低渗煤层井下水力化增渗理论与技术

第1章 煤层增渗技术国内外研究现状 我国煤炭资源丰富，富煤、缺油、少气是我国能源赋存结构的基本特征。图 1-1为 2010～2019年我国一次能源生产总量构成中原煤、原油及天然气所占比重。图 1-2为 2010～2019年我国煤炭生产量 [1]。由图 1-1可知， 2010～2019年，我国原煤生产量占一次能源生产总量的 68.6%～77.8%。根据《能源中长期发展规划纲要 (2004～2020年)》的要求，中国将坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略。由图 1-2可以看出， 2010～2019年我国煤炭生产量呈基本稳定的态势， 2013年全国煤炭生产量已高达 39.74亿 t，据预测 2030年我国的煤炭需求量仍将高达 38亿 t。因此，在未来较长时期内，煤炭仍将是我国的主要能源 [2]。 图1-1 2010～2019年我国一次能源生产总量构成中原煤、原油及天然气所占比重 图1-2 2010～2019年我国煤炭生产量 我国的煤矿约有 91%属于井工煤矿，其开采条件在世界主要产煤国家中*为复杂。据统计 [3，4]，2012年全国共有煤与瓦斯突出矿井 1191处，高瓦斯矿井 2093处，高、突矿井约占全国矿井总数的 26.7%，而国有大型煤矿中高、突矿井的比例竟高达 44%以上。随着煤炭开采强度的不断加大和矿井开采深度的逐步加深，煤层瓦斯压力和瓦斯含量日益增大、地质构造条件日趋复杂，高、突矿井的数量也在不断增加。 煤矿瓦斯是煤矿井下瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故的主要原因之一。煤矿瓦斯事故具有破坏强度大、影响范围广等特点，严重威胁着矿井的安全生产。根据黄继广等[5]对 2009～2018年全国煤矿各类死亡事故的不完全统计，在所发生的各类死亡事故中，共发生瓦斯事故 722起(占事故总起数的 10.2%)，瓦斯事故死亡人数为 3433人(占事故总死亡人数的 28.1%)。 另外，作为一种高效、优质的清洁能源，瓦斯近年来受到各国越来越多的关注。由于开发利用瓦斯资源具有保证煤矿安全生产、改善能源结构和保护环境等多重作用，我国日益重视瓦斯资源的合理开发与利用。目前，世界上共有 74个国家蕴藏着煤层气资源，中国是仅次于加拿大和俄罗斯的全球第三大煤层气资源国。根据国土资源部(现为自然资源部)2005年的评价成果，全国煤层埋深 2000m以浅的瓦斯总资源量为 36.8l万亿 m3，其中可采资源量为 10.87万亿 m3，瓦斯资源主要分布在我国华北和西北地区[6]。 煤层瓦斯抽采是继机械通风后在煤矿瓦斯灾害防治技术上的又一次巨大进步，是减少矿井风排瓦斯量、防治瓦斯灾害的治本措施。理论研究和现场实践表明，瓦斯抽采能降低煤层瓦斯含量和压力，使煤岩应力降低，从而减少煤炭开采时的煤矿瓦斯涌出量或消除煤与瓦斯突出隐患。中外学者在瓦斯治理方面开展了大量研究与实践，形成了以瓦斯抽采为主要治理手段的瓦斯治理理论与技术体系。国家也先后出台了一系列加强煤矿瓦斯防治工作的重要举措，有力地推动了煤矿瓦斯抽采水平的不断提升。特别是 “十二五 ”以来，我国煤矿区煤层气开发利用取得了令人瞩目的成就，煤层气产量由 2011年的 115亿 m3提高至 2018年的 184亿 m3，其中科技进步对煤层气开发产业发展贡献巨大[7]。然而，对照《煤层气 (煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》[8]的发展目标，到 2020年，煤层气 (煤矿瓦斯)抽采量达到 240亿 m3，其中地面煤层气产量 100亿 m3，煤矿瓦斯抽采 140亿 m3。 煤矿瓦斯开发利用量不足的原因主要有勘探投入不足、瓦斯资源赋存条件复杂、关键技术有待突破、扶持政策不完善和未落实及协调开发机制尚不健全等。煤层的渗透性是影响瓦斯开发*主要的自然因素，据统计 [9]，我国煤层渗透率的变化范围为 0.002～16.17mD①，平均为 1.273mD，其中渗透率小于 1.0mD的煤层占 72%，这说明我国煤层渗透率普遍较低。另外，我国煤矿开采地质条件非常复杂，埋深在 1000m以下的煤层占我国煤炭资源总量的 53%，随着开采深度的不断增加，我国大部分煤矿的主采煤层是低透气性、高瓦斯开采煤层。提高透气性是解决我国低渗煤层瓦斯抽采难题的关键。因此，致力于深部低渗煤层增渗关键技术与装备的研发势在必行。 1.1 煤岩体结构特征及瓦斯流动理论研究现状 1.1.1 煤岩体结构与孔隙、裂隙发育 煤岩体的结构和孔隙、裂隙发育特征是研究瓦斯或水在煤岩层中的赋存状态和流动特性的基础。煤的抗变形能力远低于其他岩石，在漫长的地质年代过程中受多期构造作用的影响与破坏，形成不同的煤体结构。徐耀奇等[10]、袁崇孚[11]、曹代勇等[12]、Zhang等[13]、琚宜文等 [14]、王恩营 [15]等分别从不同方面对煤岩体的破坏程度、类型以及特性进行了研究。目前*常用的煤体结构划分方式是《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》中所采用的五分法 [16]，即将煤体结构分为 5类：Ⅰ类非破坏煤、Ⅱ类破坏煤、Ⅲ类强烈破坏煤、Ⅳ类粉碎煤和Ⅴ类全粉煤。 霍多特[17]、Gan等[18]、刘常洪[19]、苏现波[20]、傅雪海等 [21]、Jüntgen[22]等国内外学者，分别对煤的孔隙结构进行了分类，从各种分类结果来看，微孔和小孔的划分结果与霍多特的划分结果基本一致，而中孔及大孔的划分结果与霍多特的划分结果差距较大，有时甚至相差两个数量级。郝琪 [23]、张慧 [24]、朱兴珊 [25]等采用电子扫描技术，分析了煤的孔隙分类与成因。 煤岩体裂隙的发育程度和连通性直接决定煤层渗透性。我国煤炭行业标准《煤裂隙描述方法》 (MT/T 968—2005)[26]指出煤裂隙是煤受各种应力作用产生的破裂形迹。按照裂隙的成因可将其分为内生和外生裂隙。国外的 Warren和 Root[27]、 Ammsove和 Eremin[28]、Stach等[29]、Gash等[30]、Close[31]、Levine[32]、Laubach等[33]，以及国内的傅雪海等[34]、张新民等[35]、李强等[36]对煤储层裂隙的发育进行了研究。内生裂隙的发育特征往往受到煤阶、煤岩组分 [37，38]、灰分等因素影响。 Ammsove和 Eremin[28]认为静压裂隙密度随煤级增加基本呈正态分布；Levine[32]发现静压裂隙密度随煤级增高而增加，在反射率为 1.3%左右时*大，此后随煤级增高静压裂隙密度不变。赵爱红等[39]分析了煤岩成分、煤的变质程度对煤孔隙结构的影响。在灰分方面，一般认为静压裂隙常始于煤层灰分显著变化处或者煤岩的微裂缝处 [40]。 Menger海绵模型可以用来模拟煤岩体孔隙特性[41]。王恩元和何学秋[42]提出用煤层的孔隙分形规律计算煤层的孔隙率和煤的比表面积。 1.1.2 煤层瓦斯流动理论 瓦斯在煤层中的运移和流动理论是煤矿瓦斯抽采和地面煤层气开发的理论基础。煤层瓦斯的流动涉及瓦斯的吸附、解吸、渗流、煤岩体变形等多个物理过程，瓦斯的产出可以概括为一个连续的解吸→扩散→渗流过程，基于对煤层瓦斯不同流动状态的描述，形成了瓦斯扩散理论、线性瓦斯流动理论、非线性瓦斯流动理论、瓦斯渗流-扩散理论和多场多相耦合流动理论等。 1)瓦斯扩散理论 瓦斯在煤体中主要以吸附态和游离态两种状态赋存，菲克(Fick)定律把流体扩散速度与其浓度梯度联系起来，认为瓦斯由吸附态向游离态转化的过程符合线性扩散定律。Germanovich[43]从扩散角度研究了煤层中吸附瓦斯的解吸过程。 Airey[44]建立了破碎煤样瓦斯解吸量随时间变化呈指数关系衰减的经验公式。 King和 Ertekin[45]建立了煤层气井产量的指数衰减公式。在国内，王佑安和朴春杰 [46]提出了确定煤层瓦斯含量的瓦斯解吸速度法。杨其銮和王佑安 [47，48]指出煤屑内瓦斯运动基本符合线性扩散定律。聂百胜等 [49]根据气体在多孔介质中的扩散模式，结合煤的结构特点，研究了瓦斯在煤孔隙中的扩散机理与模式。郭勇义和吴世跃 [50，51]研究了煤粒瓦斯扩散规律及扩散系数测定方法。 2)线性瓦斯流动理论 线性瓦斯流动理论的研究*早要追溯到 20世纪 40年代末，苏联学者应用达西定律-线性渗透规律描述煤层内的瓦斯流动，开创性地研究了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流问题。1965年，周世宁和孙辑正 [52]把多孔介质煤层视为大尺度均匀分布的虚拟连续介质，首次提出了基于达西定律的线性瓦斯流动理论，目前广泛用于测定煤层透气性系数的“钻孔瓦斯流量法”就是基于该理论发明的。郭勇义 [53]结合相似理论，将瓦斯的等温吸附量用朗缪尔(Langmuir)方程描述，提出了修正的瓦斯流动方程。余楚新和鲜学福 [54]在假设煤体瓦斯吸附与解吸过程可逆的条件下，建立了煤层瓦斯流动理论以及渗流控制方程。孙培德 [55，56]完善了均质煤层的瓦斯流动数学模型，并发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型。黄运飞和孙广忠[57]应用达西渗流定律提出了“煤-瓦斯介质力学”。 3)非线性瓦斯流动理论 人们在巷道、钻孔的实际瓦斯涌出规律中发现，瓦斯在煤体内的渗流并不总是线性的。孙培德 [58]基于幂定律的推广形式，建立了可压缩性气体在煤层内流动的数学模型。罗新荣[59，60]基于克林肯贝格 (Klinkenberg)效应的修正达西定律，指出了达西定律的适用范围，并提出了非线性瓦斯渗流规律以及相应的数学模型。国外的 Tek[61]、Das[62]和国内的吴凡等[63]、任晓娟等 [64]、周克明等 [65]在研究低渗透油气渗流过程中，认为低渗透气体运移存在启动压力梯度，在用达西定律描述气体渗流时应当对其进行修正。郭红玉 [66]通过测定煤储层启动压力梯度，建立了启动压力梯度与渗透率之间的关联模型，并将煤储层瓦斯流动流态划分为线性渗流、低速非线性渗流和扩散 3种类型。 4)瓦斯渗流-扩散理论 随着对瓦斯流动理论研究的不断深入，国内外大多数研究人员认为瓦斯在煤层内的流动是渗流和扩散两种运动形式的结合，即煤层瓦斯渗流 -扩散理论。1987 年，Saghfi和 William[67]从渗流力学和扩散力学的角度出发，提出了瓦斯渗流-扩散的动力模型，并成功地进行了数值模拟。孙培德 [58]认为煤层内瓦斯流动的实质是非均质的各向异性孔隙 -裂隙双重介质中可压缩流体渗流 -扩散的非稳定的混合流动。段三明和聂百胜 [68]借助传热学、传质学，对瓦斯的解吸过程进行了理论推导，建立了瓦斯渗流-扩散方程。吴世跃和郭勇义[69，70]依据第三类边界传质的原理，建立渗流 -扩散的微分方程组。周世宁和林柏泉 [71]所著的《煤层瓦斯赋存与流动理论》系统地阐述了煤层瓦斯渗流 -扩散理论。 Anbarci和 Ertekin[72]与 Kolesar等[73]从煤层气开发的角度出发，对单相煤层气渗流的试井分析进行了研究。孔祥言 [74]也对煤储层瓦斯的渗流和扩散过程进行了描述，并建立了相应的数理方程。唐巨鹏等[75]研究了有效应力对煤层气解吸渗流的影响。尹光志等 [76]研究了瓦斯压力与煤体渗流特性的关系。覃建华等 [77]采用理论分析方法建立了滑脱效应影响的低渗透储层煤层气运移数学模型。 5)多场多相耦合流动理论 煤层瓦斯渗流处于复杂的地质环境当中，会受到地应力场、地温场、地电场等地球物理场的影响[78]，瓦斯在储层中的运移过程是上述物理场以及变形场、渗流场间的动态流-固耦合过程。国外的 Ettinger[79]系统研究了瓦斯煤体系统的膨胀应力与瓦斯突出的关系。 Gwwuga[80]、Khodot[81]、Harpalani[82]等在实验条件下研究了在地球物理场中含气煤样的力学性质以及煤岩体与瓦斯渗流之间的固-气力学效应。Borisenk