文摘

为了提高气体钻井井眼从卸载煤层中提取的地板巷道,缓解压力提高渗透率的机制保护煤层开采进行了分析。基于多重物理量场理论,在天然气开采的水力耦合模型建立了煤层卸,钻井井眼和天然气开采过程的地面道路的表土Panyi煤矿1551(1)小组模拟。不同钻井安排在天然气开采的影响效应进行了分析。结果表明,保护煤层的渗透性特征是分区,可以分为permeability-enhanced区,permeability-reduced区和原始渗透率区域根据煤层的应力状态。钻孔分布均匀的情况下,气体压力下降缓慢permeability-reduced区,仍大于0.74 MPa提取180天之后,有一个大型萃取盲区保护面板。非均匀条件下的钻孔分布安排根据渗透性分区的特点,有效提取区域几乎可以覆盖保护面板,和盲提取面积减少91.22%相比,均匀钻孔分布。这些可以提供一个参考卸货在类似条件下天然气开采。

1。介绍

对煤层低透气性、高气体,天然气开采矿业之前必须采取措施降低煤层瓦斯含量。然而,在许多情况下,虽然已经采取了大量的项目,气体提取效果并不理想。保护层开采能有效减少压力和增加渗透,渗透系数是数百数千倍(1,2]。钻井井眼在地板上道路是最常用的方法之一,煤层气开采保护。和钻孔的合理安排是有效的天然气开采煤层的关键(3,4]。

自1960年代以来,国内外学者进行了各种研究保护层开采技术和压力释放气体提取。李等人。5)模拟的应力分布和变形层保护的法律下保护层开采和保护范围的确定趋势和保护层的倾向。Zhang et al。6)提出了类似的材料物理模型,分析了上覆岩层的运动规律和影响的扩张和变形层保护。王等人。7]研究了煤炭和岩层断裂的演化规律上保护层,认为天然气开采应考虑时空效应的因素的发展矿业骨折。王等人[8和刘9)测试保护煤层的渗透率变化保护层开采后的耦合动力学模型,建立了煤岩体变形和气体流量。Zhang et al。10- - - - - -13)结合野外实习,分别使用钻井井眼在地上巷道,高层次的钻探,地面钻井和结合的方法提取释放出来的气体从保护层,取得了良好的气体控制效果。王等人。14和胡锦涛et al。15]研究了气体排放和保护的减压法层开采面临的关闭和陡峭的倾斜和陡坡保护层。在此基础上,压力释放天然气开采的参数进行了优化。马等。16,17]研究了应力率和晶粒尺寸的影响在碎煤颗粒气体渗流特征。

基于多重物理量场理论,在天然气开采的水力耦合模型建立了煤层卸,钻井井眼和天然气开采过程的地面道路的表土Panyi煤矿1551(1)小组模拟。不同钻井安排在天然气开采的影响效应进行了分析。

2。卸载天然气开采水力耦合模型

2.1。基本假设

保护层开采后,上覆地层形成屈服区,断裂区,和沉降区垂直方向(垂直三个地区),这将导致保护煤层的卸压,如图1(18]。保护煤层的沉降和变形裂缝扩展和穿孔,并沿着层理方向的渗透率增加,和气体流动性明显增强。与此同时,改变气体压力梯度会打破原来的气体吸附/解吸平衡状态,部分吸附气体转移到自由气体。气体压力梯度的作用下和提取钻孔的负面压力,气体从高压区域流向低压区。气体抽出,煤层气体的压力和内容正逐渐减少。和爆发的危险消除。


图1
在天然气开采保护层开采后的卸煤。

依法pressure-unloading煤层的瓦斯赋存和迁移,以下给出假设[18- - - - - -23]:(a)煤层是一种多孔弹性连续介质。(b)气体运输的孔隙和裂隙煤层吸附和游离状态。(c) pressure-unloading煤层的气体迁移过程如下:首先,气体从煤层的孔隙表面眠。其次,气体扩散到裂缝。第三,气体流从裂缝井眼(图2)。(d)气体是理想,忽略重力的作用。(e)拉应力为正,压应力为负。


图2
在钻孔提取气体迁移。
2.2。液压领域的控制方程

气体在煤层吸附和游离状态组成。单位体积和气体含量的煤是定义如下19]: 在哪里 煤层孔隙度, 是气体密度(公斤/米3), 是煤层密度(公斤/米3), 标准条件下的气体密度(公斤/米3)。

根据理想气体状态方程,气体密度定义如下: 在哪里 气体的摩尔质量(公斤/摩尔), 是摩尔气体常数(J /(摩尔·K)), 气体压力(MPa), 是煤层的温度(K)。

吸附气体的体积可以表达的朗缪尔方程(19]: 在哪里 朗缪尔的体积常数(m3/公斤), 朗缪尔(Pa)的压力常数,然后呢 气体压力(MPa)。

根据质量守恒定律,变化量之和的吸附气和游离气煤层等于气体流入井内。考虑天然气和天然气下滑的影响,结合达西定律,可以得到如下: 在哪里 是时候, 温度在标准条件下(K), 渗透率(m2), 是气体的动态粘度(Pa·s),然后呢 是Klingberg系数(Pa)。

用方程(1)- (3)方程(4),在煤层气体渗流场的控制方程得到如下(20.]:

2.3。机械领域的控制方程

煤是一种弹性多孔连续介质。及其总应变是固体的和压力、气体压力、气体吸附/解吸引起的应变。因此,我们可以得到以下方程(21]: 在哪里 克罗内克符号; 是煤炭剪切模量(Pa), ; 是煤(Pa)的体积弹性模量, ; 是煤(Pa)的杨氏模量; 是煤炭的泊松比; 是毕奥系数;和 是气体吸附压力。

通过实验研究,莱文24)发现,煤炭应变引起的气体吸附符合朗缪尔方程形式,可以表示如下: 在哪里 最大的吸附压力和吗 是吸附压力常数,它指的是气体压力当劳损是最大吸附应变(Pa)的50%。

煤的几何和静力平衡关系如下: 在哪里 是体积力(MPa)和 位移的吗我方向(m)。 。结合方程(6)和(8),修改后的纳维方程考虑孔隙压力和吸附可以获得:

莫尔-库仑准则作为判断煤岩的强度失效的标准: 在哪里 是最大原则应力(MPa), 压力是最小的原则(MPa), 是裂缝性角(°), 单轴抗压强度(Pa)。

2.4。卸载煤层的孔隙度和渗透率

煤层的渗透率应力状态密切相关,机械性能,煤的吸附性质。它可以表示如下(25,26]: 在哪里 是初始渗透率煤层(m2), 是煤层的压缩系数(Pa−1), 是吸附压力系数。下标“0”是初始值。

孔隙率和渗透率之间的关系是立方定律所描述的,它可以表示如下(27- - - - - -29日]: 在哪里 煤层是初始孔隙度(m2)。

用方程(10)方程(11),获得煤层孔隙度的动态演化方程如下:

煤层气开采的流固耦合模型的组合得到的方程(5),(9),(11)和(13)。我们可以利用Comsol多重物理量进行数值模拟,研究法律的天然气开采卸保护层开采的煤层,并确定合理的钻孔布置方案。

3所示。理性孔布置在天然气开采的数值模拟

3.1。几何模型和固定条件的解决方案

Panyi煤矿在淮南矿区是我爆发,和煤与瓦斯突出事故多次发生,严重制约煤矿的安全、高效生产(9]。C13煤层是煤矿的主要开采煤层;煤层的平均厚度是5米,气体压力为4.2 MPa,渗透率是2.25×10−17米2属于高气体,低渗透性,和危险的煤层。B11煤层位于底部的C13煤层;煤层的厚度是2 m,煤的两层之间的平均距离是64米,和B11煤层突出的风险相对较小。因此,B11煤层作为低保护层保护C13煤层的开采。

倾斜的宽度1551(1)工作面B11煤层是220 m,罢工的长度是1460米,平均煤层倾角是5°。倾斜的宽度1551(3)工作面C13煤层是200 m和罢工的长度是1400米。受限于计算机的内存性能,我们只在卸载模拟天然气开采煤层时,1551(1)工作面开采800米,和几何模型大小是1000×400×95(图3)。物理模型的底部边界固定和滑动边界是申请了其他方面。负载的重量上覆地层平均压力10 MPa应用于边界。所有的外部边界气体绝热和不透水边界。在初始条件下,煤层在免费的应力状态,和上覆地层的力学参数如表所示1(11]。天然气开采钻孔的直径是113毫米,和抽吸负压是25 kPa。和其他相关参数如表所示2。


图3
几何模型进行数值模拟。
表1
上覆地层的力学性能。
表2
在天然气开采煤层的参数。
3.2。仿真结果分析

protected-layer C13煤层的垂直应力分布如图4保护层B11煤层开采后到800米。的两边形成应力集中在B11煤层采空区,在应力集中和应力结果传递相应的面积C13煤层。最大垂直应力是15 MPa,应力集中系数是1.5。C13煤层区域对应B11煤层采空区产生减压,最小垂直压力是7 MPa, pressure-unloading比率是0.32。


图4
垂直应力分布的煤层保护。

根据方程(10),煤层的渗透性救援区上升和煤层的渗透率应力集中区域减少。如图5,保护煤层的渗透率分为增强区,减少区和原始区域。最大磁导率是2.85×10−14米2,这是高达2.25×10的1266倍−17米2在煤层的初始磁导率,而最小渗透率是3.65×10−18米2,这是首次在煤层渗透率的0.162倍。


图5
煤层渗透率分布的保护。

为了确定钻孔的合理间距,两种类型的钻探天然气开采布局进行了研究,如图6。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
钻探天然气开采布置方案。(一)最初的安排。(b)优化安排。

原来的安排:在煤层钻孔是均匀分布的。钻孔间距20×20米。

优化安排:水井不均匀地分布在煤层。钻孔间距的核心增强区40×40米,一般的渗透区20×20米,和渗透率降低区5×20米。

从图6的布局,我们可以看到附近水井open-off剪切和工作面相对密集。如果我们罢工工作面长度增加,将会有一个小的差别在水井的数量两个布局类型。

利用煤层气开采的流固耦合模型,在天然气开采上述两种类型的法律模拟以确定钻孔的合理的方式分配。图7气体压力的分布地图在卸载煤层天然气提取180天。显然,煤层的初始气体压力为4.2 MPa;当它减少到0.74 MPa,煤层气开采率超过30%。因此,减少气体压力为0.74 MPa可以被认为是标准。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
气体压力后的煤层180天的提取。(一)最初的安排。(b)优化安排。

如图7(一)均匀分布模式下(原安排),气压迅速降低核心增强区,并且它可以低于0.74 MPa提取后的30天。渗透率降低区,气体压力降低缓慢,180天的提取仍大于0.74 MPa,提取盲区是4.1×104米2。然而,如图7 (b)优化下非均匀孔布局模式(优化安排),煤层气压力迅速下降。经过180天的提取、有效提取面积基本上涵盖了保护煤层工作面,盲区是只有0.36×104米2,这是原来的0.0878倍的安排。

图8显示截止直线CD的气体压力在中间煤层经过180天的提取。一般来说,在中间区域煤层150 - 250 m,气体压力的原始安排几乎等于优化安排。在100 - 150和250 - 300,原来安排的气体压力大于优化安排。它可以发现盲区提取研究煤层的双方将发生如果我们使用原来的安排。在每一方的盲区范围约25米。


图8
气体压力截止直线CD 180天后的提取。

天然气开采的能力比较和分析两种类型的钻孔布局,如图9。提取的早期阶段,天然气开采能力迅速增加,促进高气压梯度。在30天内提取、天然气开采能力的两种布孔方案达到4.77×106米3和5.84×106米3,分别。随着提取时间的增加,煤层的瓦斯压力下降,气体压力梯度减少,萃取率降低,萃取容量增加缓慢。当提取时间是180天,天然气开采能力是7.47×106米3和8.95×106米3,分别。天然气开采能力的优化安排是比原来的安排。根据气体压力的分布,发现优化安排充分利用分区特征的保护煤层的渗透性,提高天然气开采的效率。


图9
不同的钻探天然气开采布置方案。

4所示。结论

(1)流固耦合模型,在卸煤和天然气开采的动态演化方程构造煤层的渗透率和孔隙度。天然气开采过程的数值模拟在地板的卸载煤层巷道。(2)压力两边的保护层采空区是高于保护煤层区,煤层渗透率降低。中间的采空区,煤层的应力区减少,渗透率增加。保护煤层的渗透性分区的特点,可分为permeability-enhanced区,permeability-reduced区和原始渗透率区域。(3)1551(3)工作面C13煤层,采用统一的钻孔分布法时,渗透率还原区中的气体压力低于0.74 MPa 180天后的提取,提取盲区是4.1×104米2。提取的有效提取面积180天后基本上是受保护的覆盖层,当非均匀分布法用于渗透性分区。

数据可用性

本文使用的数据来自由Comsol稳定的物理仿真结果。我们写的方程Comsol代码独立进行模拟。因此,您可以联系Chaojun风扇((电子邮件保护))如果你想了解更多关于我们的工作。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是在经济上支持中国国家重点研究发展计划(批准号2016 yfc0801407-2),中国国家自然科学基金(批准号51674132和51674132),国家重点实验室开放项目的煤炭资源安全开采,CUMT(批准号SKLCRSM15KF04),国家地方联合工程实验室的研究基金深矿瓦斯抽放与地面控制(批准号G201602),国家重点实验室培育基地的研究基金会的天然气地质和气体控制(河南理工大学)(批准号WS2018B05),基础研究项目的辽宁省教育部重点实验室(批准号LJZS004)和辽宁省自然科学基金(批准号2015020614)。这项研究的第一作者也支持由中国学术委员会(CSC号201708210251)。