褐煤原位注蒸汽開采油氣的理論及試驗研究.pdf

1、褐煤等低變質(zhì)程度煤種具有含水率高、灰分高、發(fā)熱量低的特點(diǎn)，因此運(yùn)輸成本、加工成本較高。隨著目前世界油氣資源的緊缺，煤制油、煤制氣等一些新的技術(shù)被提出。我國褐煤等低變質(zhì)程度煤儲量豐富，如果能通過地下處理將煤中的有機(jī)成分提取出來，不僅節(jié)約開采成本，而且一定程度上緩解油氣緊張問題，因此提出原位注蒸汽大規(guī)模提取褐煤等低變質(zhì)程度煤層中的油氣資源的設(shè)想。圍繞著這一嶄新課題，本文進(jìn)行了一些初步研究，得到如下結(jié)論：
　　 1)通過對內(nèi)蒙古元寶山

2、和霍林河露天褐煤礦區(qū)煤層賦存特征的實地調(diào)研，認(rèn)為褐煤賦存區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力場為靜水應(yīng)力場。
　　 2)利用μCT225FCB型高精度工業(yè)CT試驗機(jī)進(jìn)行了不同溫度下褐煤、氣煤熱解的顯微CT試驗，發(fā)現(xiàn)煤在低溫階段(低于200℃)，由于煤中水分和自由氣體的散失而產(chǎn)生大量裂紋；在高溫階段(高于300℃)，有機(jī)質(zhì)的熱解導(dǎo)致煤中大量孔隙裂隙的形成，煤的這種產(chǎn)生孔隙裂隙的方式與無機(jī)巖石(如花崗巖、砂巖等)明顯不同，稱這種因熱解作用導(dǎo)致煤等一類富含

3、有機(jī)質(zhì)的巖石發(fā)生破壞的現(xiàn)象為熱解破裂。煤熱解破裂過程中，當(dāng)溫度低于300℃時因煤中自由水和自由氣體的散失而形成以細(xì)長裂紋為主的孔隙裂隙系統(tǒng)；當(dāng)溫度高于300℃時因煤中熱解產(chǎn)物的逸出而形成以圓形或橢圓形孔洞為主的孔隙裂隙系統(tǒng)。300℃前新生裂隙不僅起始于煤中的硬質(zhì)顆粒之間，更普遍的起始于有機(jī)質(zhì)中，靠近試樣邊界處較試樣內(nèi)部多；300℃后孔隙裂隙的形成主要起始于有機(jī)質(zhì)內(nèi)，從試樣的邊界開始向試樣中心逐漸減弱。室溫～150℃是裂隙擴(kuò)展的加速階段，

4、150℃～300℃裂隙擴(kuò)展減緩，300℃后裂隙再次迅速擴(kuò)展，擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于150℃前。
　　 3)煤熱解破裂過程中產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象。無應(yīng)力約束條件下，褐煤在70～80℃即有聲發(fā)射現(xiàn)象，表明此時褐煤內(nèi)有新的裂隙產(chǎn)生；150℃～200℃時聲發(fā)射能量率和振鈴率大幅度增加，說明裂隙不斷擴(kuò)展；200℃～300℃聲發(fā)射能量率和振鈴率較小，聲發(fā)射活動減弱，說明裂隙生成量減少，擴(kuò)展也較為緩慢；300℃后，聲發(fā)射活動再次加劇，這是因為煤在該溫

5、度下發(fā)生熱解并產(chǎn)生大量熱解氣體，氣體的產(chǎn)出導(dǎo)致聲發(fā)射活動增強(qiáng)。
　　 在三軸應(yīng)力條件下，煤熱解破裂過程中的聲發(fā)射較無應(yīng)力約束下復(fù)雜，是熱解和應(yīng)力共同作用的結(jié)果。應(yīng)力對煤熱解破裂過程中的聲發(fā)射具有顯著的影響，主要表現(xiàn)為煤受溫度影響后固體骨架弱化，應(yīng)力作用下煤的固體骨架內(nèi)部發(fā)生摩擦，表現(xiàn)出較為劇烈的聲發(fā)射活動。
　　 4)采用600℃20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機(jī)對大尺寸(φ200×400mm)煤樣進(jìn)行熱解變形滲透試

6、驗，得出：
　　 ①高溫三軸應(yīng)力下煤的變形可分為體積膨脹、緩慢壓縮、劇烈壓縮三個階段。與無煙煤相比，氣煤的熱變形更為劇烈，通過對比無煙煤和氣煤熱變形特點(diǎn)推斷從氣煤至無煙煤各煤階中，熱變形由體積膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛龎嚎s的臨界溫度為200℃～250℃。煤體變形的脆-韌性機(jī)制的轉(zhuǎn)變受溫度和壓力共同作用，在較高的臨界溫度下，轉(zhuǎn)化壓力較低，反之亦然，具有明顯的溫壓等效性，無煙煤煤體在圍壓15MPa時，其臨界溫度范圍為400℃～450℃。熱解產(chǎn)氣

7、對煤體變形起著主控作用，尤其在高溫階段(450℃以后)。隨著熱解產(chǎn)氣量的增加，煤體即使在較小的圍壓下也能產(chǎn)生較大的永久變形。
　　 ②高溫三軸應(yīng)力下煤的彈性模量隨溫度變化可以分為中低溫平穩(wěn)降低階段、中高溫劇烈降低階段和高溫緩慢降低階段。彈性模量隨溫度變化存在一個由平穩(wěn)降低至劇烈降低的臨界溫度點(diǎn)，無煙煤為400℃～450℃，而氣煤為200℃～240℃。熱解產(chǎn)氣對煤的彈性模量產(chǎn)生重要影響，高溫階段煤體彈性模量的降低主要受熱解產(chǎn)氣控制

8、，彈性模量與熱解產(chǎn)氣速率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。
　　 ③高溫三軸應(yīng)力下煤的線性熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化大致呈現(xiàn)下凹狀，存在一個由正變負(fù)的臨界點(diǎn)，無煙煤和氣煤均為200℃。
　　 ④高溫三軸應(yīng)力下煤的滲透率隨溫度的變化存在一個閾值溫度和一個峰值溫度。室溫至閾值溫度滲透率隨溫度的升高而降低；閾值溫度至峰值溫度滲透率不斷增大；峰值溫度后滲透率處于降低狀態(tài)。無煙煤的閾值溫度為150℃～200℃，峰值溫度為450℃～500℃；而氣煤在試驗溫

9、度400℃內(nèi)，閾值溫度為200℃～250℃，沒有出現(xiàn)峰值溫度。
　　 5)利用自主研制的IMT-THMC-Ⅱ型注熱式多功能巖石力學(xué)試驗機(jī)研究了褐煤高溫蒸汽壓裂過程中變形、滲透特征及裂縫形態(tài)特征。發(fā)現(xiàn)高溫蒸汽持續(xù)注入過程中褐煤的變形也表現(xiàn)為體積膨脹和體積壓縮。滲透率隨著蒸汽的相態(tài)變化而變化。當(dāng)蒸汽無法快速滲出試樣時，表現(xiàn)為滲透率降低，甚至為0。當(dāng)提高蒸汽溫度或繼續(xù)提高蒸汽壓力后，冷凝水緩慢排出試樣，滲流率有所提高；一旦蒸汽通過試樣