CN114809992B - 一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，属于低渗储层煤系气抽采技术领域；解决了低渗储层煤系气全生命周期抽采效率低的问题；以垂向呈叠置发育的低渗煤系储层为对象，建立储层地质力学模型，获取储层岩性，设计煤层开采工艺，分析煤层采动导致的覆岩变形‑损伤‑渗流时空演化规律，通过对比优选，在开采煤层顶部布设一条煤系气专用抽采工作巷，并设计关键层致裂工艺，对关键层进行主动破断，与煤层开采一并形成对煤系储层的卸压扰动，结合氮气泡沫压裂技术，设计钻场及钻孔排布特征，实现对煤储层多层位含煤系气岩体的高效破岩增透，以此为基础，建立煤系气流场演化模型，设计动态高效抽采方法；本发明应用于低渗储层煤系气抽采。
Description
技术领域
本发明属于低渗煤系储层开发利用技术领域，涉及采用低位煤层开采卸压扰动、高位关键层主动致裂，采用氮气泡沫压裂构成多储层缝网，并通过构建全生命周期智能联动抽采系统实现对低渗煤储层煤系气的高效抽采。
背景技术
煤系气以煤系内生内储腐殖型气为主，包括煤层气和煤系砂岩气、页岩气以及煤系碳酸盐岩气等。由于煤系气不同储层流体能量、力学性质和孔渗条件的差异会影响不同煤系气系统共采的兼容性，使得常规地面开采方法难以实现煤系气共采目标。
因此，亟需开发一种煤系气新型开采模式，实现不同层位煤系气共采，提高煤系气开采效率。低孔、低渗透率的非常规天然气储层，煤系气自然抽采难度很大，必须采取卸压抽采的技术方法。目前主要通过在地面布置钻井，采用钻孔水力压裂增透方法。然而，受沉积环境影响，储层在垂向上呈叠置发育，横向上连续性较差，不仅增加了水平井钻井及水力压裂的难度，而且导致地面钻井压裂难以满足多层煤系气共采的目标。考虑到煤层开采导致上覆地层变形卸压，而卸压扰动会促进煤系气释放，且岩层破裂产生的裂隙通道会为含煤地层煤系气运移提供更为有利的条件，利用煤层开采在含煤地层中所产生的卸压增透作用，通过在卸压扰动区周围布设专门的煤系气抽采巷道，可实现对含煤地层煤系气的联合开采。目前，虽然通过顶抽巷或高抽巷等抽采巷道可实现回采工作面瓦斯高放抽放，降低瓦斯浓度，但是这却无法有效抽采煤层顶板内页岩层或砂岩层内的其他煤系气。此外，目前的瓦斯抽采巷还存在诸多不足，如：1）巷道随工作面采动而发生破坏，只服务于采动过程中煤层气抽采，而不能有效抽采工作面采动后在采空区及裂隙带富集的煤系气；2）巷道抽采效果受工作面覆岩裂隙发育程度影响，在裂隙不发育时抽采效果很差；3）巷道抽采调控大多靠人为经验，通常导致采气量低、抽采效率低下等。因此，亟需开发一种煤系气新型开采模式，克服以上不足，实现不同层位煤系气共采，提高煤系气开采效率。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，包括如下步骤：
S1：地质力学模型建立：调查煤系气典型赋存矿区地质条件，基于地质钻孔资料，应用地质力学理论，建立储层几何模型，获取储层不同层位岩性特性、物理力学性质及渗透率参数；
S2：煤层开采工艺设计：基于储层几何模型，选定煤系储层中层位较低且厚度较厚下组煤为目标开采煤层，依据岩层控制关键层理论方法，分析煤层开采区岩性特征，确定覆岩关键层层位分布，设计煤层开采工艺；
S3：抽采工作巷布置：基于经典多孔弹性介质流-固耦合模型，建立开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型，施加模型初始及边界条件，定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征，对比计算煤系气抽采工作巷布置在不同层位及位置时的巷道围岩变形量和煤系气渗流量大小，确定工作巷最优布置层位；
S4：关键层致裂工艺设计：试验测定不同层位关键层力学特征参数，以及在原岩应力状态下，不同岩性关键层在水压致裂及切槽定向爆破压裂下的裂缝起裂压力、裂纹扩展及其形态特征规律，理论分析主动破断关键层与煤层开采扰动作用下的顶板悬臂梁结构断裂位置及弹性薄板结构断裂位置，识别影响关键层破断结构的主要影响因素，设计不同层位关键层的压裂工艺；
S5：关键层主动破断实施：物理模拟观测不同层位关键层主动破断时，覆岩在煤层采动扰动过程中的变形损伤及裂隙发育扩展特征，统计不同层位关键层致裂时裂隙发育范围大小，识别关键层破断层位；
S6：储层氮气泡沫压裂实施：试验测定不同煤系岩石的孔隙结构和渗透性在氮气泡沫不同浸泡时间后的变化特征，并测定氮气泡沫压裂煤岩的起裂压力、裂纹扩展形态、穿层特性及多裂缝扩展的力学特征，设计钻场及钻孔排布特征、泡沫质量、排量，实施对煤储层不同层位含煤系气岩层的压裂破煤增透；
S7：煤系气流场演化模型建立：获取煤系储层不同空间层位分布与不同煤层抽、掘、采接替阶段的覆岩变形特征，融合纵向不同层次间、横向不同因素间煤系储层内浓度场、渗流场、裂隙场运移与动态变化规律，分析全生命周期煤系气流场的发展、更新、演化、迭代规律，构建多机理协同演化机制，形成多层位煤系气全生命周期抽采流场动态演化模型；
S8：动态高效抽采方法设计：基于多层位煤系气空间分布和全周期抽采工序，融合煤系地质、采煤工艺和抽采工序多源数据，建立同步数字孪生模型；基于大数据挖掘技术，研究不同抽采阶段或生命周期的煤系气流场与浓度场变化，确定以采气量与抽采效率为目标的相关影响因素及权值，设计不同生命周期的动态高效抽采方法；
S9：智能联动控制模型建立：基于煤系气抽采智能监测数据与采动物理力学模型，构建抽采钻孔与煤系气流场智能联动模型，提出深度学习技术，明晰抽采系统智能调参联动关系，建立覆盖采前、采中、采后全生命周期的智能联动控制模型；
S10：高效抽采智能化系统构建：利用数字孪生技术和知识生成机制，将抽采机理模型、经验知识和大数据有机融合，建立具备抽采方案实时优选、抽采系统智能调控、抽采系统智能诊断、抽采达标自动评判功能的煤系气高效抽采智慧平台，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态演化、协同控制的煤系气全生命周期高效抽采智能化系统。
所述步骤S1中的储层不同层位岩性特性、物理力学性质包括矿物成分、孔隙率、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、三轴抗压强度、内聚力、内摩擦角。
所述步骤S1中在地质力学模型建立过程中，通过对比不同层位煤系气压力钻孔实测数据与数值模拟数据，修正模型岩性参数，对模型进行合理校验修正。
所述步骤S2中的煤层覆岩关键层包括渗透率最低、起隔水阻气作用的关键层，以及力学强度最大、起岩层控制作用的关键层。
所述步骤S3中开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型的建立，除根据经典多孔弹性基质流-固耦合模型外，还根据流体压力对岩石的有效应力模型、岩石应力-渗透率作用模型、摩尔-库伦岩石塑性破坏判别准则、岩石剪-拉损伤对渗透率作用模型综合构建开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型。
所述步骤S3中的定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征，是指以覆岩采动裂隙发育的“三带”理论、以及“О”型圈理论为指导，对覆岩三维空间岩层破坏区域进行划分，计算推进过程中“三带”高度和“О”型圈范围演化。
所述步骤S3中定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征还包括对煤系气运移路径及浓度富集区范围大小进行圈定，表征“阻水隔气关键层”和“岩层控制关键层”随工作面采动的变形破裂衍生及破坏规律，建立开采速度与“三带”高度和“煤系气富集区范围”的演化关系；
在抽采工作巷布置中，选取顶底板相对移近量、两帮相对移近量、顶板下沉量、巷道围岩塑性破坏区范围，以及煤系气渗流量为分析指标，通过各指标的综合对比分析，以“最小巷道围岩变形量”标准确定工作巷的最优布置层位。
所述步骤S5中主动破断关键层包括以下步骤：
根据测定的关键层岩体物理力学参数，结合矿井其它岩体力学参数，建立物理相似模型；
相似模型以砂子为骨料，石膏、石灰为黏结材料，并掺入适量清水，根据钻孔柱状和现场、实验室测定的地质力学参数，按照相似模拟实验基本原理和相似系数计算模型各分层材料配比，分层填装铺设，铺设过程中在不同关键层位上埋设压力传感器，并对该物理相似模型粉刷处理，并建立横向×纵向网格，以便后期观测；
通过压裂手段首先致裂关键层，然后按照矿井实际开采条件对模型进行开挖，根据动态散斑、全站仪及预先埋设的压力传感器多种监测手段，监测关键层主动破断与开采扰动耦合作用下，煤层覆岩应力分布、变形特征及裂隙发育特征。
所述步骤S6中储层氮气泡沫压裂包括以下步骤：
在实验室进行不同泡沫质量的氮气泡沫压裂实验，通过声发射、压裂前后 CT 扫描与泵压曲线，获得氮气泡沫压裂煤岩的起裂压力、裂纹扩展形态特征，以及岩性界面区裂缝越层扩展形态特征。
所述步骤S8中动态高效抽采方法设计中同步数字孪生模型的建立，是通过引入机器学习、深度学习技术，基于 LSTM 控制状态预测模型、以及动态图神经网络的气量预测模型，提出生产数据和模型数据间的交互关系。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，通过“低位煤层开采+关键层致裂”双重卸压增透，促进煤系储层多层位的卸压增透，并通过煤系气抽采工作巷进行多层位“三气”联合智能高效开采，能够实现采前、采中和采后阶段覆岩裂隙场及煤系气流场的主动调控，克服不同采动阶段卸压增透效果差异大的不足。同时采用氮气泡沫压裂可攻克传统压裂技术难以对煤系储层形成高效压裂的难题，并开发煤系气全生命周期高效抽采智能系统实现对低渗煤储层煤系气抽采工作巷煤系气全生命周期智能高效抽采，对于推动我国能源结构调整具有重要意义。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明高效抽取方法的流程图；
图2为本发明实施例中采用的山西省阳泉矿区某钻孔地质柱状图；
图3为图2根据本发明的方法建立的储层几何模型图；
图4为本发明实施例中煤层采动覆岩裂隙发育及煤系气抽采工作巷位置示意图（倾向方向）；
图5为采用本发明对实施例中关键层致裂示意图；
图6为本发明实施例中煤层采动覆岩裂隙发育及煤系气抽采工作巷位置示意图（走向方向）；
图7为本发明多源数据融合和机理增强的智能控制模型；
图中：1、山西组；2、太原组；3、下组煤；4、主关键层；5、亚关键层；6、阻水隔气关键层；7、裂隙区；8、煤系气抽采工作巷；9、压裂钻孔；10、水力压裂裂缝；11、煤系气抽采区；12、抽采钻孔；13、智能抽采系统。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明的目的在于克服现有抽采巷道布置主要靠初步理论与经验认知、工作巷随工作面采动易发生破坏、抽采效果受工作面覆岩裂隙发育程度影响，以及抽采调控关键参数大多靠人为经验等诸多不足，从而提供了一种高回采率、高效率、高智能化的低渗煤系储层煤系气的高效智能开采方法。
本发明的低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，以垂向呈叠置发育的低渗煤系储层为对象，建立储层地质力学模型，获取储层岩性，设计煤层开采工艺，分析煤层采动导致的覆岩变形-损伤-渗流时空演化规律，通过对比优选，在开采煤层顶部布设一条煤系气专用抽采工作巷，并设计关键层致裂工艺，对关键层进行主动破断，与煤层开采一并形成对煤系储层的卸压扰动，同时结合氮气泡沫压裂技术，设计钻场及钻孔排布特征，实现对煤储层多层位含煤系气岩体的高效破岩增透，以此为基础，建立煤系气流场演化模型，设计动态高效抽采方法，建立智能联动控制模型，构建高效抽采智能化系统。具体的步骤如下：
（1）地质力学模型建立：调查煤系气典型赋存矿区地质条件，基于地质钻孔资料，应用地质力学理论，建立储层几何模型，获取储层不同层位岩性特性、物理力学性质及渗透率参数。
（2）煤层开采工艺设计：基于储层几何模型，选定煤系储层中层位较低且厚度较厚下组煤为目标开采煤层，依据岩层控制关键层理论方法，分析煤层开采区岩性特征，确定覆岩关键层层位分布，设计煤层开采工艺（开采速度、支护方式及开采次序）。
（3）抽采工作巷布置：基于经典多孔弹性介质流-固耦合模型，建立开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型，施加模型初始及边界条件，定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征，对比计算煤系气抽采工作巷布置在不同层位及位置时的巷道围岩变形量和煤系气渗流量大小，确定工作巷最优布置层位。
（4）关键层致裂工艺设计：试验测定不同层位关键层变形及断裂强度等力学特征参数，以及在原岩应力状态下，不同岩性关键层在水压致裂及切槽定向爆破压裂下的裂缝起裂压力、裂纹扩展及其形态特征规律，理论分析主动破断关键层与煤层开采扰动作用下的顶板悬臂梁结构断裂位置及弹性薄板结构断裂位置，识别影响关键层破断结构的主要影响因素，设计不同层位关键层的压裂工艺。
（5）关键层主动破断实施：物理模拟观测不同层位关键层主动破断时，覆岩在煤层采动扰动过程中的变形损伤及裂隙发育扩展特征，统计不同层位关键层致裂时裂隙发育范围大小，识别关键层破断层位。
（6）储层氮气泡沫压裂实施：试验测定不同煤系岩石的孔隙结构和渗透性在氮气泡沫不同浸泡时间后的变化特征，并测定氮气泡沫压裂煤岩的起裂压力、裂纹扩展形态、穿层特性及多裂缝扩展的力学特征，设计钻场及钻孔排布特征、泡沫质量、排量，实施对煤储层不同层位含煤系气岩层的压裂破煤增透。
（7）煤系气流场演化模型建立：获取煤系储层不同空间层位分布与不同煤层抽、掘、采接替阶段的覆岩变形特征，融合纵向不同层次间、横向不同因素间煤系储层内浓度场、渗流场、裂隙场运移与动态变化规律，分析全生命周期煤系气流场的发展、更新、演化、迭代规律，构建多机理协同演化机制，形成多层位煤系气全生命周期抽采流场动态演化模型。
（8）动态高效抽采方法设计：基于多层位煤系气空间分布和全周期抽采工序，融合煤系地质、采煤工艺和抽采工序等多源数据，建立同步数字孪生模型；基于大数据挖掘技术，研究不同抽采阶段或生命周期的煤系气流场与浓度场变化，确定以采气量与抽采效率为目标的相关影响因素及权值，设计不同生命周期的动态高效抽采方法。
（9）智能联动控制模型建立：基于煤系气抽采智能监测数据与采动物理力学模型，构建抽采钻孔与煤系气流场智能联动模型，提出深度学习技术，明晰抽采系统智能调参联动关系，建立覆盖采前、采中、采后全生命周期的智能联动控制模型。
（10）高效抽采智能化系统构建：利用数字孪生技术和知识生成机制，将抽采机理模型、经验知识和大数据有机融合，建立具备抽采方案实时优选、抽采系统智能调控、抽采系统智能诊断、抽采达标自动评判等功能的煤系气高效抽采智慧平台，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态演化、协同控制的煤系气全生命周期高效抽采智能化系统。
优选地，地质力学模型建立包括以下步骤：
不同层位岩石岩性及物理力学性质参数包括矿物成分、孔隙率、弹性模量、泊松比、单轴、三轴抗压强度、内聚力、内摩擦角。
优选地，地质力学模型建立过程中，通过对比不同层位煤系气压力钻孔实测数据与数值模拟数据，修正模型岩性参数，对模型进行合理校验修正。
优选地，煤层开采工艺设计建立包括以下步骤：
煤层覆岩关键层包括渗透率最低、起隔水阻气作用的关键层，以及力学强度最大、起岩层控制作用的关键层。
优选地，抽采工作巷布置包括以下步骤：
开采区覆岩流-固耦合模型，除多孔弹性基质流-固耦合模型外，还包括流体压力对岩石的有效应力模型，岩石应力-渗透率作用模型，摩尔-库伦岩石塑性破坏判别准则，岩石剪-拉损伤对渗透率作用模型。
定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征，是指以覆岩采动裂隙发育的“三带”理论、以及“О”型圈理论为指导，对覆岩三维空间岩层破坏区域进行划分，计算推进过程中“三带”高度和“О”型圈范围演化；
还包括对煤系气运移路径及浓度富集区范围大小进行圈定，表征“阻水隔气关键层”和“岩层控制关键层”随工作面采动的变形破裂衍生及破坏规律，建立开采速度与“三带”高度和“煤系气富集区范围”的演化关系。
优选地，在抽采工作巷布置中，选取顶底板相对移近量、两帮相对移近量、顶板下沉量、巷道围岩塑性破坏区范围，以及煤系气渗流量为分析指标，通过各指标的综合对比分析，以“最小巷道围岩变形量”标准确定工作巷的最优布置层位。
优选地，关键层主动破断包括以下步骤：
根据测定的关键层岩体物理力学参数，结合矿井其它岩体力学参数，建立物理相似模型；
相似模型以砂子为骨料，石膏、石灰（碳酸钙）为黏结材料，并掺入适量清水，根据钻孔柱状和现场、实验室测定的地质力学参数，按照相似模拟实验基本原理和相似系数计算模型各分层材料配比，分层填装铺设，铺设过程中在不同关键层位上埋设压力传感器，并对该物理相似模型粉刷处理，并建立 5cm×5cm（横向×纵向）网格，以便后期观测。
通过压裂手段首先致裂关键层，然后按照矿井实际开采条件对模型进行开挖，根据动态散斑、全站仪及预先埋设的压力传感器多种监测手段，监测关键层主动破断与开采扰动耦合作用下，煤层覆岩应力分布、变形特征及裂隙发育特征。
优选地，储层氮气泡沫压裂包括以下步骤：
在实验室进行不同泡沫质量的氮气泡沫压裂实验，通过声发射、压裂前后 CT 扫描与泵压曲线，获得氮气泡沫压裂煤岩的起裂压力、裂纹扩展形态特征，以及岩性界面区裂缝越层扩展形态特征。
优选地，动态高效抽采方法设计包括以下步骤：
同步数字孪生模型的建立，是通过引入机器学习、深度学习技术，基于 LSTM 控制状态预测模型、以及动态图神经网络的气量预测模型，提出生产数据和模型数据间的交互关系。
优选地，智能联动控制模型建立包括以下步骤：
深度学习技术目的是分析钻孔抽采压力、抽采位置、采气变化对煤系储层内浓度场、渗流场、裂隙场的动态影响；抽采系统智能调参联动关系是指抽采调控参数、关键层主动破断和压裂增透间的联动关系。
图1为本发明低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法的流程图，包括以下步骤：地质力学模型建立——煤层开采工艺设计——抽采工作巷布置——关键层致裂工艺设计——关键层主动破断实施——储层氮气泡沫压裂实施——煤系气流场演化模型建立——动态高效抽采方法设计——智能联动控制模型建立——高效抽采智能化系统构建。
下面根据图2-6提供山西省典型煤系气赋存矿区（阳泉矿区）为研究对象作为具体实施例，对本发明的高效抽取方法步骤进行进一步说明。
1）选择山西省典型煤系气赋存矿区（阳泉矿区）为研究对象，图2为山西省阳泉矿区某钻孔地质柱状图，该钻孔内查明有多层煤层，其中 1 为山西组地层，2为太原组地层，3为地层中下组煤。运用地质力学理论，建立储层几何模型，如图3。获取不同层位钻孔岩芯，并在室内加工为标准测试试件，测量岩性特性、物理力学性质等，具体包括矿物成分、孔隙率、弹性模量、泊松比、单轴及三轴抗压强度、内聚力、内摩擦角、渗透率。
2）选定煤系储层中层位较低且厚度较厚下组煤3为目标开采煤层，依据岩层控制关键层理论方法，确定煤层覆岩中对岩层控制起控制作用的主关键层4及亚关键层5，还有起阻水隔气作用的关键层6。基于关键层分布以及岩性特征，设计煤层开采工艺（开采速度、支护方式及开采次序）。
3）以经典多孔弹性介质流-固耦合模型为基础，建立开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型，考虑开采区初始条件及边界条件，通过数值计算，表征储层应力场及煤系气压力分布场特征，获取煤层3在开采过程中上覆岩层裂隙发育区7的扩展演化特征。
4）通过数值计算，计算煤系气抽采工作巷8布置在煤层覆岩中不同位置处的顶底板相对移近量、两帮相对移近量、顶板下沉量、巷道围岩塑性破坏区范围等变化，以及煤系气渗流量为分析指标，通过各指标的综合对比分析，以“最小巷道围岩变形量”标准确定工作巷的最优布置层位。
5）由煤系气抽采工作巷8向围岩中布设辐射状压裂钻孔9，并采用水力压裂技术主动致裂关键层4，形成水力裂缝10。同时采用氮气泡沫压裂对包含下组煤3在内的储层内多层低渗储层进行压裂增透改造。
6）依据煤系储层不同空间层位分布与不同煤层抽、掘、采接替等不同阶段覆岩变形特征，融合纵向不同层次间、横向不同因素间煤系储层内浓度场、渗流场、裂隙场运移与动态变化规律，挖掘多机理间关系，分析全生命周期煤系气流场的发展、更新、演化、迭代规律，建立多机理融合方法；构建多机理协同演化机制，形成多层位煤系气全生命周期抽采流场动态演化模型。
7）基于多层位煤系气空间分布和全周期抽采工序，融合煤系地质、采煤工艺和抽采工序等多源数据，建立同步数字孪生模型；研究大数据挖掘技术，分析研究煤系气抽采区11在不同抽采阶段或生命周期的煤系气流场与浓度场变化，研究确定以采气量与抽采效率为目标的相关影响因素及权值，从而确立不同生命周期的动态高效抽采方法。
8）根据煤系气抽采智能监测数据与采动物理力学模型，构建抽采钻孔12与煤系气流场的多源数据融合和机理增强的智能控制模型（图7），研究以钻孔抽采压力、抽采位置、采气量等参数变化对煤系储层内浓度场、渗流场、裂隙场的动态影响分析为主的深度学习技术；研究抽采调控参数与关键层主动破断和压裂增透相结合的抽采系统智能调参联动关系及其演化机理，建立覆盖采前、采中、采后全生命周期的智能联动控制模型。
9）高效抽采智能化系统构建：利用数字孪生技术和知识生成机制，将抽采机理模型、经验知识和大数据有机融合，建立具备抽采方案实时优选、抽采系统智能调控、抽采系统智能诊断、抽采达标自动评判等功能的煤系气高效抽采智慧平台，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态演化、协同控制的煤系气全生命周期高效抽采智能化系统13。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：地质力学模型建立：调查煤系气典型赋存矿区地质条件，基于地质钻孔资料，应用地质力学理论，建立储层几何模型，获取储层不同层位岩性特性、物理力学性质及渗透率参数；
S2：煤层开采工艺设计：基于储层几何模型，选定煤系储层中层位较低且厚度较厚下组煤为目标开采煤层，依据岩层控制关键层理论方法，分析煤层开采区岩性特征，确定覆岩关键层层位分布，设计煤层开采工艺；
S3：抽采工作巷布置：基于经典多孔弹性介质流-固耦合模型，建立开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型，施加模型初始及边界条件，定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征，对比计算煤系气抽采工作巷布置在不同层位及位置时的巷道围岩变形量和煤系气渗流量大小，确定工作巷最优布置层位；
S4：关键层致裂工艺设计：试验测定不同层位关键层力学特征参数，以及在原岩应力状态下，不同岩性关键层在水压致裂及切槽定向爆破压裂下的裂缝起裂压力、裂纹扩展及其形态特征规律，理论分析主动破断关键层与煤层开采扰动作用下的顶板悬臂梁结构断裂位置及弹性薄板结构断裂位置，识别影响关键层破断结构的主要影响因素，设计不同层位关键层的压裂工艺；
S5：关键层主动破断实施：物理模拟观测不同层位关键层主动破断时，覆岩在煤层采动扰动过程中的变形损伤及裂隙发育扩展特征，统计不同层位关键层致裂时裂隙发育范围大小，识别关键层破断层位；
S6：储层氮气泡沫压裂实施：试验测定不同煤系岩石的孔隙结构和渗透性在氮气泡沫不同浸泡时间后的变化特征，并测定氮气泡沫压裂煤岩的起裂压力、裂纹扩展形态、穿层特性及多裂缝扩展的力学特征，设计钻场及钻孔排布特征、泡沫质量、排量，实施对煤储层不同层位含煤系气岩层的压裂破煤增透；
S7：煤系气流场演化模型建立：获取煤系储层不同空间层位分布与不同煤层抽、掘、采接替阶段的覆岩变形特征，融合纵向不同层次间、横向不同因素间煤系储层内浓度场、渗流场、裂隙场运移与动态变化规律，分析全生命周期煤系气流场的发展、更新、演化、迭代规律，构建多机理协同演化机制，形成多层位煤系气全生命周期抽采流场动态演化模型；
S8：动态高效抽采方法设计：基于多层位煤系气空间分布和全周期抽采工序，融合煤系地质、采煤工艺和抽采工序多源数据，建立同步数字孪生模型；基于大数据挖掘技术，研究不同抽采阶段或生命周期的煤系气流场与浓度场变化，确定以采气量与抽采效率为目标的相关影响因素及权值，设计不同生命周期的动态高效抽采方法；
S9：智能联动控制模型建立：基于煤系气抽采智能监测数据与采动物理力学模型，构建抽采钻孔与煤系气流场智能联动模型，提出深度学习技术，明晰抽采系统智能调参联动关系，建立覆盖采前、采中、采后全生命周期的智能联动控制模型；
S10：高效抽采智能化系统构建：利用数字孪生技术和知识生成机制，将抽采机理模型、经验知识和大数据有机融合，建立具备抽采方案实时优选、抽采系统智能调控、抽采系统智能诊断、抽采达标自动评判功能的煤系气高效抽采智慧平台，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态演化、协同控制的煤系气全生命周期高效抽采智能化系统。
2.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S1中的储层不同层位岩性特性、物理力学性质包括矿物成分、孔隙率、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、三轴抗压强度、内聚力、内摩擦角。
3.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S1中在地质力学模型建立过程中，通过对比不同层位煤系气压力钻孔实测数据与数值模拟数据，修正模型岩性参数，对模型进行合理校验修正。
4.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S2中的煤层覆岩关键层包括渗透率最低、起隔水阻气作用的关键层，以及力学强度最大、起岩层控制作用的关键层。
5.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S3中开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型的建立，除根据经典多孔弹性基质流-固耦合模型外，还根据流体压力对岩石的有效应力模型、岩石应力-渗透率作用模型、摩尔-库伦岩石塑性破坏判别准则、岩石剪-拉损伤对渗透率作用模型综合构建开采区采场覆岩变形损伤-渗流耦合理论模型。
6.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S3中的定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征，是指以覆岩采动裂隙发育的“三带”理论、以及“О”型圈理论为指导，对覆岩三维空间岩层破坏区域进行划分，计算推进过程中“三带”高度和“О”型圈范围演化。
7.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S3中定量表征煤层工作面采动过程中覆岩变形-损伤-渗流时空演化特征还包括对煤系气运移路径及浓度富集区范围大小进行圈定，表征“阻水隔气关键层”和“岩层控制关键层”随工作面采动的变形破裂衍生及破坏规律，建立开采速度与“三带”高度和“煤系气富集区范围”的演化关系；
在抽采工作巷布置中，选取顶底板相对移近量、两帮相对移近量、顶板下沉量、巷道围岩塑性破坏区范围，以及煤系气渗流量为分析指标，通过各指标的综合对比分析，以“最小巷道围岩变形量”标准确定工作巷的最优布置层位。
8.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S5中主动破断关键层包括以下步骤：
根据测定的关键层岩体物理力学参数，结合矿井其它岩体力学参数，建立物理相似模型；
相似模型以砂子为骨料，石膏、石灰为黏结材料，并掺入适量清水，根据钻孔柱状和现场、实验室测定的地质力学参数，按照相似模拟实验基本原理和相似系数计算模型各分层材料配比，分层填装铺设，铺设过程中在不同关键层位上埋设压力传感器，并对该物理相似模型粉刷处理，并建立横向×纵向网格，以便后期观测；
通过压裂手段首先致裂关键层，然后按照矿井实际开采条件对模型进行开挖，根据动态散斑、全站仪及预先埋设的压力传感器多种监测手段，监测关键层主动破断与开采扰动耦合作用下，煤层覆岩应力分布、变形特征及裂隙发育特征。
9.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S6中储层氮气泡沫压裂包括以下步骤：
在实验室进行不同泡沫质量的氮气泡沫压裂实验，通过声发射、压裂前后 CT 扫描与泵压曲线，获得氮气泡沫压裂煤岩的起裂压力、裂纹扩展形态特征，以及岩性界面区裂缝越层扩展形态特征。
10.根据权利要求1所述的一种低渗储层煤系气全生命周期高效抽采方法，其特征在于：所述步骤S8中动态高效抽采方法设计中同步数字孪生模型的建立，是通过引入机器学习、深度学习技术，基于 LSTM 控制状态预测模型、以及动态图神经网络的气量预测模型，提出生产数据和模型数据间的交互关系。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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