重复电脉冲波煤岩致裂增渗效果的岩石学分析

周晓亭,1989年11月出生，黑龙江绥化人，工学博士，讲师，主要从事煤层气地质及环境地质研究。

第1章绪论

第2章研究现状

2.1岩体波导特征及其动力学

2.2煤体的结构和物理特性

2.3煤岩脉冲波损伤效应及其影响因素

2.4现存问题

第3章重复电脉冲波煤样致裂增渗模拟实验

3.1煤样及其基本性质

3.2模拟实验原理与装置

3.3模拟实验流程

3.4模拟实验结果定性描述

3.5小结

第4章重复电脉冲作用下煤岩孔隙-裂隙演化

4.1煤岩孔隙结构演化

4.2电脉冲波作用下煤岩微裂隙扩展

4.3煤岩显微裂隙发育过程分形描述

4.4小结

第5章煤性质对电脉冲致裂效果的影响

5.1煤岩学因素与致裂效应

5.2煤孔渗因素与致裂效应

5.3煤变形特征与致裂效应

5.4煤性质与加载条件配置关系

5.5小结

第6章重复电脉冲煤岩致裂增渗机理

6.1电脉冲波煤岩致裂增渗主控因素

6.2电脉冲波煤岩致裂增渗力学机制

6.3小结

第7章结论

参考文献

第1章绪论

目前，我国煤层气已步入规模化生产阶段，提高煤层渗透率以增加煤层气井产量，一直是国内外煤层气工程界追求的目标。然而，煤层气产量增长幅度却不甚理想，主要原因是目前现有的密集钻孔法、水力压裂法、高压水射流法和煤层爆破等煤储层增渗方法的增渗效果受煤储层条件的制约严重，压裂过程还会对煤储层造成诸多伤害并影响后续排采。加之我国煤层气地质条件相对较差，储层改造效果往往不甚明显。为此，需要发展新的煤储层改造与降损技术，以大幅度提高单井产量、降低生产成本，依靠技术创新促进我国煤层气产业可持续发展。

邱爱慈院士为首的研发团队首次将高聚能重复电脉冲强冲击波(简称重复电脉冲波)技术引入煤层气工程界。重复电脉冲波煤层增渗技术的原理，是利用能量转换器对饱和水煤层重复性强功率放电，通过液电效应将高功率电磁能量转换为冲击波能量，通过高压脉冲冲击波对煤层的致裂作用达到解堵增渗乃至促进解吸的目的(张永民等，2009;白建梅等，2010;吕晓琳等，2011;邱爱慈等，2012;秦勇等，2014)。该技术有别于水力压裂等一次性静压改造的传统技术，对煤层不会产生压实作用，并且无需向煤层注入任何添加物质，对煤层没有污染和伤害。同时，该技术可通过调控冲击波的频率、作业强度和次数，可实现煤层分段及分层位的可控性精细改造，作业中伴生的电磁辐射和震荡剪切能，对煤层气解吸具有促进作用(王宇红，2011)。迄今该项技术已在国内10余个区块近30口低产或不产气地面井进行作业，作业后井筒内均有气顶水声。部分煤层气井作业后发生了间歇性井喷现象(图1-1)，初步证明了电脉冲强冲击波煤层增渗解堵技术在井下应用的可行性和有效性。同时，电脉冲技术不仅在改造水力压裂失败井有独特的作用，也可以应用于未压裂井，是一种具有可观潜力的煤层改造新工艺。

但是，煤岩是一种复杂介质，影响煤储层力学性质以及煤体裂隙发育的因素很多。外因如煤层应力场、温度场、地下流体场、围岩特性等，内因如煤级、煤的物质组成和结构、孔隙结构、煤体结构、含水含气状态、力学性质等。其中，内因是电脉冲波致裂增渗效果的直接影响因素，关系到煤层激励工艺参数的选择和优化，但目前对此研究甚少。亟需对重复电脉冲技术在煤矿中的应用进行理论和实验研究争取应用该技术精准致裂和控制煤层气开采，更好地指导实际中的煤矿安全生产(秦勇等，2014)。面向煤储层新技术研发的这一需求，基于不同煤级大煤样的重复电脉冲波冲击加载物理模拟实验，结合煤岩学研究手段，分析煤岩孔裂隙扩展特征，探索煤岩学组成及物理性质对电脉冲波加载致裂效果的影响，确定煤性质与加载条件配置关系，为优化该技术现场作业设计提供依据。

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提高煤层渗透率以增加煤层气井产量，一直是国内外煤层气工程界追求的目标，将高聚能重复电脉冲强冲击波(简称重复电脉冲波)技术引入煤层气工程界，取得了令人鼓舞的现场试验效果。基于不同煤级大煤样的重复电脉冲波冲击加载物理模拟实验，结合煤岩学研究手段，分析煤岩孔-裂隙扩展特征，探索煤岩组成及物理性质对电脉冲波加载致裂效果的影响，确定煤性质与加载条件配置关系，探讨重复电脉冲煤岩致裂增渗机理，为优化该技术现场作业设计提供依据。