“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
类别; 46个
关键词; 44位
专家; 12篇
论文; 12073IP
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煤层气水平井水力喷射分段造穴技术探索

作者(Author)：杨睿月, 黄中伟, 李根生, 陈健翔, 温海涛, 秦小舟

摘要：我国煤层气资源丰富，但是“ 单井产量低” 长期难以改变。提出了煤层气水平井水力喷射分段造穴的新思路，旨在大范围释放储层应力、提高渗透率，从而提高单井产量。首先介绍了水平井水力喷射分段造穴的优势:灵活调控洞穴形状和尺寸、定点喷射、精准分段、多簇卸压、构建体积缝网、符合煤炭原位流态化开采的科学构想。然后，采用有限元-离散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method)建立了水平井造穴诱导煤层应力演化流-固耦合模型，计算了多段洞穴形成的应力释放区域，描述了穴周、穴间应力干扰区诱导形成的裂缝分布特征，阐释了水平井分段造穴应力释放开采煤层气的原理。其次，开展了淹没条件下磨料直射流和旋转磨料射流喷射煤岩的室内实验，研究了磨料射流喷射煤岩的成孔形态和破坏模式及天然裂隙对破坏作用的影响，发现磨料射流冲击下，层裂是煤岩重要的破裂机制。接着，介绍了裸眼井、筛管井、套管井、顶底板间接改造井等不同水平井完井方式下水力喷射分段造穴的井下核心工具、工艺流程和煤粉返排方式。最后，探讨了该技术的地质储层适应性和应用前景，有望在构造煤、深部煤、煤系薄互层及压裂造缝效果欠佳或无法实现分支井眼重入的松软煤层等推广应用。

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基于物质点法的深部煤层气水力割缝卸压解吸增透规律数值模拟研究

作者(Author)：周雷, 彭雨, 卢义玉, 夏彬伟

摘要：深部煤层气储层具有渗透率低、储层压力大和地应力高等特点，导致煤层气解吸、运移困难，开采效率低。定向井+水力割缝是一种强化深部煤层气开采的新思路，但有必要对其卸压解吸增渗效果开展量化研究。数值仿真是研究该问题的主要手段，但传统有限元、离散元等数值方法无法有效解决煤岩割缝引起的大变形、大位移、内边界持续变化和接触的复杂问题。为克服上述难题，基于物质点法建立了弹塑性损伤数值模型，模拟了水力割缝缝槽对临兴深部煤层气卸压解吸和增透的影响，得到:1 基于物质点法建立的弹塑性损伤数值模型能有效计算水力割缝缝槽引起煤层大变形、大位移和内边界接触问题;2 垂直于割缝方向呈现大范围应力下降，应力骤降区的范围和塑性区域的范围重合，应力缓慢下降区则对应弹性小变形区域;3 卸压解吸气和增渗区域分布特征与应力下降区分布特征一致，在弹性区和塑性区渗透率分别为原始渗透率的 1 ~ 5 倍和 10 ~ 20 倍，单个割缝促使煤层气解吸气量达数百至上千方;4 割缝宽度、长度、角度和增透区域面积以及解吸气量基本呈线性相关，割缝宽度影响最大，其次是割缝长度，割缝角度影响最小。通过上述研究成果，在定向井+水力割缝基础之上提出了平行水平井错位多割缝卸压解吸增透技术，为深部煤层气的高效开发提供了新思路和研究手段。

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超临界二氧化碳射流冲击短时浸泡煤体破坏特征分析

作者(Author)：刘勇, 张东鑫, 张宏图, 魏建平, 司磊磊

摘要：煤体力学和物理性质在超临界二氧化碳氛围下容易劣化，尤其在长时作用下，超临界二氧化碳能够充分发挥其溶解和萃取能力，改变煤体力学强度和孔隙结构。超临界二氧化碳作为极具应用前景的钻井液，在钻井过程中与煤体接触时间极短。在较短接触时间内，超临界二氧化碳是否能够改变煤体力学强度和孔隙结构对超临界二氧化碳射流冲击破煤效率和钻井效率至关重要。为此，为进一步研究超临界二氧化碳短时浸泡对破煤效率的影响，开展了超临界二氧化碳冲击破碎短时浸泡煤体研究，分析了不同浸泡条件下煤体冲击破碎特征，通过对比分析浸泡前后孔隙结构和力学性质的变化，明确短时浸泡对煤体冲击破碎特征的影响。结果表明:在短时浸泡条件下，超临界二氧化碳射流对浸泡煤体的冲击破坏特征具有重要影响。仅浸泡 3 min，超临界二氧化碳便可使煤体发生吸附膨胀，影响煤体的孔隙结构和力学强度，使煤体累计孔体积降低了 5.54%，力学强度降低 13.10%，使煤体冲击破碎粒径小于 1 mm 煤屑增加了 5.76%。延长浸泡时间，煤体冲击破碎程度持续提高。浸泡 60 min 后，超临界二氧化碳对煤体虽仍以吸附膨胀为主，但煤体出现矿物溶蚀现象，致使煤体累计孔体积降低了 30.19%，单轴抗压强度降低 33.41%，导致煤体的破碎程度发生了大幅提高。相同浸泡时间条件下，提高浸泡温度和压力，煤体吸附膨胀作用增强，孔体积增大，抗压强度降低，使破碎程度规律性提高。但当浸泡压力超过 16 MPa 后，抗压强度降低了 38.43%，冲击破坏程度显著提升。综上所述，超临界二氧化碳射流辅助钻井过程中，其吸附膨胀作用是影响煤体物理和力学性质的主要形式，有效降低了煤体孔体积和抗压强度，提高了破碎程度，有利于钻井效率的提高。

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基于应力波效应的磨料射流破煤能量准则

作者(Author)：陈长江, 朱英, 李志平, 张慧栋, 刘勇

摘要：磨料射流是一种操作简单、切割效率高的绿色加工技术。在矿山开采、油气开发等领域，被广泛应用于破碎煤岩。磨料射流破煤是射流能量传递、转化和释放的过程。射流能量以循环、冲击载荷形式直接加载于射流-煤岩接触区域，并以球面应力波形式向煤岩内部传递。当应力波能量高于煤体破坏阈值，煤体发生破坏。然而，目前磨料射流破煤过程中的应力波传播规律及有效破煤范围不明确。因此，基于应力波效应分析了局部微裂纹时起裂时的煤岩能量密度，结合磨料射流特性，建立了描述磨料射流破煤能量准则；采用能量等效方法，基于SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，分离式霍普金森杆）实验，研究了相同入射能量下煤样能耗规律及破坏特征，计算了能量准则中的煤岩参数；在此基础上，采用DIC（Digital Image Correlation，数字图像相关法）实验获取了磨料射流冲击下应力波传播规律，并采用能量准则计算了磨料射流破煤的理论范围；通过对比实际和理论破煤深度，验证了磨料射流破煤能量准则。结果表明：磨料射流冲击过程中，煤体发生破坏的能量阈值决定于应力波波速、煤岩破碎能耗密度、碎块平均粒径及磨料射流冲击频率。随入射能量增加，煤样应变率增大，能耗密度增加，但入射能量有效利用率降低；煤体吸收的能量，主要是被用于微裂纹扩展，且破碎后的碎块平均直径与煤样应变率呈一次函数关系。球面应力波传播过程中具有明显时空特征，且沿传播方向能量发生衰减；又由于煤体原生孔、裂隙发育，应力波会出现聚集、叠加，导致局部能量增加。当应力波能量高于煤体裂纹起裂时的能量阈值时，煤体出现破坏。

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