能压裂-CCUS 一体化、液氮-氮气复合/ 循环压裂、水平井水力喷射分段造穴、煤层气智能完井与排采决策系统及煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式等。最后，对“双碳”目标背景下煤层气高效开发的发展方向和趋势提出了建议:以“实现智能化、低碳化、配套化、经济化、可持续化发展”为基本理念，以“研发智能勘探-钻采-生产管控技术装备、建设智慧能源平台和数据中心” 为目标任务，围绕“ 地质-工程一体化” 的核心思想，强化基础研究，实施先导性示范工程，突出原创性、引领性、颠覆性技术研发，构建智慧煤层气田。以期为煤层气经济高效开发及可持续发展提供参考与借鉴。

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腔径比对自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流性能影响

作者(Author)：魏建平 , 崔家玮, 张铁岗, 沈荷莲, 司磊磊

摘要：井壁稳定性低及煤层透气性低是限制煤层气开采的关键因素，超临界二氧化碳射流钻井技术在煤层气开采中有其独特的优势，由于其高密度、低黏度和扩散性强等特点，在增强井壁稳定性及提高采收率的同时，能够实现二氧化碳的地下封存。但较高的系统能耗限制了超临界二氧化碳射流钻井技术的推广应用。在此基础上，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流技术降低了系统能耗，推动了碳利用、封存技术的应用。为丰富完善自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流理论，开展腔径比对于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流性能的影响研究。基于流场结构角度，采用数值模拟优选出适用于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的腔径比范围，分析腔径比对射流脉冲性能的影响。开展不同腔径比条件下，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲压力测试实验，得出腔径比对于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流脉冲压力的影响规律。采用自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流破煤岩实验系统，开展不同腔径比条件下的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流破煤实验，对比验证不同腔径比条件下的射流脉冲性能。结果表明:腔径比并非孤立的影响因素，其与上游喷嘴直径相关共同影响射流的脉冲性能及破煤效果。不同的上游喷嘴直径存在与其匹配的最优腔径比，匹配度越高，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲压力越大、破煤效果越好。上游喷嘴直径分别为 2.6，2.4 mm，腔径比分别为 3.5，3.0 时，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲性能最佳，射流破煤效率最高。

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双空化射流中心体结构优化及破煤岩特性

作者(Author)：涂翊翔, 樊辰星, 钱亦楠, 王晓笋, 康勇, 李登

摘要：水射流割缝造网技术是增加煤层透气性、提高煤层气开采效率的有效途径。与普通水射流相比，空化射流因空泡溃灭产生的强大冲击具有更高的破岩效率。为进一步增强空化射流破煤岩能力以促进煤层气开发，分别利用中心体和高低压射流产生绕流空化与剪切空化来提升空化效应，提出了新型的非淹没双空化射流。基于多相流Mixture模型和RNG  k-ε输运方程，对不同嵌入深度与不同形状中心体下的流场进行了数值模拟，分析了射流流场气含率和轴线速度分布特征，得到了双空化射流中心体结构的最优参数。随后，结合群泡溃灭动力学理论，将最优中心体结构下双空化射流的压力与气含率作为边界条件，利用多物质流固耦合算法与ALE（任意拉格朗日-欧拉）算法对双空化射流冲击煤岩进行了耦合求解。探究了煤岩破碎过程中流体与固体的相互作用特征及煤岩的破碎过程，并对比分析了双空化射流与普通水射流的破岩效果。研究结果表明，在中心体嵌入深度l=0.5 mm时，双空化射流的含气区域最大，在距中心体末端10 mm位置处气含率可达0.9，空化效果最好；中心体AB端均为90°锥角时，双空化射流的集束性与空化效果同时最优。由双空化射流破煤岩的流固耦合结果可知，其对煤岩的冲蚀深度和孔径明显大于普通射流，在100 μs时双空化射流对煤岩的冲蚀深度和孔径分别为普通水射流的2.4倍和1.3倍。随着时间的延长，冲蚀孔径不再明显增加，而冲蚀深度不断增大，且与冲蚀时间呈线性关系。研究结果证明双空化射流具有更强的空化效果，破煤岩能力更强，因而可在一定程度上促进煤层气的开采。

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冰粒磨料射流冰粒加速规律及破碎煤岩数值模拟

作者(Author)：黄飞, 焦杨洋, 米建宇, 李树清, 赵志旗, 刘勇

摘要：为了高效增加煤层透气性强化煤层瓦斯抽采，首次提出采用冰粒磨料代替传统磨料的煤层射流割缝增透新技术，以解决常规磨料射流煤层割缝中出现的堵塞孔隙裂隙等瓦斯渗流通道、增加孔壁摩擦阻力导致卡钻抱死等缺陷。然而，鉴于冰粒磨料与常规磨料的差异性，其加速特性与破碎煤岩效果尚不清楚。采用理论推演法研究了冰粒磨料的加速特性和速度分布规律，在此基础上构建了数值计算模型分析了射流速度、冰粒体积分数以及围压对冰粒磨料射流破碎煤岩效果的影响规律。研究结果表明:1 冰粒磨料掺入高速流体后获得了先增大后减小加速趋势，最终其速度可接近纯水的速度，大幅提升了冰粒磨料的冲击动能，为后续数值模型冰粒速度的赋值提供了依据; 2 数值计算结果出现 V 型破碎形态，同时冰粒磨料在冲击煤岩前后出现消融现象，符合现有文献研究结果和工程实际情况，表明所建数值模型具有适用性;3 煤岩纵向破碎深度随冰粒磨料射流速度的增加而线性增加，横向破碎宽度随速度先增加后趋于稳定，煤岩纵向损伤深度约为纵向破碎深度的 1.13 倍;4 冰粒磨料掺入纯水射流后，煤岩的纵向破碎深度和横向破碎宽度均出现大幅增加，随着冰粒磨料体积分数的增加，破碎深度和破碎宽度增加的趋势变缓，煤岩横向损伤直径约为横向破碎宽度的 1.3 倍;5 煤岩所受围压大幅抑制了其在冰粒磨料射流冲击下的纵向破碎深度，围压越大，纵向破碎深度越小，而横向破碎宽度却几乎不受围压的影响。研究结果可为冰粒磨料射流煤层割缝技术的工程应用提供一定的理论支撑，同时可进一步完善高压磨料射流破岩理论。

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过热液体闪沸喷射钻进羽流相互作用调控及成孔直径预测

作者(Author)：刘文川 , 汤积仁, 张慧栋, 李怡静

摘要：射流钻进多层分支孔构造裂缝网络是进行煤层气储层改造增产的有效手段，高质量高效钻进成孔是延长气井寿命、提高煤层气采收率的关键。为实现均衡冲击，进一步提升成孔质量与孔壁稳定性，提出了过热液体闪沸多孔喷射钻进技术，利用闪沸相变形成气液射流协同热应力共同作用于煤岩钻进成孔。为了调控羽流相互作用以进一步利用闪沸现象的优点，必须获得羽流相互作用的调控准则及其对射流宏微观特性的影响。通过高速摄影(DBI)和相位多普勒测试(PDA)获取了不同羽流相互作用阶段闪沸喷射流场宏微观特性。引入喷嘴喉部压力-焓关系计算得到新无量纲参数，分析射流形态和宏观特征。基于等熵-绝热两阶段模型以及喷嘴喉部流体状态，获取了闪沸喷射钻头几何结构设计指标 CP 和工况参数调控指标 OP 。提出了综合考虑液体性质、喷孔布置以及环境压力的羽流相互作用调控新准则，并通过不同类型液体进行了验证，为羽流动态调控匹配冲击力与冲击区域提供了支撑。根据新准则，研究了羽流相互作用各个阶段的射流特性，发现不同类型过热液体喷射锥角均在喷射坍缩临界点附近达到最小值，索特平均直径随闪沸的剧烈程度增加而减小，其时空分布在羽流剧烈相互作用阶段更加均衡。研究了导致羽流横向膨胀的主导因素，以及在高过热度条件下不同因素对羽流膨胀的贡献。高饱和压力有利于气泡的成核破裂以及随后的羽流膨胀，并且由于能垒对成核的依赖性，表面张力也会影响羽流的膨胀。喷嘴喉部的流动条件对于确定以闪沸主导和羽流相互作用主导的阶段的射流特性都至关重要，据此提出了综合考虑成核能量势垒及成核速率的冲击区域预测模型，能够有效预测不同类型过热液体、不同喷射参数、不同靶距下的闪沸喷射冲击区域无量纲直径，准确度高达 95%以上。羽流调控准则和冲击直径预测模型的建立为闪沸喷射钻头结构设计准则及工艺参数选取提供了基础，研究成果还可进一步扩展至可压缩流体、超临界流体等射流冲击作用区域预测及调控，服务于我国能源开采。

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