高聚能重复脉冲强冲击波煤层增渗新技术基础

Strong iterative pulse stockwave coalbed stimulation with high cohesive energy is an original technology innovation developed by Chinese scientists based on the principle of nuclear blast, its feasibility and effectiveness for enhancing the coal reservoir permeability have been confirmed through the pre-engineering tests, but is currently facing the critical bottlenecks of the basic research for further promotion and applications. For this major technical requirement of the efficient and economical development of coalbed methane resources in China, the key scientific issues be resolved in the field was refined. Following the main line of the wave-fluids-coal interaction induced by strong iterative stock wave, a technical approach of the physical and numerical simulation combined with field trials 哇was designed in order to reveal the behaviors and coupling geological-engineering controls of the coalbed rupture dynamics under the action of pulse wave, to expound the matching relationship between the coalbed and stock wave conditions and enhanced permeability effect, to establish preliminarily the basic theory of the wave-fluid-coal interaction and the technological foundation of the enhanced coal reservoir permeability with stock wave, and to improve the experimental and numerical modeling methods. Based on the above research, the key scientific issues could be explained and a technical basis could be provided for improving the new enhanced coalbed permeability technology.

高聚能重复脉冲强冲击波煤层激励是我国科学家基于核爆冲击波原理而研发的一项原创性新技术，通过前期工程探索证明了其对煤层增渗的可行性和有效性，但该技术的进一步研发与推广应用目前面临基础理论突破的关键瓶颈。面向我国煤层气高效经济开发的这一重大技术需求，本项目凝练了强冲击波煤层致裂增渗方向亟待解决的核心科学问题，设计了物理模拟实验、数值模拟分析与现场试验相结合的技术途径，以重复脉冲强冲击波诱导下的波－流－煤相互作用为主线，揭示脉冲波作用下的煤层破裂动力学特征及其地质条件、工程因素耦合作用机理，阐明煤层条件－冲击波条件－增渗效果之间的匹配关系，初步建立波－流－煤相互作用基础理论和冲击波煤层增渗技术基础，研发和完善相关的实验模拟和数值模拟方法。通过研究，较为深入地阐释重复脉冲强冲击波诱导下的波－流－煤相互作用这一核心科学问题，建立该煤层增渗新技术进一步研发、完善和推广应用的技术基础。

初步建立了以科学认识为基础的可控冲击波煤层增渗理论与技术体系框架，受到我国煤矿安全、非常规天然气开发界的关注。培养了一支可控冲击波煤层致裂增渗技术研发和推广应用团队，包括研究生8人（含博士生6人）。获得了一批具有自主知识产权的物化成果，包括申报中国发明专利10项（5项已获授权），发表论文42篇，其中SCI收录8篇。开展了9个现场25个钻孔的先导性工程试验探索，在世界上首次成功实施矿井松软煤层可控冲击波增渗先导性示范，实现了地面井深部煤层解堵和解锁，技术推广应用效果显著。.第一，发明了以聚能弹为核心的关键技术，研制成功可控冲击波煤层增渗物理模拟实验平台。形成了相应的数值模拟分析方法，完成了首套大尺寸系列煤样物理模拟实验，为深化认识可控冲击波煤层增透规律和机理、优化现场作业参数和工艺提供了关键科学数据。.第二，首次取得对可控冲击波煤层致裂增透基本规律的系统认识。通过物理模拟，发现可控冲击波加载能够显著弱化煤岩力学性质的关键原因在于“疲劳效应”，冲击波能够作用于煤体内部从而打开煤中孔喉，显著提高煤岩有效孔隙度从而改善煤层流体的可流动性，指出这是可控冲击波致裂煤层的独特优势，也是在煤层中形成整体裂隙网络系统的关键效应。发现可控冲击波作用下裂隙几何特征呈非线性演化，两个阶段之间的分界点正是加载条件组合的阈值。.第三，首次揭示了地质－工程控制下的可控冲击波加载条件与煤层致裂效果之间关系。通过数值模拟，发现冲击波影响半径随脉冲宽度的增高而增大，各向异性地应力场条件有利于形成相互连通的渗流裂隙网络。发现弹性模量对煤层致裂效果同样存在一个阈值，抗张强度大小对煤层致裂效果几乎没有实质性影响，煤岩粘聚力对煤层致裂效果存在反向影响。发现地应力场各向异性越强（主应力差越大），裂隙扩展方向性越强，对冲击波定向作业的要求就越高。.第四，发现冲击波增透孔瓦斯流量曲线呈现为“两段式”的独特模式，提出了可控冲击波有效影响范围“两场”衔接的波－流－煤耦合作用机理。黔西中正煤矿松软煤层可控冲击波作业，单孔日均抽采量提高2.24倍，平均抽采率提高24％，有效增透半径达到40～80m，钻孔工程量节约了20倍。分析现场试验结果，提出了可控冲击波有效影响范围由“两场”（煤层采动裂隙场/流场，冲击裂隙场/流场）衔接构成的理论，阐释了其波－流－煤耦合作用机理。