(1. Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Metano de China United Co., Ltd. Beijing 10095 2. Laboratorio clave de petróleo y gas urbano de Beijing de la Universidad Youshi de China Tecnología de transmisión y distribución Beijing 102249 3. PetroChina Coalbed Mamine Co., Ltd. Beijing 100028)
Resumen: Las vetas de carbón en el área de Hancheng son depósitos de metano de lechos de carbón de baja permeabilidad con condiciones geológicas complejas y una estructura de roca de carbón deficiente. y propiedades mecánicas. En la etapa inicial de la extracción de metano en lechos de carbón, la gravedad de la columna de líquido en el pozo representa una gran proporción de la presión del flujo de fondo del pozo, y la presión del flujo de fondo del pozo está estrechamente relacionada con el patrón de cambio del estado de tensión del carbón y la roca. alrededor del pozo. Durante el proceso de drenaje y reducción de presión, si el nivel de líquido dinámico es demasiado pequeño, la veta de carbón se compactará aún más, lo que resultará en una reducción de la permeabilidad. Por otro lado, si el nivel de líquido dinámico es demasiado alto, el fondo del pozo. La presión será demasiado alta, lo que hará que las rocas alrededor del pozo se ablanden y se rompan en un área grande, formando polvo de carbón que bloqueará los canales de filtración. Por lo tanto, estudiar el rango razonable y la tasa de disminución del nivel dinámico del líquido de metano en el lecho de carbón es de gran importancia para mantener efectivamente la distribución razonable de la tensión alrededor del pozo y mantener o mejorar la permeabilidad del yacimiento durante el proceso minero. Tomando como ejemplo el área de demostración de Hancheng, se utilizó la prueba de mecánica de rocas de las vetas de carbón Hancheng 3# y 5# para analizar la relación entre el estado de tensión del carbón y la permeabilidad de la roca, y a través del análisis de tensión elastoplástica alrededor del pozo, se estableció que el intervalo de altura del nivel de líquido móvil razonable y la tasa de reducción para aumentar la permeabilidad absoluta. Utilizando el modelo establecido, se realizaron cálculos y análisis en el grupo de pozos WL1 y el grupo de pozos WL2 en el área de Hancheng, y el rango de variación razonable de la altura del nivel de líquido dinámico y el valor razonable del volumen de descarga de líquido durante el proceso de minería del Se obtuvieron pozos de metano de yacimientos de carbón de Hancheng. Los resultados de la investigación de este artículo proporcionan una importante orientación y métodos de referencia para el control cuantitativo de la intensidad del drenaje de pozos de metano en capas de carbón en Hancheng.
Palabras clave: estrés del carbón y de las rocas, nivel dinámico del líquido, permeabilidad y tasa de drenaje
Proyecto del fondo: Proyecto principal 38 de ciencia y tecnología nacional durante el XI Plan Quinquenal - Drenaje de metano de lechos de carbón Tecnología y Tecnología de Simulación Numérica (2009ZX05038).
Acerca del autor: Zhai Yuyang, hombre, nacido en 1973, doctorado, se dedica principalmente a la investigación de petróleo y gas convencional, extracción de metano en capas de carbón e investigación de simulación numérica. Su dirección postal es el Edificio 7, Parque de Demostración de Tecnología de Protección Ambiental de Zhongguancun, No. 5 Jindi Road, Distrito Haidian, Beijing. Correo electrónico: Zhai YY@nccbm.com.cn.
Discusión sobre métodos razonables de control del nivel de fluido para pozos de metano en lechos de carbón
Zhai Yuyang1, Hu Aimei1, Wang Zhiyin2, Duan Pinjia2, Zhang Donglin3
( 1. Zhonglian Centro Nacional de Investigación de Ingeniería Co., Ltd. para Metano de Capas de Carbón; 2. Laboratorio Clave de Tecnología de Transmisión de Gas y Petróleo Urbano de Beijing, Universidad del Petróleo de China, Beijing 102249; /p>
Resumen: el carbón de mi país La permeabilidad es baja, las condiciones geológicas son complejas y la estructura de la roca y las propiedades mecánicas son débiles. En las primeras etapas de la minería, la gravedad de la columna de líquido representa una gran proporción de la presión del fondo del pozo, y el estado de tensión de la roca circundante está estrechamente relacionado con la presión del fondo del pozo. Por lo tanto, durante el proceso de minería, si el nivel de líquido dinámico es demasiado pequeño, la veta de carbón se compactará aún más, lo que resultará en una reducción de la permeabilidad; por el contrario, si el nivel de líquido dinámico es demasiado alto, es fácil causar un fondo de pozo excesivo; presión, lo que induce el ablandamiento y el agrietamiento de la roca circundante, lo que resulta en que el polvo de carbón bloquee el canal de filtración. Por lo tanto, estudiar el rango razonable y la tasa de disminución del nivel dinámico del líquido es de gran importancia para mantener efectivamente la distribución razonable del estado de tensión de la roca circundante y mejorar la permeabilidad del yacimiento. Basado en los experimentos mecánicos de carbón y rocas de Hancheng 3# y 5#, este artículo analiza la relación entre el estado de tensión y la permeabilidad del carbón y la roca. Al analizar la tensión elastoplástica de la roca circundante del pozo, se estableció un modelo matemático para mantener e incrementar la permeabilidad absoluta del rango de nivel de líquido dinámico razonable y la tasa de descompresión. El modelo establecido se utilizó para calcular y analizar los datos de campo del Pozo WL1 y el Pozo WL2 en Hancheng. Finalmente se obtiene un rango de variación razonable del nivel dinámico del líquido. Los resultados de la investigación proporcionan una guía y referencia importante para el control minero razonable del metano de las capas de carbón de Hancheng.
Palabras clave: roca de carbón; presión; nivel de líquido dinámico; tasa de descompresión
Introducción
Como fuente de energía no convencional, el metano de las capas de carbón no sólo puede ser efectivo. aliviar el problema de escasez de energía de mi país, pero también mejorar la eficiencia minera de los recursos de carbón y reducir el impacto sobre el medio ambiente (efecto invernadero). La extracción eficaz de metano de yacimientos de carbón se ve afectada por muchos factores, como las características estructurales geológicas, la estructura de la roca del carbón, el rango del carbón, la permeabilidad, el contenido de gas, las características de adsorción y desorción y la tecnología minera [1 ~ 5]. Por lo tanto, en comparación con la extracción convencional de petróleo y gas, la extracción de metano en capas de carbón tiene similitudes y diferencias.
Entre ellos, el problema de la sensibilidad al estrés es particularmente obvio en proyectos de metano en capas de carbón [6 ~ 7]. La capacidad de filtración de los yacimientos de carbón se ve afectada por los cambios de presión de poro, la contracción de la matriz y el deslizamiento causado por la desorción de metano en las capas de carbón [8 ~ 10]. Las diferentes velocidades y métodos de carga tienen un gran impacto en las propiedades mecánicas y las características de falla del carbón y la roca. Si la velocidad de carga es más rápida, el carbón y la roca se volverán quebradizos y triturados, y la resistencia a la compresión aumentará ligeramente. Por el contrario, si la tasa de carga es menor, la resistencia a la compresión de la roca de carbón es menor y la ductilidad aumenta. En la práctica de la ingeniería de metano en yacimientos de carbón, la estructura de la roca de carbón es compleja y las grietas (escisión de la superficie y escisión de los extremos) están muy desarrolladas. Con el drenaje, el estado de tensión de la roca de carbón continuará cambiando, lo que hará que las grietas en la roca de carbón comiencen a cerrarse, luego se agrieten y finalmente el sistema de filtración del yacimiento cambiará. El cambio en la permeabilidad durante el proceso de drenaje determina. si el metano de las capas de carbón se puede explotar de manera eficiente [11] En la actualidad, la industria del metano de las capas de carbón en el país y en el extranjero se basa principalmente en la experiencia y los cambios en el nivel de líquido del pozo para determinar cualitativamente el sistema de drenaje, lo que a menudo conduce a sistemas de drenaje irrazonables, causando daños. al embalse y afectando los beneficios de desarrollo. Este artículo analiza cómo mejorar la eficiencia del metano de yacimientos de carbón mediante el control de los cambios dinámicos razonables en el nivel de líquido en los pozos de metano de yacimientos de carbón durante el proceso de extracción, lo que proporciona una base teórica científica para el control cuantitativo de la intensidad de extracción de metano de yacimientos de carbón.
1 Propiedades físicas y mecánicas del carbón y la roca en el área de Hancheng
1.1 Prueba
Las propiedades mecánicas del carbón y la roca son la base para reflexionar y estudiar la Comportamiento mecánico y sensibilidad al estrés de datos de yacimientos. La máquina de prueba de compresión triaxial de rocas RW2000 se utilizó para probar muestras de núcleos de carbón con una relación altura-diámetro de 2:1, y se evaluaron parámetros como la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción de las rocas de carbón Hancheng 3#, 5# y 11#. mesurado. La resistencia a la compresión, el módulo elástico y el índice de Poisson se midieron mediante ensayos de compresión uniaxial. La resistencia a la tracción se mide mediante la prueba de división; el ángulo de fricción interna, la cohesión, la cohesión residual y el ángulo de fricción interna residual se obtienen mediante la prueba de resistencia a la compresión triaxial. Los resultados de la prueba se muestran en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1 Parámetros de deformación y resistencia a la tracción por compresión uniaxial del carbón y la roca Hancheng
Tabla 2 Resultados de las pruebas de resistencia a la compresión triaxial del carbón y la roca Hancheng
Puede ser De los datos de las pruebas experimentales en las Tablas 1 y 2 se desprende que las propiedades mecánicas del carbón y la roca Hancheng son deficientes y que la resistencia a la compresión es inferior a 10 MPa. En comparación, las propiedades físicas y mecánicas del carbón 3# y 5# son más fuertes que las del carbón 11#, y la resistencia residual del carbón 11# es muy baja. Por lo tanto, en proyectos de metano en capas de carbón, debemos prestar atención a la influencia de las propiedades mecánicas del carbón y la roca en el control de la intensidad del drenaje.
1.2 El mecanismo por el cual el estado tensional de las rocas de carbón afecta los cambios de permeabilidad
A través de pruebas de laboratorio y estrés- Investigación sobre la relación entre el estado tensional y la capacidad de filtración de la roca de carbón bajo la La curva de deformación completa muestra que en la etapa de deformación elástica inicial, la permeabilidad absoluta de la roca de carbón disminuye con el aumento de la tensión efectiva, pero la disminución no es significativa cuando la tensión efectiva se acerca al carbón. Cuando la roca alcanza su resistencia máxima, la permeabilidad; aumenta lentamente debido al agrietamiento de las fracturas originales y la aparición de nuevas fracturas. Cuando se excede la intensidad máxima, la permeabilidad aumenta rápidamente. Pero cuando la tensión efectiva se aproxima a la resistencia residual de la roca de carbón, la permeabilidad se estabiliza gradualmente.
Entre ellos, el punto límite elástico de la roca de carbón es el punto crítico donde las grietas primarias se agrietan y comienzan a brotar nuevas grietas.
2 Determinación de la altura del nivel de líquido dinámico razonable
En el proceso de extracción de metano de lechos de carbón, a medida que el nivel de líquido dinámico disminuye, el estado de tensión de la roca de carbón del yacimiento continúa cambiando. resultando en carbón Las características estructurales, la porosidad y otras propiedades físicas y mecánicas de la roca cambian, afectando así la capacidad de filtración del yacimiento. En este proceso, el patrón cambiante de la permeabilidad del yacimiento está estrechamente relacionado con el patrón cambiante de las propiedades mecánicas del carbón y la roca y el patrón cambiante del estado de tensión del carbón y la roca. De acuerdo con la relación entre el estado de tensión del carbón y la roca y la permeabilidad absoluta, y considerando el estado de tensión elastoplástico de la zona de fractura alrededor del pozo de metano del lecho de carbón, se puede analizar el patrón de cambio del estado de tensión alrededor del pozo, y la distribución de tensiones alrededor del pozo y la presión del flujo de fondo del pozo en diferentes etapas de la extracción de metano del lecho de carbón, la presión del revestimiento y la altura de la columna de líquido, e ignorando la resistencia a la fricción de la columna de gas, se deduce que el intervalo razonable de altura de la columna de líquido para el yacimiento que se encuentra en la etapa de desarrollo de fractura plástica es
Progreso de la tecnología de metano de lecho de carbón de China: Actas de un simposio académico de metano de lecho de carbón de 2011.
Entonces, la altura del nivel del líquido dinámico es h' w = h-HW.
Además, el análisis de la práctica de ingeniería muestra que el límite superior de la presión de flujo de fondo de pozo no excede la presión original del yacimiento pe. En la fórmula: h es la profundidad de enterramiento del yacimiento; Pe, pc y p0 representan la presión del yacimiento, la presión del revestimiento y la tensión horizontal promedio de la roca original respectivamente; de la roca de carbón respectivamente, cohesión residual, ángulo de fricción residual y resistencia a la tracción ρg representa el peso de la columna de líquido.
Por lo tanto, para aumentar la permeabilidad, es necesario controlar el nivel dinámico del líquido dentro de un rango razonable para mantener el estado de tensión alrededor del pozo en un estado elástico-plástico, formando así un canal de migración de fluido. A través de la escisión o fractura del pozo, y con el desarrollo de la zona plástica durante el proceso de extracción, aparece una zona de ablandamiento plástico o una zona rota alrededor del pozo, pero es necesario evitar zonas excesivas de ablandamiento plástico alrededor del pozo.
El rango razonable de altura dinámica del nivel de líquido está estrechamente relacionado con las propiedades mecánicas del carbón y la roca y la profundidad del yacimiento, especialmente el ángulo de fricción interna. A medida que la zona de ablandamiento del yacimiento se ve afectada por el polvo de carbón, se suprimirá la permeabilidad. Por lo tanto, en el proceso de extracción de metano en capas de carbón, es necesario controlar razonablemente la altura del nivel del fluido de acuerdo con las características mecánicas y la profundidad de enterramiento del depósito para evitar la aparición de zonas de ablandamiento a gran escala, a fin de no causar daños. al yacimiento y afectaría una mayor extracción de metano de yacimientos de carbón.
3. Tasa de caída razonable del nivel de líquido dinámico
De acuerdo con el efecto de la tasa de carga del carbón y la roca, la tasa de carga se correlaciona positivamente con la resistencia del carbón y la roca, y la También aumentará la fragilidad del carbón y de las rocas. Para medios anisotrópicos de carbón y roca, una velocidad de carga demasiado rápida no favorece la expansión estable de las grietas primarias en la roca de carbón ni la mejora de la permeabilidad al metano de los lechos de carbón. De la misma manera, la tasa de caída del nivel dinámico del líquido durante el proceso de drenaje de los proyectos de metano en capas de carbón también tiene un mecanismo de impacto similar en los depósitos de carbón y roca alrededor del pozo. Si el nivel del líquido dinámico cae demasiado rápido, la tensión efectiva de la roca de carbón en el yacimiento aumentará rápidamente. Finalmente, el nivel del líquido dinámico caerá a un ritmo irrazonable, lo que provocará una fractura frágil de la roca de carbón y producirá una gran cantidad. cantidad de carbón en polvo, causando grandes daños al yacimiento. Por lo tanto, la tasa de caída del nivel de líquido dinámico en diferentes etapas de la extracción de metano en capas de carbón debe controlarse dentro de un rango razonable.
Cuando la roca de carbón del yacimiento está en el estado de tensión elástica inicial,
Progreso en la tecnología de metano de lecho de carbón de China: Actas del Simposio académico de metano de lecho de carbón de 2011.
Cuando la roca de carbón del yacimiento se encuentra en la etapa plástica de expansión de fractura, es decir, cuando el nivel del líquido cumple con la fórmula (1),
Progreso tecnológico del metano de lecho de carbón de China: 2011 Metano de lecho de carbón Actas del Simposio Académico.
En la fórmula: h'w representa la tasa de caída del nivel de líquido dinámico; ωCr y ωCe son los valores límite superiores de la tasa de despresurización del nivel de líquido dinámico en la etapa de ablandamiento plástico y la elástica. etapa, que se puede analizar exhaustivamente a través de pruebas y datos de campo.
4 Aplicación de ingeniería en el área de Hancheng
El metano de los lechos de carbón en el área de Hancheng se descarga conjuntamente desde múltiples depósitos de vetas de carbón, y las propiedades mecánicas del carbón y la roca son pobres. Los cambios dinámicos razonables en el nivel del líquido son de gran importancia para la descarga y producción eficiente de metano de yacimientos de carbón. De acuerdo con el método de determinación de los parámetros mecánicos experimentales del carbón y la roca y las reglas razonables de cambio dinámico del nivel de líquido en el área de Hancheng (ver fórmulas 1 ~ 3), se realizaron cálculos y análisis estadísticos sobre los datos de producción de drenaje de pozos típicos de metano en lechos de carbón en WL1 y WL2. Minería conjunta en el área de Hancheng Los resultados Ver Tabla 3.
Tabla 3 El límite superior de la tasa de caída del nivel de líquido dinámico razonable
A través del análisis de ajuste, podemos obtener los siguientes puntos:
En la etapa elástica inicial En minería, el valor límite superior h'w (m/d) del nivel de líquido dinámico en los pozos de producción conjuntos de carbón 3# y 5# cambia con la profundidad del yacimiento h (m) de la siguiente manera: h'w ≤ 0,022H ~ 5.188 respectivamente; cuando la roca de carbón alrededor del pozo está en la etapa plástica, el límite superior de la tasa de caída del nivel de líquido dinámico razonable h'w (m/d) de los pozos de producción conjuntos de carbón 3# y 5# cambia con el yacimiento; profundidad h (m): H 'w ≤ 0,006h ~ 1,234.
Ya sea en la etapa elástica inicial o en la etapa de falla plástica, el límite superior de la tasa de caída de la superficie del fluido y la profundidad de entierro del yacimiento aumentan aproximadamente linealmente. Las propiedades mecánicas de la roca de carbón tienen una gran influencia en la tasa de goteo del fluido durante el proceso minero. Por lo tanto, para yacimientos con propiedades mecánicas deficientes, la tasa de goteo del fluido debe controlarse para mantener una alta capacidad de drenaje. La tasa de gotas en la etapa elástica inicial es generalmente de 4 a 5 veces mayor que en la etapa plástica intermedia, lo que es completamente consistente con la tasa de carga estable antes y después del pico de la curva de prueba de resistencia en interiores. Teniendo en cuenta el factor de seguridad en la práctica de la ingeniería, se recomienda adoptar un factor de seguridad de 1,2.
5 Conclusiones
(1) A través de experimentos con carbón y rocas, se determinó el mecanismo mecánico de la influencia del estado de tensión de las rocas de carbón alrededor del pozo sobre la permeabilidad durante el proceso de extracción de metano en capas de carbón. reveló. La tensión efectiva del yacimiento aumenta a medida que se expande el embudo de caída de presión. El carbón y la roca desde el área de roca original hasta la pared del pozo cambian del estado elástico original a un estado plástico, y aparece una zona de falla por tracción en la pared del pozo. En este momento, se acumulan grietas y la capacidad de producción diaria alcanza el máximo.
(2) Con base en los datos de ingeniería de metano de capas de carbón en el área de Hancheng, con el propósito de mejorar la capacidad de filtración del yacimiento, se discutió el rango de control de los cambios dinámicos razonables del nivel del líquido y el límite superior de la tasa de disminución. y propuesto, que tiene importancia de referencia para el drenaje razonable y la producción de pozos de metano en capas de carbón.
(3) La explotación del metano de las capas de carbón se ve afectada por muchos factores, y es necesario considerar el efecto superficial (daño al yacimiento) y el efecto de fractura, que requieren mayor consideración e investigación.
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