煤储层增渗技术研究现状与展望

雷东记

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083)

煤储层增渗技术研究现状与展望

雷东记

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083)

为了解决煤储层低渗富集区的煤层气难抽采问题,总结了目前煤层增透技术的研究现状,通过煤对瓦斯的微观吸附机理的分析,提出了利用外加电场和声场的方法达到增渗的发展方向,对低渗煤层的煤层气开发具有重要意义。

煤储层;增渗;电磁场;声场;

Abstract:T o deal with difficulties in extraction of CBMfrom coal reservoirs in enrichment zone with low permeability,the paper summarizes the current status of research on techniquesfor enhancing permeabilityof coal seams.Based on analyses of the micro adsorption mechanismof coal to gas,it proposes the orientation for enhancing permeability of coal seams by using external electric and sonic fields,which is of important significance to development of coalbed methane in coal seams with low permeability.

Keywords:Coal reservoir;enhancing permeability;electro-magnetic field;sonic field

我国地质条件复杂,煤储层具有“三低一高”的特点,即:低压、低渗、低饱和、高含气量的特征。在煤层气开发实验工作中已暴露出一些问题,有不少关键技术问题尚待解决。最为关注的问题是我国煤层渗透率普遍较低,这就给我国煤层气开发带来很大困难。煤层渗透性是煤层气开发评价的关键性参数。如何解决煤层渗透率低、如何找到有效的激励技术,成为煤层气开发成败的关键。

1 增渗技术研究现状

煤是一种多孔的固体介质,具有很大的内表面积,因而具有较强的吸附气体的能力[1]。目前研究增渗的技术都是从改变煤层在外在压力下产生不均匀的变形和破坏,使煤体之间相互贯通,提高煤层的透气性,为瓦斯的解吸和流动提供通道的力学增渗方法。如为了增大煤体的透气性系数,可以人为地在煤层中制造空隙,沟通及扩展煤层内部的裂隙网。对于单一煤层而言,只有在煤层内部采取措施,张开原有裂隙、产生新裂隙以及局部卸压,进而改善煤层的透气性。

目前采取的方法包括开采保护层法、水力压裂法、加密抽放钻孔法、卸压带抽放法和深孔松动爆破法等。这些方法均属于用力学方法来增加煤层的透气性。

(1)水力化

把水作为动力,在煤层中形成人工的空腔、槽缝和裂缝或扩大已有的裂缝以及促使煤体发生位移,如水力冲刷、水力割缝、水力压裂及水力挤出等。所用的水力呈现压力高或流量大,即大于地层压力或使煤体破碎的水压和超过煤层的吸收和渗透能力的水量,使煤体产生破裂或位移以及改变其周围的应力状态,达到卸压和排放瓦斯的作用,从而起到增强煤层的透气性的效果。

水力化技术仅适用于相对坚硬的裂缝性储层煤层气开采,对煤层较软、孔隙裂缝复杂的煤储层,水力化作用十分有限。

(2)注气

注气开采煤层气就是向储层注入N2、CO2及烟道气等气体,其实质是向煤层注入能量,改变压力传导特性和增大或保持扩散速率不变,从而达到提高单井产量和气藏采收率的目的。按照注气方式的不同,分为先注气后采气的间断性注气模式和边注边采的连续注气模式。我国学者吴世妖等依据扩散渗流理论和多组分吸附平衡理论,通过室内试验认为:间断性注气在吸附平衡后煤层部分采气区的原始压力增加,开采时压力梯度增加,渗流速度增加,衰减时间延长;连续性注气保持了维持煤层气流动的压力梯度不变,相对提高了渗流速度。另一方面注气造成的渗流速度增加又引起裂隙系统中煤层气分压下降速度加快,由此引起更多的吸附煤层气参与解吸,解吸扩散速率的增大,反过来又促使渗流速度加快。其次,煤层与混合气体达到吸附平衡后,每一组分的吸附量都小于其在相同分压下单独吸附时的吸附量。注气后,竞争吸附置换,必然使一部分吸附的煤层气解吸扩散,从而引起扩散速率、渗流速度和采收率提高。

2000年,BP公司在美国能源部的资助下,在圣胡安盆地西北部开始长达3年的现场试验工作,试验由CO2或其它强吸附气驱替煤层气,提高煤层气的采收率。实验室试验和计算机模拟表明,相对均质煤层可采出90%的地层原始储量,而常规降压开采只能采出30%～80%。

(3)松动爆破

针对高煤层气低透气性煤层透气性系数低的特点,可以在工作面前方的煤体中打深50m以上的炮眼,装药爆破,使炮眼周围的煤体在炸药产生的爆压作用下,产生破裂和松动,从炮眼沿径向由内向外形成三环分布:破碎圈、松动圈和裂隙圈。这种方法的特点是在爆破孔的周围增加了辅助自由面(控制孔),爆破后不仅在相邻孔边线方向产生贯通裂隙,而且能在其它方向产生裂隙。预裂爆破的作用机理可概括为:炸药在钻孔内爆炸后产生的应力波和大量高温高压爆生气体在爆破近区形成压缩粉碎区,使煤体固体骨架发生变形破坏,形成爆炸空腔;在爆破中区,应力波过后,爆生气体产生准静态应力场,并楔入空腔壁上已经张开的裂隙中,使裂隙进一步扩展,进而在钻孔周围形成径向“之”字形的交叉裂隙网;在爆破远区,由于控制孔的作用,形成反射拉伸波与径向裂隙尖端处的应力场相互叠加,促使径向裂隙和环向裂隙进一步扩展,大大地增加了裂隙区的范围。最后,使煤体内形成以爆破孔为中心的影响范围为5～15倍钻孔直径的连通裂隙网。

虽然这些方法中有些对提高煤层透气性很有效,但由于自然条件和开发成本等的限制,在许多矿区还很难于推广应用。因此,从煤体吸附瓦斯的微观机理出发,研究一种用非力学的手段来提高煤层瓦斯流动扩散能力的方法已显得极为重要。

2 增渗技术展望

2.1 外加电场提高煤储层渗透性

2.1.1 增渗理论分析

瓦斯分子在煤表面以物理吸附的形态存在。而产生物理吸附的作用力是分子间作用力,即范德华(vande:waals)力。物理化学研究[2]表明,原子和分子间所有的力都起源于电,它们最终取决于同种电性之间的排斥力和不同种电性之间的吸引力,这些力的作用规律基本服从库仑(Coulomb)定律。通常用来描述这类力学作用的是势能而不是力本身。由于瓦斯分子以物理吸附态吸附,甲烷和二氧化碳均属非极性分子,而煤中含有水和多种无机盐类极性分子,且煤的大分子结构中有大量的极性基团,所以,煤表面存在有永久偶极矩,因此,煤表面分子与瓦斯分子之间的作用势能只是如下几类:

(1)煤表面的永久偶极矩电性与瓦斯分子中被该永久偶极矩诱导产生的偶极矩之间的相互作用能,U∞r-6。

(2)非极性分子之间的势能,U∞r-6。

其中,U,r分别代表所描述对象的势能与间距。

煤属于有机大分子结构,其大分子内部及大分子结构中,芳香核的周边存在着大量的基团,例如羟基(-OH)等。这些基团的存在,使分子具有极性偶极矩。此外,还存在有水、无机盐类等极性分子。由于分子热运动的影响,煤体内偶极矩在无外电场作用时向各个方向分布的几率相同,表现为中性,而煤表面分子的极性则对吸附瓦斯分子做出贡献。煤表面非极性分子与瓦斯分子间的引力主要由色散作用引起。据Fritz London研究认为,非极性分子间的色散力由瞬间偶极矩的作用产生,其相互间的作用势称为London作用势UL,可用下式表

式中,ε0为真空介电常数;vA,vB均分别为A,B分子的瞬间偶极矩振动频率,内层电子振动频率为1019Hz量级;aA,aB分别A,B为分子的极化率;hA,hB分别为A,B物质的Plank常数。

由于瓦斯分子与煤表面分子间主要以上述2种方式发生物理吸附作用,因此,通过寻求一种能够改变上述瓦斯吸附微观作用过程的方法必然能够改变煤对瓦斯的吸附性态。

2.1.2 增渗技术

对吸附瓦斯煤施加交变电磁场即是一种有效的方法。外加交变电磁场一方面可以使煤表面极性分子的偶极矩方向产生周期性变化[3],从而降低瓦斯分子被煤表面极性分子捕获的频率,降低吸附量;另一方面,可使非极性煤表面分子与瓦斯分子的瞬间偶极矩振动频率向外加电场频率方向降低而使London作用势UL增加,从而降低非极性煤表面分子对瓦斯分子的捕获频率[4]。

煤和瓦斯气体都是典型的电介质,当煤-瓦斯系统处于外加电磁场中时,它们将耗散一部分电能,使之转变成热能,这种现象就是通常所说的电介质损耗[5]。这将导致煤体温度升高,气体分子的无规则运动加剧,分子之间的碰撞加强,而且吸附瓦斯分子的动能也越大,获得大于吸附势垒的机会越多,在煤表面的停留时间越短,吸附量减小。

2.2 声震法提高煤储层渗透性

2.2.1 增渗理论分析

(1)热效应作用

声波辐射是一种能量的辐射,这种能量是持续的而且作用范围较大,作用范围与频率有关,频率大范围小,频率小范围大[6]。当声波在煤体中传播时将产生高频振荡,煤体的粘滞性造成质点之间的内摩擦(内耗)而吸收一定量的声能,这部分声能将转变为热能,使煤体的局部温度升高,从而煤体的平均温度升高。因热效应煤体温度升高,瓦斯气体分子的热运动剧烈,其动能越高,瓦斯分子获得能量增加,脱附的可能性越大。

(2)机械振动作用

在煤储层中放置超声波换能器,换能器发出一定频率的超声波。在声波衰减范围内,其纵波的传播方向与质点的振动方向一致,会使煤体弹性介质受到交替变化的拉应力和压应力作用,就相应地产生交替变化的伸长和压缩形变,则煤质点产生疏密相间的纵向振动。其横波的传播方向与质点的振动方向垂直,且具有剪切特性,当煤体受到交变的剪切力作用时,将会相应地发生交变的剪切形变,介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动,这样就会在界面上产生强烈的剪切力和振动。所以在超声波作用下,煤基质中的孔隙和裂隙产生时大时小的变化,煤体易破碎,煤体中产生新的裂缝网,使煤的裂隙和孔隙增多,有利于气体的渗流[7]。

(3)多孔介质煤体的损伤

声波在传播过程中一是使煤体产生拉伸、压缩、剪切变形,煤体质点产生振动,虽然振动的位移和速度不大,但与超声波振动频度的平方成正比的质点加速却很大,有时超过重力加速度的数万倍,这么大的加速度足以造成对介质的强大机械效应,甚至能达到破坏介质的作用,使煤体发生损伤破坏;二是在声波持续的辐射下,其能量转化为热能,使煤体温度升高,这样煤体产生热膨胀,使煤的大分子结构产生变化(因为煤的大分子结构决定了煤的渗流特性),从而造成煤体损伤。所以超声波能使煤体的空隙和裂隙增加,有助于瓦斯渗流[7]。

2.2.2 增渗技术

根据声波的机械振动、热效应作用可以使煤基质产生损伤,促进煤层气的解吸,减少煤对煤层气吸附量,可见这些效应在声波传播的影响范围内将有利于煤体中煤层气的流动。若在煤层气抽采钻孔中放入声波换能器,因声波作用可以促进煤层气解吸,提高煤储层的渗透性,从而就可以提高煤层气抽采量,所以在井下抽采和地面抽采中实施声震法技术是提高煤层气抽采率的途径。

3 展望

从微观上看,煤吸附瓦斯主要是煤的大分子结构和瓦斯气体分子之间相互作用的结果。从分子级水平研究煤吸附瓦斯的微观变化,为增渗技术的新发展提供理论基础。利用外加电磁场和声场方法可以提高吸附瓦斯的解吸速度和降低吸附量这一原理,可开发一种提高抽放率的新工艺,为较难利用用力学方法提高抽放量的煤层提供一套非力学的方法。

[1] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].煤炭工业出版社,1999:5～12.

[2] WalterJ Moore,江逢霖译.基础物理化学[M].上海:复旦大学出版社,1992.

[3] 何学秋,刘明举.含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1995.

[4] 何学秋.交变电磁场对煤吸附瓦斯的影响[J].煤炭学报,1996,21(1):63～67.

[5] Airuni A T,Zvrtrev I V.Physical and physical-chemical principlesof prediction and control of gas emission at coal mines[A].Green A R.Proceedings of the 21st International Conference of Safetyin Mines Research Insititutes[C].Australia,1985.297～303.

[6] 易俊,姜永东,鲜学福.在交变电场、声场作用下煤解吸、吸附瓦斯特性研究[J].中国矿业,2005,14(5).

[7] 易俊.声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D].重庆大学博士学位论文,2007.

Current Status&Prospect of Study on Techniques for Enhancing Permeability of Coal Reservoir

Lei Dongji
(Resources&Safety Engineering College of CUMT,Beijing 100083)

雷东记,男,河南南阳人。在读博士研究生,从事矿井瓦斯防治方面的研究。

(责任编辑 桑逢云)