[01215886]基于储层采动裂隙网络模型的煤层气安全高效开发关键技术及应用

本项目所属科学领域为非常规天然气开发、矿山安全领域。 本项目综合采用理论研究、实验室相似实验、数值仿真、工业试验等手段,研究了煤层气储层在采动作用下的应力分布特征,构建了煤层气储层采动后上部覆岩的裂隙发育模型和在覆岩应力二次恢复过程中的应变-渗流模型,获得了储层采动条件下煤层气的储运特征,并提出了煤层气安全高效开发的关键技术方法及参数,最后在通过工业实验进行验证并进行推广。主要内容如下： （1）获得了煤层气储层覆岩在全周期内的应力演化规律,认为其经历了超前应急集中-采动影响卸压-应力二次恢复三个阶段,卸压范围与“覆岩-储层”垂距的成反比,卸压程度亦表现类似关联,应力二次恢复阶段可近似解释为侧限条件储层覆岩（扩展支承区）受自重影响的线性加载过程,以裂隙开度为联系参数,推导了描述此过程的应力-渗透性耦合模型。 （2）在采动三带理论的基础上,构建了描述储层覆岩断裂带裂隙分布特征的离散网络模型,断裂带内采动裂隙主要为水平离层裂隙和垂向破断裂隙,二者占裂隙总量的70.8%。获得了受裂隙分离下的覆岩岩体尺度特征,并解释了应力二次恢复过程中,裂隙形态的响应特征：裂隙开度闭合与距离储层的垂距呈负相关,水平裂隙的闭合更为明显,裂隙类别中多以开度低于1mm的小微裂隙为主。在裂隙发育特征的基础上,构建了断裂带离散裂隙网络模型,定义了控制模型形态的主要三类参数,分别为外边界控制参数、断裂岩块尺度参数、裂隙开度参数。 （3）建立了应力二次恢复作用下的应变-渗流耦合模型,当有效应力由1MPa恢复至4MPa时,渗透率降低了22.1%。裂隙岩样在重新加载中表现出类弹性行为,以裂隙开度的变化为桥梁,建立了描述应力恢复作用下的应变-渗透率模型,并对实验数据进行拟合,理论值与实验值平均拟合度在0.95以上,很好的验证了模型的适用性。 （4）建立了裂隙煤层气运移基本控制方程,模拟分析了储层工作面回采过程中煤层气在裂隙岩体内的运移汇集特征。建立了基于理想气体状态方程、质量守恒方程和渗流速度控制方程的裂隙岩体煤层气运移基本控制方程,基于此开展了Fluent数值模拟,获得了采空区煤层气在三维空间中的浓度分布规律及在裂隙岩体内的运移汇集特征。 （5）优化了煤层气卸压开发的合理技术参数,并在试验矿区进行应用。基于煤层气运移汇集特征,分析了煤层气开采过程层位选择、抽采负压、抽采时间等对断裂带煤层气运移汇集特征的影响,结合开采效果的现场实测分析,确定并优化了各类煤层气开采措施的合理技术参数,进而在潞安和阳泉矿区进行应用,取得了显著的安全、经济、环境和社会效益。 本项目共授权国家发明专利4项、实用新型专利3项、软件著作权1项,另有3项国家发明专利已申请并受理;发表学术论文20余篇,其中SCI检索10篇,EI检索9篇。 研究成果在潞安矿区高河矿和余吾矿、阳泉矿区新景矿得到了成功应用。煤层气抽采量达3484.6万立方米,累计利用量达2750万立方米,相当于减少排放CO2可达43.83万t,并增加产值4.76亿元,同时,研究成果解决了储层上隅角与采空区煤层气易积聚、回风浓度偏高的问题,有效的保障了储层煤炭资源的安全开发,成果取得了显著的安全、经济、环境和社会效益。