高压水射流割缝后甲烷提取有效半径

文摘

甲烷萃取的有效半径高压水射流割缝后最重要的参数井优化和萃取时间规划。我们应用一个稳定的流模型和thermal-hydrological-mechanical (THM)耦合模型来计算高压水射流割缝后有效半径。Zhongliangshan煤矿的实地测量表明,稳态流模型和THM耦合模型可以准确地代表的有效半径,和THM耦合模型提供进一步信息提取时间。之后,各种各样的因素,包括萃取时间,煤炭埋藏深度、槽半径、初始渗透率,甲烷和初始压力,进行了讨论。开槽钻孔的有效半径的1.94倍,传统的钻孔。

1。介绍

煤层气(CBM)提取是一个密集的方法减少煤炭的安全风险和甲烷爆发在矿山生产(1)能够提供清洁能源资源(2)和潜在的减少温室气体的排放3]。煤层气主要由甲烷(CH4)的~ 25倍的温室效应比二氧化碳强(4]。

中国的煤层气在世界上排名第三 的外汇储备 (5]。陆上的总潜在的CBM包括大量常规天然气资源和提供72.6亿米³2018年的能源(6]。地下煤层气生产在中国的目标是140亿米³2020年,根据13^th五年计划的开发利用煤层气(7]。Preextraction煤层气可以降低甲烷爆炸的风险(8- - - - - -11)以及煤与瓦斯突出。

大多数中国煤层的渗透率是< 1医学博士35% < 0.1 mD和37%之间是紧密的渗透率范围0.1和1 mD (1]。排水的煤层 很难根据煤层气排水工程设计规范(gb50471 - 2008)。煤层的极低的渗透率和孔隙度低,传统的提取方法,涉及到从地下开采煤层或表面效率不高,昂贵和耗时。提出了几种方法来提高煤层气开采效率。

高压水射流割缝(12- - - - - -16)已被广泛应用于提高煤层气开采从地下煤层渗透率极低,如图1。5煤层进行拉伸、压缩或剪切破坏的动态加载下高压水射流(15,17,18),这可以增强内在裂缝和传播新裂缝。铁饼状的洞穴可以减少有效应力在煤层和成倍增加渗透率(19,20.]。更高的吸附甲烷浓度可以使解除吸附增强煤层表面被高压水射流割缝后(21]。

考虑在这个过程中最重要的参数是有效的甲烷萃取半径高压水射流割缝后,已经验决定的。甲烷0.74 MPa的压力设置为煤与瓦斯突出的风险准则的规范预防煤与瓦斯突出(22]。这种压力消除煤与瓦斯突出灾害相关风险并允许安全的采矿作业。的影响半径通常被认为是甲烷压力损失的范围是10%23),而区域 被认为是甲烷萃取的有效半径。后者显然是更有利的优化领域应用,因此研究的一个重点。

甲烷的有效半径诅咒是一个至关重要的参数对水井钻探的布局和开采计划。非常大间距水井往往允许出现盲点的煤层开采和不足可能导致煤与瓦斯突出事故在生产过程中。相反,如果钻孔间距太小,可能发生泄漏,更必须钻水井,这是浪费和低效的。

随着对煤炭的需求,采矿作业了越来越深的深度的速度20米/年24]。温度对甲烷吸附/解吸的影响,煤层甲烷流量和变形与开采深度增加更加突出。此外,压力和流量的分布模式的甲烷在铁饼状的洞穴大大不同于过渡汽缸的水井。最重要的是,用于建立的技术从传统的钻孔中提取甲烷的有效半径为深水井是无效的。

为甲烷提取提供改进的指导,我们提出一个有效的和健壮的方法在一个thermal-hydrological-mechanical (THM)耦合模型计算甲烷的有效半径高压水射流割缝后提取。我们应用理论分析、数值模拟、模型验证和灵敏度分析开槽后检测甲烷分布。

2。方法

2.1。稳定的甲烷流模型

当一个铁饼状的洞穴是由水射流割缝,使解除吸附甲烷分子通过钻孔煤表面和流动。孔周围的甲烷流量区域可分为三个区域(图2):一个线性渗流区,低速非线性渗流区,扩散区。在煤层甲烷的扩散系数极低,和甲烷扩散的贡献可以忽略低渗透性煤层(25]。

根据达西定律,甲烷的速度流线性渗流区域可以表示为(26] 在哪里是甲烷渗漏速度(米/秒),煤层渗透率(μ米²),动态粘度的甲烷(mPa·s),是压差(MPa),是最大甲烷运移距离的线性渗流区(m)。

雷诺数(Re)被公认为流体流动模式,确定标准 代表之间的边界线性和非线性渗流(27]: 在哪里甲烷的密度(克/厘米吗³),孔隙度。用方程(1)方程(2),可以表示为

当流入低渗透性煤层甲烷分子碰撞对煤孔隙壁由于孔隙直径小于平均自由程。在一个宏观的,这个碰撞称为滑脱效应和启动压力梯度的条件是因为( )当甲烷流动在一个较低的速度。当压力梯度超过 ,甲烷流主要是低速非线性渗流;当压力梯度小于 ,甲烷流量只是由扩散。根据低速非线性渗流定律,可以断定 在哪里和代表了甲烷流入和流出国的压力,分别克林肯伯格系数。

之间的关系和煤层渗透率可以表示为28] 当 在方程(1),代表了甲烷的最大距离运动在非线性渗流区,因此

甲烷的最大半径提取因此可以表示为 在哪里代表了洞穴半径。在方程(7), 可以被认为是有效半径和影响半径。方程(7)提供了一个长期有效的解决方案的有效半径和影响半径,但提取时间的影响仍然未知,在甲烷萃取温度将被忽略。

2.2。甲烷的THM耦合模型

THM耦合模型直接评估的有效半径甲烷萃取和萃取时间29日]。建立THM耦合模型甲烷提取高压水射流割缝后,我们建议以下基本假设[30.- - - - - -32):(1)煤层是均匀和各向同性多孔介质;(2)煤的变形骨架和孔隙度很小,可以被描述为线性弹性标准;(3)煤层和甲烷的热力学参数是温度无关;(4)煤层甲烷饱和;(5)甲烷吸附在煤可以用朗缪尔模型,和自由甲烷是理想气体。

2.2.1。煤变形的控制方程

在甲烷提取高压水射流割缝后,煤层变形温度的影响下,甲烷压力和地层压力。煤层的有效应力引起的应变是压力的总和,甲烷adsorption-induced应变和热应变。热应变可以表示为 在哪里热膨胀系数(厘米吗³/ (m³·K)),代表了绝对的改变煤层温度(K),和克罗内克符号。

考虑到应变引起的甲烷吸附,我们假设吸附诱发体积应变和煤层是各向同性。煤层的本构方程可以得出如下和负在压缩: 在哪里是煤层剪切模量(GPa),是煤层体积模量(GPa),是毕奥有效应力系数,在哪里 和和骨架的体积模量的煤(GPa),是正常的应力分量( ), 是煤炭应变张量分量,adsorption-induced应变。

结合方程(8)和(9),认为地层应力的本构方程,甲烷的压力,adsorption-induced应变和温度可以表示为(33]

右边第一项的方程(10)代表地层应力的应变;第二项意味着甲烷的紧张压力。第三和第四项是吸附引起的应变和温度,分别。

煤层的应力位移方程 在哪里是煤层位移分量。煤层的平衡方程可以表示为 在哪里是煤层的体积分量。

结合方程(10)- (12),控制方程对煤层影响下的位移应力,应变,甲烷的压力和温度

2.2.2。控制方程的甲烷流量

假设作为理想气体甲烷,甲烷的密度可以形容 在哪里压缩系数(公斤/ (m³Pa)),是甲烷密度(公斤/米³),是甲烷的摩尔质量(16 g /摩尔),理想气体常数(8314²/(年代²·K))是温度(K)。

根据理想气体状态方程,免费的甲烷在煤裂缝,裂缝,可以描述为毛孔 在哪里的自由甲烷每立方米煤(公斤/米³),是大气压力(0.1 MPa)。

朗缪尔模型被广泛用于代表甲烷吸附在煤,可以表示为34] 在哪里的质量是煤吸附甲烷每立方米(公斤/米³),是最大的单层吸附容量(m³/ t),是朗缪尔压力,它代表了压力时吸附甲烷(MPa) = 50%的最大数量。

甲烷吸附是一个放热过程和温度之间的关系和在文献中描述的朗缪尔参数(35]

结合方程(15),(16)和(17),甲烷含量的总和是免费的甲烷和吸附甲烷和可以被描述为 在哪里煤的单位体积是甲烷,公斤/米³。根据达西定律和质量守恒定律, 在哪里质量源项。

开采深度的增加,温度对甲烷的动态粘度的影响可以忽略,和动态粘度的甲烷被设置 。然后我们获得甲烷在非等温条件下流动的控制方程:

2.2.3。温度场的控制方程

有三种类型的热传输在煤层:热传导、热辐射、热对流。因为热辐射的影响可以忽略不计,甲烷吸附是一个吸热过程,可以简化传热在煤层不稳定热传导与内部热源在三维空间中。根据能量守恒,我们获得36] 在哪里的比热容是煤层(J / (K·公斤)),的比热容是甲烷(J / (K·公斤)),是甲烷的比焓(焦每摩尔),是等排的甲烷(33.4焦每摩尔)[热37),而是甲烷的加权导热系数和煤。

2.2.4。耦合控制方程

根据孔隙度的定义, 在哪里是初始体积的煤层骨架(m³),骨架的体积增量(m³),是总孔隙体积(m³),是煤炭总量(m³),最初的煤,煤孔隙度和煤的体积应变。

当煤骨架受到孔隙压力的影响,温度,和adsorption-induced肿胀、煤的体积变化可以描述为骨架 在哪里煤的压缩因子, ,在哪里泊松比。

甲烷adsorption-induced肿胀的煤可以表示为(38] 在哪里是煤(GPa)和体积弹性模量是甲烷的摩尔体积(22.4 L /摩尔)。根据方程(22)- (24),孔隙度的动态演化模型可以实现:

Kozeny-Carman方程建立了孔隙度和渗透率之间的关系: 在哪里行动是常数,单位体积的比表面积(厘米吗²),比表面积(厘米吗²)。

用方程(25)方程(26),我们获得煤渗透率的动态演化模型使用THM耦合模型: 在哪里有效应力的变化(MPa)。

甲烷的THM耦合模型提取高压水射流割缝后因此可以概括为

3所示。模型验证

验证完全耦合模型,进行现场试验的K10煤层Zhongliangshan煤矿中国西南的重庆。开槽和甲烷压力测定的钻孔布置见图3。九个水井钻探。钻孔# 5是用于执行高压水射流割缝,钻孔# 6被用来验证槽半径,和其他的水井被用来检测甲烷的压力。开槽时停止观察水在井眼# 6。K10煤层在测试的深度是575米,初始甲烷为1.9 MPa的压力,初始渗透率 ,开槽钻孔和消极的排水压力是35 kPa。所有参数表中列出1。完美对称的煤层和水井在图中显示为一个二维模型4和用于模拟甲烷萃取来简化计算。二维模型是150米长,3米高。在模型的上边界,我们应用一个均匀分布的正应力根据深度。模型的左右两边是甲烷和克制的水平位移和绝缘热传输的目的。底部边界限制正常的位移和绝缘为甲烷和热传输。上面的控制方程和成套使用PDE模块耦合方程解析解COMSOL多重物理量(39]。

比较图5代表THM耦合模型可以完全符合现场测量的数据,和图6显示稳定的流模型和THM耦合模型可以表示甲烷提取的字段数据。水井# 3和# 4,甲烷压力下降的速度比数值结果在一个相对短的时间。这主要是因为槽周围的应力分布变化由于开槽过程。塑性变形可能发生,煤的渗透率高于THM耦合模型预测(40]。压实和应力再分配后,甲烷压力与数值结果良好的协议。结果确定在该领域也显示出良好的一致性与有效半径和影响半径计算稳态流模型(图6)。

4所示。分析影响因素

在煤层甲烷流量是由一系列因素,包括初始甲烷渗透,初始瓦斯压力,煤层埋藏深度和提取时间。为了更好地理解甲烷提取高压水射流割缝后,所有这些因素都应该基于鲁棒模型分析。这对优化井眼钻井提供信息和提取时间实际操作在不同煤层复杂的参数。

4.1。与传统的钻孔

图7显示了传统的压力分布的甲烷井眼直径75毫米和开槽钻孔后100天的提取。黑色的轮廓图7代表0.74 MPa。在传统的钻孔中,有效半径为2.11米,而槽钻孔的有效半径为6.2米。这表明,高压水射流割缝不仅增加接触面积,可以大大提高甲烷萃取的有效半径。开槽钻孔的钻探煤层可以减少~ 80%的传统的钻孔。

4.2。提取时间的影响

图8显示了煤层瓦斯压力的分布1后,50岁,300年,500年,1000天的提取。相应的有效的提取半径是1.77,4.7,9.78,10.8,和10.98 m,分别。拟合提取时间和有效半径(图之间的关系9)表明,有效半径增加迅速从一开始直到~ 350天,然后慢慢增加,保持几乎不变,直到1000天。在实际操作中,可以优化提取时间约350天。

4.3。煤炭埋藏深度的影响

考虑在中国地下开采的实际情况,我们不同的煤层深度400,600,800,1000,1200,确定高压水射流割缝后的有效半径。图10表明甲烷萃取的有效半径随煤层厚度的增加而线性减小。增加煤层埋藏深度可以增加煤的有效应力,这降低了煤层渗透率呈指数级增长。深煤层也伴随着更高的温度,这进一步扩大煤炭矩阵。由于煤层温度人工很难改变,埋藏深度的调查更合适的温度(45]。克制煤层的水平和垂直方向导致减少毛孔和骨折,这必然地降低渗透率。

4.4。槽半径的影响

对高压水射流割缝特征和煤炭机械参数,我们分析了槽半径的1.5,2.5,和3 m。如图11,甲烷提取有效半径的增加线性增加槽半径斜率为1.144,这表明槽不仅扩大洞穴在煤层的直径也不同应力分布和孔隙度46,47]在洞穴和提高煤层渗透率。然而,有槽的改进泵和管道的半径是具有挑战性的。

4.5。初始磁导率的影响

图12显示了一个指数的有效半径之间的关系甲烷提取和最初的煤层渗透率。的有效半径从1.94增加到8.43米100天的提取后煤层初始渗透率的增加从0.001到0.05。此外,略有增加煤层渗透率可以强烈提高甲烷的有效半径提取初始磁导率< 0.1时。在低渗透性煤层实际甲烷萃取,高压水射流割缝,水力压裂,保护层开采,预裂爆破可以应用于提高煤层渗透率和减少提取时间。

4.6。初始瓦斯压力的影响

图13显示初始甲烷压力之间的关系和有效半径的甲烷提取。有效半径减少与增加初始甲烷幂函数后压力。高初始甲烷可以线性提高压力梯度的压力,促进甲烷流量由达西定律(方程(1))。甲烷升高压力也提高甲烷的数量通过朗缪尔吸附功能,导致adsorption-induced煤炭矩阵和减少肿胀甲烷流量的隧道。在甲烷萃取,速降甲烷压力增加了有效应力(地应力-甲烷压力)煤层的渗透率指数降低。因此,有效应力变化的主要影响在很大程度上阻碍甲烷提取。煤层甲烷具有较高初始压力不仅介绍煤与甲烷突出的风险很高,但也使甲烷排水。图14表明甲烷萃取的有效半径略为自发流从6.22增加到6.31时,管道正在101 kPa的绝对真空(负压)。

5。结论

我们使用一个完全耦合thermohydromechanical模型来模拟甲烷提取高压水射流割缝后,进行了实地测量,证实了模型的可靠性和有效性。我们比较我们的结果与传统的钻孔和演示萃取时间的影响,煤炭埋藏深度、槽尺寸、初始渗透率,原始煤层压力。这里的结论进行了总结。(1)的有效半径K10 Zhongliangshan煤矿的煤层达到4米后16天的甲烷提取和5米后80天。结果是在良好的协议与稳定流动模型和THM耦合模型模拟(2)相比传统的钻孔、开槽钻孔可以增加有效半径的1.94倍的甲烷萃取后100天(3)提取时间很大程度上增强了影响半径的甲烷生产到~ 350天。增加煤层埋深与有效半径的线性减少有关,和有效半径的增加线性槽半径(4)渗透率呈指数级增加甲烷萃取的有效半径,特别是煤层初始渗透率的增加从0.001到0.05。的有效半径减少与增加幂函数后初始甲烷的压力。负压的有效半径的影响可以忽略不计

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有竞争的经济利益。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号51974042)和肯塔基州QianJiaoHe子[2019]073。第一作者要感谢中国奖学金委员会(没有。201406050029)对金融支持。

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