《煤田地质与勘探》“煤层气储层增透改造技术” | 虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

我国成煤环境复杂，煤层气储层往往具有非均质性强、储层物性差、构造煤普遍发育等特征，尤其是随着深度的增加，温压条件变化大、地应力增大，限制了煤层气资源的高效开发。为此，国内外学者围绕储层改造增透，提出了水力压裂、激光热裂、CO2致裂、可控冲击波、超声波等技术，不同技术有各自的适应条件和应用效果，为此，整理出本刊近几年发表的相关研究成果，供同行交流。

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 78个
关键词; 80位
专家; 14篇
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新型射孔动态仿真模拟及适用性评价

作者(Author)：毕刚, 元沛杰, 韩斐, 付帅帅, 吴捷敏, 马颖

摘要：射孔完井技术的发展与完善对油气田的高效测试和开采具有重要的现实意义和实用价值。但低渗透储层(如低渗煤层)采用常规聚能射孔完井时，存在压实损坏带，导致渗流阻力大、产能降低等问题。为改善低渗透储层的开发效果，提出了自清洁、后效体等新型射孔技术，但其射孔效果、适用性等问题尚不明确。基于LS-DYNA 的显示时间积分算法及流固耦合机理，形成地层−水泥环−套管−射孔弹动态射孔有限元模型建立方法，制定了不同射孔技术条件下动态射孔数值模拟方案，建立了不同射孔技术的有限元模型，并开展了不同射孔技术动态射孔仿真模拟研究，基于数值模拟研究结果，对2种射孔技术的适用性进行了分析研究。结果表明：自清洁和后效体射孔较常规射孔孔深有所下降，但孔径较常规射孔扩大15%左右。孔深和孔径与抗压强度、弹性模量、围压成反比，与孔隙率成正比，负压对单一射孔效果的影响较小。针对中孔低渗、低孔低渗油气藏，自清洁、后效体射孔技术孔道容积较常规分别增大9.55%、12.23%左右，射孔效果突出。上述研究结果可为自清洁与后效体射孔技术的设计与应用提供理论支撑，对两种射孔技术的发展及其对低渗储层(如低渗煤层)油气井的增产有着重要的意义。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

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深部煤层近井激光热裂机理及工艺参数优化

作者(Author)：赵海峰, 杨紫怡, 梁为, 钟骏兵

摘要：中国深部煤层气资源丰富，是煤层气进一步开发的重要领域，但深部煤层气地质条件复杂，具有低孔、超低渗特征。在钻井过程中，钻井液进入储层易造成近井污染，常规水力压裂技术趋于在最大水平主应力方向造缝，全井眼的解堵困难。激光热裂技术具有短时间破裂岩石、同时通过机械设备调控能自由改变激光照射角度，形成径向裂缝、解决近井污染等优势。使用ABAQUS有限元软件，建立激光热裂煤层模型，探讨激光热裂机理及激光工艺参数的影响。分析裂缝长度与数量的变化规律，优选出解决现场近井污染区域的最佳激光参数。结果表明：(1) 激光照射热裂煤层是使煤层表面存在温差而产生热应力导致煤层破裂。(2) 裂缝数量与激光功率、激光照射煤层的时间呈正相关，激光功率由400 W增大到1 000 W时，裂缝数量由10条增加到37条；激光功率600 W时，照射时间由1 s增至15 s，裂缝数量由24条增至36条；裂缝数量与激光频率呈负相关，随着激光照射煤层距离增大先增大后减小，照射距离为10 cm时产生裂缝数量最多。(3) 裂缝长度与激光功率、照射煤层时间以及激光频率呈正相关，与照射煤层距离呈负相关，其中激光照射时间影响最明显，照射时间1 s时裂缝长度为1.52 mm，照射时间增加到5 s时裂缝长度激增为57.6 mm。以陕西韩城深部取心样品为例，激光热裂深部煤层2 m范围内的近井污染最佳激光功率为20 kW，最佳激光照射时间为2 280 s。相较于水力压裂，激光热裂煤层能形成更加复杂的裂缝，但形成的裂缝长度较小，实际应用中，建议将水力压裂技术与激光热裂技术相结合，以实现解堵和增渗的目的。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

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6
大宁–吉县区块深部煤层气多轮次转向压裂技术及应用

作者(Author)：熊先钺, 甄怀宾, 李曙光, 王红娜, 张雷, 宋伟, 林海, 徐凤银, 李忠百, 朱卫平, 王成旺, 陈高杰

摘要：鄂尔多斯盆地东缘大宁−吉县区块深部煤层气资源丰度高，煤储层天然裂缝与煤自身割理裂隙发育、煤体结构好、机械强度高、顶底板封盖能力强，为大规模体积压裂缝网的形成提供了有利条件。超大规模压裂改造工艺使深部煤层气单井产量获得重大突破，但示踪剂监测结果显示，水平井各压裂段产气效果贡献不均一、资源动用存在盲区、综合效益未达预期。指出深部煤储层形成超大规模有效缝网面临两类主要挑战：(1) 深部煤层裂缝扩展规律认识不清；(2) 现有压裂技术存在过度改造及改造不充分区域。基于此问题，提出适合深部煤储层改造的多轮次转向缝网弥合压裂技术。首先，分析深部煤层超大规模缝网形成的可行性；其次结合现场压裂数据与微地震监测结果，分析地层曲率、倾角等对压裂裂缝扩展的影响；最后建立应力场计算方法，以此为依据，进行多轮次转向工艺优化及现场试验。在大宁−吉县区块现场进行试验验证，井周微应力场非均匀区域水力裂缝实现了较为均匀的扩展，增大了裂缝整体改造体积，单井产气效果较周边井有明显提升，其中DJ55井5轮次压裂，储层改造体积达到243.6×104 m3，生产340 d累产气量970.5×104 m3，平均日产气量2.85×104 m3，日产量和压力均保持稳定，改造效果较好，预计采收储量(EUR)大于3 000×104 m3，产气潜力较大；JS8-6P05井第1—7段采用2 ~ 3轮次压裂，压后日产气量8.59×104 m3，相比各段均采用单轮次压裂的JS8-6P04井加砂规模降低41.9%、压裂费用降低21%，但2口井水平段千米日产气量相当。试验效果表明，多轮次压裂工艺在一定程度上解决了水平井两侧应力差异而导致的裂缝单侧扩展问题，促进井筒两侧压裂裂缝趋于均匀扩展，极大程度上保障了深部煤储层资源动用程度和压后产量，是深部煤层气压裂工艺降本增效的主要技术途径。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

283

13
构造煤层顶板爆破跨界面致裂增透机制研究及应用

作者(Author)：高魁, 王有为, 乔国栋, 田宇, 傅师贵

摘要：深部煤炭开采地质条件恶化，原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层，煤层钻孔施工困难，爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题，构建试验模型进行煤层顶板爆破相似模拟试验和数值分析，监测跨界面应力波传播和宏观三维裂隙演化形态，再现了爆破应力波传播和煤岩体内部损伤破坏过程。研究表明：(1) 构造煤层爆破损伤范围主要集中在爆破孔和煤层上下煤岩交界面附近煤体；构造煤顶板爆破产生跨界面致裂卸压裂纹，爆破损伤沿爆破孔向四周岩体扩展，最后蔓延到煤层底板，爆破孔位置和上部煤岩交界面以及煤层内部的损伤较为严重。(2) 爆破应力波从构造煤层顶板传播到煤岩交界面时发生波的透射和反射，透射的压缩应力波破坏煤体；反射的拉伸应力波反作用于煤岩交界面区域岩体。(3) 爆破累积损伤产生的跨界面交叉裂纹卸压，使顶板岩层裂隙和构造煤层裂隙贯通，有利于构造煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。现场应用表明，煤层顶板爆破瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升，瓦斯抽采纯量从爆破前的0.07 m3/min提高到1.73 m3/min，体积分数从10.46%上升到68.50%，并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部构造煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

87

8
煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

作者(Author)：庞涛, 姜在炳, 惠江涛, 贾秉义

摘要：复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键，而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置，建立压裂工程地质模型；基于有限元方法构建数值模型，研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响，并进行工程验证，提出施工建议。结果表明：射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中，裂缝受到界面的“阻隔”作用，对煤层改造有利；孔眼位于顶板，当顶板层理发育，垂向应力与最小水平主应力差大于2 MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层，而顶板完整时，应力差大于−2 MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层，顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用，结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展；孔眼部分进入煤层，对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用，形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝，无论顶板是否完整，都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时，建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施，以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用，试验孔瓦斯抽采效果良好，可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

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基于钢锥冲击的煤层卸压方法研究

作者(Author)：任智敏, 吕梦蛟, 王飞, 王禹, 张广太

摘要：针对煤矿冲击地压引起的采掘安全问题，以山西晋中左权五里堠煤矿3号煤层开采地质条件为工程背景，提出一种基于钢锥冲击煤层的卸压方法。根据通电线圈间产生电磁互感斥力原理，获得磁力驱动绕线钢锥撞击煤层的冲击力函数式，并结合弹性力学理论，分析冲击力作用下煤体应力场分布特征、裂隙类型、破裂范围及程度。结果表明：(1) 冲击力与交流电电压及线圈级数呈正相关关系，与交流电频率及每米线圈匝数呈负相关关系。其中，电压是调控冲击力的最主要因素，综合考虑认为电压取660 V为宜。(2) 计算显示钢锥长度与直径仅需1 cm和1.28 cm，与之匹配的2级加速线圈总长为2 cm，可实现冲击装置的微型化，便于在钻孔内灵活布置。(3) 冲击力使钻孔横截面围岩出现集中系数为4.0~16.7的叶状极高应力区，其延伸长度为5倍钻孔半径，区内发育张拉裂隙；叶状区之外为集中系数1.7~3.3的高应力区，发育压剪裂隙，其范围可达50倍钻孔半径，据此得到卸压钻孔间距为2.5 m。(4) 按卸压段长度，每孔内设置2个间距2 m的冲击装置，冲击力使钻孔纵截面围岩呈现针状极高应力区，相邻针状区间分布椭圆形压剪裂隙区，两者一起贯通2 m厚煤层，实现有效破煤卸压。研究成果为探索基于磁力钢锥冲击的煤层卸压技术奠定初步理论基础。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

109

8
地面井分层卸压的煤系气合采原理及方式探讨

作者(Author)：李瑞, 金丽红, 夏彬伟, 葛兆龙

摘要：为了进一步认识制约煤系气合采的因素，提高煤系合层排采各产层的产气贡献，分别从动力、通道和气源条件出发，分析了煤系气合采的必备因素。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力，满足多层合采动力条件的原理，提出了地面井分层卸压的煤系气合采方式。该方式通过在地面进行定向钻井，在目标储层中进行高压水射流作业，人工创造卸压空间(缝、槽、穴等)，改变地应力状态，降低有效应力伤害，增加储层导流通道的数量和开度，提高目标储层压降传递速率。待储层压力降至符合煤系气合采动力条件时进行合层排采，从而提高煤系合采各产气层的产气贡献。相较于常规增产改造措施，此方式能够减少煤系气储层在有效应力作用下的储层伤害，且有助于提高储层压降传递效率，增强煤系气的解吸和扩散，降低多层煤系气合采过程中的层间干扰。在以上研究基础上，认为地面井分层卸压的合采方式主要适用于储层地应力大、产层间距小的煤系气储层，且有望在薄互层煤系气储层增产改造及层间干扰严重的叠合共生煤系储层开发领域进行应用推广。

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煤田地质与勘探

2024年第02期

155

3
静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

作者(Author)：王新丰, 刘文港, 王龙, 韦友玉, 张乔

摘要：为提高煤层静态致裂井下作业效率，优化致裂布孔参数，以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景，结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程，构建煤层破坏及渗透率演化模型；采用FlAC3D-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟，揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验，定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递，单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区；在双孔致裂条件下，两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果，使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著，且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制，增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系，煤层渗透率与孔距间呈负相关关系；现场试验表明，将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透，在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d，测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右，说明静态致裂对瓦斯抽采具有显著的卸压增透效果。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

260

47