高聚能重複脈衝強衝擊波煤層增滲新技術基礎

《高聚能重複脈衝強衝擊波煤層增滲新技術基礎》是依託中國礦業大學，由秦勇擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：高聚能重複脈衝強衝擊波煤層增滲新技術基礎
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：秦勇
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

高聚能重複脈衝強衝擊波煤層激勵是我國科學家基於核爆衝擊波原理而研發的一項原創性新技術，通過前期工程探索證明了其對煤層增滲的可行性和有效性，但該技術的進一步研發與推廣套用目前面臨基礎理論突破的關鍵瓶頸。面向我國煤層氣高效經濟開發的這一重大技術需求，本項目凝練了強衝擊波煤層致裂增滲方向亟待解決的核心科學問題，設計了物理模擬實驗、數值模擬分析與現場試驗相結合的技術途徑，以重複脈衝強衝擊波誘導下的波－流－煤相互作用為主線，揭示脈衝波作用下的煤層破裂動力學特徵及其地質條件、工程因素耦合作用機理，闡明煤層條件－衝擊波條件－增滲效果之間的匹配關係，初步建立波－流－煤相互作用基礎理論和衝擊波煤層增滲技術基礎，研發和完善相關的實驗模擬和數值模擬方法。通過研究，較為深入地闡釋重複脈衝強衝擊波誘導下的波－流－煤相互作用這一核心科學問題，建立該煤層增滲新技術進一步研發、完善和推廣套用的技術基礎。

結題摘要

初步建立了以科學認識為基礎的可控衝擊波煤層增滲理論與技術體系框架，受到我國煤礦安全、非常規天然氣開發界的關注。培養了一支可控衝擊波煤層致裂增滲技術研發和推廣套用團隊，包括研究生8人（含博士生6人）。獲得了一批具有自主智慧財產權的物化成果，包括申報中國發明專利10項（5項已獲授權），發表論文42篇，其中SCI收錄8篇。開展了9個現場25個鑽孔的先導性工程試驗探索，在世界上首次成功實施礦井鬆軟煤層可控衝擊波增滲先導性示範，實現了地面井深部煤層解堵和解鎖，技術推廣套用效果顯著。 第一，發明了以聚能彈為核心的關鍵技術，研製成功可控衝擊波煤層增滲物理模擬實驗平台。形成了相應的數值模擬分析方法，完成了首套大尺寸系列煤樣物理模擬實驗，為深化認識可控衝擊波煤層增透規律和機理、最佳化現場作業參數和工藝提供了關鍵科學數據。 第二，首次取得對可控衝擊波煤層致裂增透基本規律的系統認識。通過物理模擬，發現可控衝擊波載入能夠顯著弱化煤岩力學性質的關鍵原因在於“疲勞效應”，衝擊波能夠作用於煤體內部從而打開煤中孔喉，顯著提高煤岩有效孔隙度從而改善煤層流體的可流動性，指出這是可控衝擊波致裂煤層的獨特優勢，也是在煤層中形成整體裂隙網路系統的關鍵效應。發現可控衝擊波作用下裂隙幾何特徵呈非線性演化，兩個階段之間的分界點正是載入條件組合的閾值。 第三，首次揭示了地質－工程控制下的可控衝擊波載入條件與煤層致裂效果之間關係。通過數值模擬，發現衝擊波影響半徑隨脈衝寬度的增高而增大，各向異性地應力場條件有利於形成相互連通的滲流裂隙網路。發現彈性模量對煤層致裂效果同樣存在一個閾值，抗張強度大小對煤層致裂效果幾乎沒有實質性影響，煤岩粘聚力對煤層致裂效果存在反向影響。發現地應力場各向異性越強（主應力差越大），裂隙擴展方向性越強，對衝擊波定向作業的要求就越高。 第四，發現衝擊波增透孔瓦斯流量曲線呈現為“兩段式”的獨特模式，提出了可控衝擊波有效影響範圍“兩場”銜接的波－流－煤耦合作用機理。黔西中正煤礦鬆軟煤層可控衝擊波作業，單孔日均抽采量提高2.24倍，平均抽采率提高24％，有效增透半徑達到40～80m，鑽孔工程量節約了20倍。分析現場試驗結果，提出了可控衝擊波有效影響範圍由“兩場”（煤層采動裂隙場/流場，衝擊裂隙場/流場）銜接構成的理論，闡釋了其波－流－煤耦合作用機理。