煤儲層增滲技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

雷東記

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

煤儲層增滲技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

雷東記

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

為了解決煤儲層低滲富集區(qū)的煤層氣難抽采問題,總結(jié)了目前煤層增透技術(shù)的研究現(xiàn)狀,通過煤對瓦斯的微觀吸附機(jī)理的分析,提出了利用外加電場和聲場的方法達(dá)到增滲的發(fā)展方向,對低滲煤層的煤層氣開發(fā)具有重要意義。

煤儲層;增滲;電磁場;聲場;

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

我國地質(zhì)條件復(fù)雜,煤儲層具有“三低一高”的特點(diǎn),即:低壓、低滲、低飽和、高含氣量的特征。在煤層氣開發(fā)實(shí)驗(yàn)工作中已暴露出一些問題,有不少關(guān)鍵技術(shù)問題尚待解決。最為關(guān)注的問題是我國煤層滲透率普遍較低,這就給我國煤層氣開發(fā)帶來很大困難。煤層滲透性是煤層氣開發(fā)評價(jià)的關(guān)鍵性參數(shù)。如何解決煤層滲透率低、如何找到有效的激勵(lì)技術(shù),成為煤層氣開發(fā)成敗的關(guān)鍵。

1 增滲技術(shù)研究現(xiàn)狀

煤是一種多孔的固體介質(zhì),具有很大的內(nèi)表面積,因而具有較強(qiáng)的吸附氣體的能力[1]。目前研究增滲的技術(shù)都是從改變煤層在外在壓力下產(chǎn)生不均勻的變形和破壞,使煤體之間相互貫通,提高煤層的透氣性,為瓦斯的解吸和流動提供通道的力學(xué)增滲方法。如為了增大煤體的透氣性系數(shù),可以人為地在煤層中制造空隙,溝通及擴(kuò)展煤層內(nèi)部的裂隙網(wǎng)。對于單一煤層而言,只有在煤層內(nèi)部采取措施,張開原有裂隙、產(chǎn)生新裂隙以及局部卸壓,進(jìn)而改善煤層的透氣性。

目前采取的方法包括開采保護(hù)層法、水力壓裂法、加密抽放鉆孔法、卸壓帶抽放法和深孔松動爆破法等。這些方法均屬于用力學(xué)方法來增加煤層的透氣性。

(1)水力化

把水作為動力,在煤層中形成人工的空腔、槽縫和裂縫或擴(kuò)大已有的裂縫以及促使煤體發(fā)生位移,如水力沖刷、水力割縫、水力壓裂及水力擠出等。所用的水力呈現(xiàn)壓力高或流量大,即大于地層壓力或使煤體破碎的水壓和超過煤層的吸收和滲透能力的水量,使煤體產(chǎn)生破裂或位移以及改變其周圍的應(yīng)力狀態(tài),達(dá)到卸壓和排放瓦斯的作用,從而起到增強(qiáng)煤層的透氣性的效果。

水力化技術(shù)僅適用于相對堅(jiān)硬的裂縫性儲層煤層氣開采,對煤層較軟、孔隙裂縫復(fù)雜的煤儲層,水力化作用十分有限。

(2)注氣

注氣開采煤層氣就是向儲層注入N2、CO2及煙道氣等氣體,其實(shí)質(zhì)是向煤層注入能量,改變壓力傳導(dǎo)特性和增大或保持?jǐn)U散速率不變,從而達(dá)到提高單井產(chǎn)量和氣藏采收率的目的。按照注氣方式的不同,分為先注氣后采氣的間斷性注氣模式和邊注邊采的連續(xù)注氣模式。我國學(xué)者吳世妖等依據(jù)擴(kuò)散滲流理論和多組分吸附平衡理論,通過室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為:間斷性注氣在吸附平衡后煤層部分采氣區(qū)的原始壓力增加,開采時(shí)壓力梯度增加,滲流速度增加,衰減時(shí)間延長;連續(xù)性注氣保持了維持煤層氣流動的壓力梯度不變,相對提高了滲流速度。另一方面注氣造成的滲流速度增加又引起裂隙系統(tǒng)中煤層氣分壓下降速度加快,由此引起更多的吸附煤層氣參與解吸,解吸擴(kuò)散速率的增大,反過來又促使?jié)B流速度加快。其次,煤層與混合氣體達(dá)到吸附平衡后,每一組分的吸附量都小于其在相同分壓下單獨(dú)吸附時(shí)的吸附量。注氣后,競爭吸附置換,必然使一部分吸附的煤層氣解吸擴(kuò)散,從而引起擴(kuò)散速率、滲流速度和采收率提高。

2000年,BP公司在美國能源部的資助下,在圣胡安盆地西北部開始長達(dá)3年的現(xiàn)場試驗(yàn)工作,試驗(yàn)由CO2或其它強(qiáng)吸附氣驅(qū)替煤層氣,提高煤層氣的采收率。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬表明,相對均質(zhì)煤層可采出90%的地層原始儲量,而常規(guī)降壓開采只能采出30%～80%。

(3)松動爆破

針對高煤層氣低透氣性煤層透氣性系數(shù)低的特點(diǎn),可以在工作面前方的煤體中打深50m以上的炮眼,裝藥爆破,使炮眼周圍的煤體在炸藥產(chǎn)生的爆壓作用下,產(chǎn)生破裂和松動,從炮眼沿徑向由內(nèi)向外形成三環(huán)分布:破碎圈、松動圈和裂隙圈。這種方法的特點(diǎn)是在爆破孔的周圍增加了輔助自由面(控制孔),爆破后不僅在相鄰孔邊線方向產(chǎn)生貫通裂隙,而且能在其它方向產(chǎn)生裂隙。預(yù)裂爆破的作用機(jī)理可概括為:炸藥在鉆孔內(nèi)爆炸后產(chǎn)生的應(yīng)力波和大量高溫高壓爆生氣體在爆破近區(qū)形成壓縮粉碎區(qū),使煤體固體骨架發(fā)生變形破壞,形成爆炸空腔;在爆破中區(qū),應(yīng)力波過后,爆生氣體產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場,并楔入空腔壁上已經(jīng)張開的裂隙中,使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展,進(jìn)而在鉆孔周圍形成徑向“之”字形的交叉裂隙網(wǎng);在爆破遠(yuǎn)區(qū),由于控制孔的作用,形成反射拉伸波與徑向裂隙尖端處的應(yīng)力場相互疊加,促使徑向裂隙和環(huán)向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展,大大地增加了裂隙區(qū)的范圍。最后,使煤體內(nèi)形成以爆破孔為中心的影響范圍為5～15倍鉆孔直徑的連通裂隙網(wǎng)。

雖然這些方法中有些對提高煤層透氣性很有效,但由于自然條件和開發(fā)成本等的限制,在許多礦區(qū)還很難于推廣應(yīng)用。因此,從煤體吸附瓦斯的微觀機(jī)理出發(fā),研究一種用非力學(xué)的手段來提高煤層瓦斯流動擴(kuò)散能力的方法已顯得極為重要。

2 增滲技術(shù)展望

2.1 外加電場提高煤儲層滲透性

2.1.1 增滲理論分析

瓦斯分子在煤表面以物理吸附的形態(tài)存在。而產(chǎn)生物理吸附的作用力是分子間作用力,即范德華(vande:waals)力。物理化學(xué)研究[2]表明,原子和分子間所有的力都起源于電,它們最終取決于同種電性之間的排斥力和不同種電性之間的吸引力,這些力的作用規(guī)律基本服從庫侖(Coulomb)定律。通常用來描述這類力學(xué)作用的是勢能而不是力本身。由于瓦斯分子以物理吸附態(tài)吸附,甲烷和二氧化碳均屬非極性分子,而煤中含有水和多種無機(jī)鹽類極性分子,且煤的大分子結(jié)構(gòu)中有大量的極性基團(tuán),所以,煤表面存在有永久偶極矩,因此,煤表面分子與瓦斯分子之間的作用勢能只是如下幾類:

(1)煤表面的永久偶極矩電性與瓦斯分子中被該永久偶極矩誘導(dǎo)產(chǎn)生的偶極矩之間的相互作用能,U∞r(nóng)-6。

(2)非極性分子之間的勢能,U∞r(nóng)-6。

其中,U,r分別代表所描述對象的勢能與間距。

煤屬于有機(jī)大分子結(jié)構(gòu),其大分子內(nèi)部及大分子結(jié)構(gòu)中,芳香核的周邊存在著大量的基團(tuán),例如羥基(-OH)等。這些基團(tuán)的存在,使分子具有極性偶極矩。此外,還存在有水、無機(jī)鹽類等極性分子。由于分子熱運(yùn)動的影響,煤體內(nèi)偶極矩在無外電場作用時(shí)向各個(gè)方向分布的幾率相同,表現(xiàn)為中性,而煤表面分子的極性則對吸附瓦斯分子做出貢獻(xiàn)。煤表面非極性分子與瓦斯分子間的引力主要由色散作用引起。據(jù)Fritz London研究認(rèn)為,非極性分子間的色散力由瞬間偶極矩的作用產(chǎn)生,其相互間的作用勢稱為London作用勢UL,可用下式表

式中,ε0為真空介電常數(shù);vA,vB均分別為A,B分子的瞬間偶極矩振動頻率,內(nèi)層電子振動頻率為1019Hz量級;aA,aB分別A,B為分子的極化率;hA,hB分別為A,B物質(zhì)的Plank常數(shù)。

由于瓦斯分子與煤表面分子間主要以上述2種方式發(fā)生物理吸附作用,因此,通過尋求一種能夠改變上述瓦斯吸附微觀作用過程的方法必然能夠改變煤對瓦斯的吸附性態(tài)。

2.1.2 增滲技術(shù)

對吸附瓦斯煤施加交變電磁場即是一種有效的方法。外加交變電磁場一方面可以使煤表面極性分子的偶極矩方向產(chǎn)生周期性變化[3],從而降低瓦斯分子被煤表面極性分子捕獲的頻率,降低吸附量;另一方面,可使非極性煤表面分子與瓦斯分子的瞬間偶極矩振動頻率向外加電場頻率方向降低而使London作用勢UL增加,從而降低非極性煤表面分子對瓦斯分子的捕獲頻率[4]。

煤和瓦斯氣體都是典型的電介質(zhì),當(dāng)煤-瓦斯系統(tǒng)處于外加電磁場中時(shí),它們將耗散一部分電能,使之轉(zhuǎn)變成熱能,這種現(xiàn)象就是通常所說的電介質(zhì)損耗[5]。這將導(dǎo)致煤體溫度升高,氣體分子的無規(guī)則運(yùn)動加劇,分子之間的碰撞加強(qiáng),而且吸附瓦斯分子的動能也越大,獲得大于吸附勢壘的機(jī)會越多,在煤表面的停留時(shí)間越短,吸附量減小。

2.2 聲震法提高煤儲層滲透性

2.2.1 增滲理論分析

(1)熱效應(yīng)作用

聲波輻射是一種能量的輻射,這種能量是持續(xù)的而且作用范圍較大,作用范圍與頻率有關(guān),頻率大范圍小,頻率小范圍大[6]。當(dāng)聲波在煤體中傳播時(shí)將產(chǎn)生高頻振蕩,煤體的粘滯性造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦(內(nèi)耗)而吸收一定量的聲能,這部分聲能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使煤體的局部溫度升高,從而煤體的平均溫度升高。因熱效應(yīng)煤體溫度升高,瓦斯氣體分子的熱運(yùn)動劇烈,其動能越高,瓦斯分子獲得能量增加,脫附的可能性越大。

(2)機(jī)械振動作用

在煤儲層中放置超聲波換能器,換能器發(fā)出一定頻率的超聲波。在聲波衰減范圍內(nèi),其縱波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)的振動方向一致,會使煤體彈性介質(zhì)受到交替變化的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用,就相應(yīng)地產(chǎn)生交替變化的伸長和壓縮形變,則煤質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生疏密相間的縱向振動。其橫波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)的振動方向垂直,且具有剪切特性,當(dāng)煤體受到交變的剪切力作用時(shí),將會相應(yīng)地發(fā)生交變的剪切形變,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生具有波峰和波谷的橫向振動,這樣就會在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力和振動。所以在超聲波作用下,煤基質(zhì)中的孔隙和裂隙產(chǎn)生時(shí)大時(shí)小的變化,煤體易破碎,煤體中產(chǎn)生新的裂縫網(wǎng),使煤的裂隙和孔隙增多,有利于氣體的滲流[7]。

(3)多孔介質(zhì)煤體的損傷

聲波在傳播過程中一是使煤體產(chǎn)生拉伸、壓縮、剪切變形,煤體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動,雖然振動的位移和速度不大,但與超聲波振動頻度的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)加速卻很大,有時(shí)超過重力加速度的數(shù)萬倍,這么大的加速度足以造成對介質(zhì)的強(qiáng)大機(jī)械效應(yīng),甚至能達(dá)到破壞介質(zhì)的作用,使煤體發(fā)生損傷破壞;二是在聲波持續(xù)的輻射下,其能量轉(zhuǎn)化為熱能,使煤體溫度升高,這樣煤體產(chǎn)生熱膨脹,使煤的大分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化(因?yàn)槊旱拇蠓肿咏Y(jié)構(gòu)決定了煤的滲流特性),從而造成煤體損傷。所以超聲波能使煤體的空隙和裂隙增加,有助于瓦斯?jié)B流[7]。

2.2.2 增滲技術(shù)

根據(jù)聲波的機(jī)械振動、熱效應(yīng)作用可以使煤基質(zhì)產(chǎn)生損傷,促進(jìn)煤層氣的解吸,減少煤對煤層氣吸附量,可見這些效應(yīng)在聲波傳播的影響范圍內(nèi)將有利于煤體中煤層氣的流動。若在煤層氣抽采鉆孔中放入聲波換能器,因聲波作用可以促進(jìn)煤層氣解吸,提高煤儲層的滲透性,從而就可以提高煤層氣抽采量,所以在井下抽采和地面抽采中實(shí)施聲震法技術(shù)是提高煤層氣抽采率的途徑。

3 展望

從微觀上看,煤吸附瓦斯主要是煤的大分子結(jié)構(gòu)和瓦斯氣體分子之間相互作用的結(jié)果。從分子級水平研究煤吸附瓦斯的微觀變化,為增滲技術(shù)的新發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。利用外加電磁場和聲場方法可以提高吸附瓦斯的解吸速度和降低吸附量這一原理,可開發(fā)一種提高抽放率的新工藝,為較難利用用力學(xué)方法提高抽放量的煤層提供一套非力學(xué)的方法。

[1] 周世寧,林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動理論[M].煤炭工業(yè)出版社,1999:5～12.

[2] WalterJ Moore,江逢霖譯.基礎(chǔ)物理化學(xué)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1992.

[3] 何學(xué)秋,劉明舉.含瓦斯煤巖破壞電磁動力學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[4] 何學(xué)秋.交變電磁場對煤吸附瓦斯的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),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,姜永東,鮮學(xué)福.在交變電場、聲場作用下煤解吸、吸附瓦斯特性研究[J].中國礦業(yè),2005,14(5).

[7] 易俊.聲震法提高煤層氣抽采率的機(jī)理及技術(shù)原理研究[D].重慶大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.

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

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

雷東記,男,河南南陽人。在讀博士研究生,從事礦井瓦斯防治方面的研究。

(責(zé)任編輯 桑逢云)