[發明專利]液氮對含水煤樣裂隙結構累積損傷作用的試驗方法

在審

• 申請號: 201610028726.5
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105606482A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 李和萬;王來貴;趙國超;潘紀偉;陳強;李鑫;張春會;劉向峰;任彥錦;鄭帥;張陽
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: G01N5/00
• 分類號: G01N5/00;G01N21/84;G01N29/07;G01N3/08
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技術領域

本發明涉及煤層增透技術領域，具體涉及一種液氮對含水煤樣裂隙結構 累積損傷作用的試驗方法。

背景技術

煤層氣是一種新型非常規天然氣，開采煤層氣對于優化能源結構、保護 環境、促進煤礦安全生產等方面均有重大意義。煤層氣的儲量占世界天然氣 總儲量的30％以上，根據IEA估計，全球陸上煤田埋深于2000m的煤層氣資源 量約為260萬億m³。我國煤層氣資源豐富，全國大于5000億m³的含煤層氣盆 地共有14個，埋深2000m以前煤層氣地質資源量約36萬億m³。煤層氣的儲存 方式以吸附為主，由于儲層壓力低、煤層滲透性差、含氣飽和度低，現有開 采工藝對礦區周邊環境污染程度高，造成我國煤層氣抽采率平均不足20％， 與俄羅斯、美國、加拿大、澳大利亞、德國等國家相比差距較大。由于我國 含煤區先后經過了多期構造運動改造，地質條件復雜。斷層、褶皺以及巖漿 侵入現象普遍存在，構造煤發育，導致煤儲層原生孔裂隙系統被破壞，煤儲 層裂隙因煤基顆粒阻塞、富水阻離、裂隙狹窄和裂隙不貫通，使煤層氣解吸 和運移通道被堵塞，目前多數含煤區儲層滲透率在0.5×10-3μm²以下，成為 煤層氣開采低的主要原因。因此增加煤層氣的抽采效果的有效方法是通過技 術在煤層中產生新裂隙或擴展裂隙寬度，為煤層氣運移提供通道。

經過多年的生產實踐和國際合作，我國成功引入美國的煤層氣開采技術， 并在沁水盆地南部等地區煤層氣開采中取得了理想效果。但由于我國煤層氣 開采條件差，現有技術還不能滿足煤層氣開采的要求，所以需要有更多低成 本、高可行性、效果理想的新技術。現行煤層氣開采技術，主要存在以下4個 方面的問題。第一：鉆井成本偏高，占煤層氣開采總成本的一半以上。盡管 采用欠平衡鉆井技術具備諸多優點，但鉆井液的選擇仍待商榷。空氣、泡沫 等做鉆井液只適用于淺部煤層。對于深部煤層仍宜采用泥漿鉆進技術，但操 作不當容易污染煤層，降低滲透性。能否在保證鉆井效果的前提下降低成本 是解決問題的關鍵。第二：國外采用較多的垂直井技術在我國并不適用。采 用的裸眼洞穴完井技術成本低、效果好，該技術在美國被廣泛應用。但這種 技術要求煤層具有滲透率高、地應力小、煤層頂底板穩定、煤儲層強度大等 條件，否則容易造成洞穴塌陷，煤層氣運移通道被堵塞，因此風險性很大， 后期維護成本高；套管完井風險較小，可以確保穩產，但完井費用較高，完 井過程比較復雜，操作不當容易引起泥漿侵入煤層造成污染。第三：水力壓 裂技術的局限性。水力壓裂增產是目前普遍采用的技術，但由于煤本身質軟， 因此支撐劑容易嵌入煤中，造成孔隙閉合；某些遇水膨脹的煤層水力壓裂后 滲透率會下降；選用其他壓裂液則存在低成本、低污染與高性能之間的矛盾； 我國多數地區煤層不含水或含水量少，壓裂液排返率低而在煤層中滯留，易 對煤層造成污染；排采過程難以控制，過快容易帶動煤粉和支撐劑堵塞煤體 孔裂隙甚至鉆孔，過慢則不利于儲層壓力的迅速下降，影響產氣速度；排采 過程中會產生大量污水，處理不當會影響當地環境；壓裂過程需要眾多大型 機械設備，目前尚需進口，成本很高。第四：注入CO₂能有效提高采收率， 但制備大量較純凈的CO₂費用高，且會在煤礦生產中隨煤重新回到地面，因 此僅適用于沒有開采價值的煤層。還有研究表明，CO₂注入會導致煤基質膨 脹，降低煤層滲透率，存在技術風險。因此亟待一種安全性高、無污染、易 操作的方法提高滲透率。

煤作為連續的整體，在溫度變化過程中符合固體熱脹冷縮特性。煤層溫 度隨采深逐漸升高，在2000m采深范圍內，層溫度在35.6～194℃，但絕大多 數煤層氣開采溫度不會超過100℃。構成了相對的熱環境；液氮氣化溫度為 -195.8℃，在較短時間內使接觸物凍結，形成冷環境。在驟冷的條件下，由 于煤樣的導熱系數較低，煤樣的溫度降低過程在煤樣內部并不是均勻的。因 此，煤樣內部將會產生束縛煤樣隨溫度變化自由收縮的應力，這種應力即為 冷沖擊應力。在冷-熱交替作用下，因為溫度應力的存在，煤樣的結構發生變 化，單周期冷-熱交替作用后產生了塑性變形，不能恢復初始狀態，最終損傷 積累，當達到強度極限時，裂隙增生或擴展，從而增加滲透性。