通过多个空腔释放应力来提高煤层气回收率的数值研究

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Numerical study on enhancing coalbed methane recovery using stress relief by multiple cavities

深层煤层气多腔水平井压裂增产机理与数值模拟研究。摘要：针对传统水平井压裂技术难以有效提升深层煤层气（DCBM）产量的技术瓶颈，本研究提出新型多腔水平井压裂技术。通过开发基于弹性-塑性损伤模型与物质点法（MPM）的三维数值模拟工具，系统揭示了多腔结构在应力释放、渗透率提升及煤层气解吸方面的协同增效机制。数值模拟表明，单个腔体可产生23.95倍于腔体体积的有效应力释放区，使塑性区渗透率提升5-800倍，弹性区提升1-5倍，累计解吸煤层气达197.22立方米。多腔水平井技术较传统水力压裂增产24.98倍，单日产量最高超1万立方米，一年后仍保持超6000立方米。优化参数显示腔体宽度与长度增大、角度与间距减小可提升增产效果。

　　随着全球能源需求的不断增长，中国作为煤炭资源大国，其煤层气（CBM）的开发具有重要的战略意义。尤其是在深部煤层气（DCBM）的开采方面，由于煤层埋藏深度大、地应力高以及煤岩渗透性低等因素，传统水平井直接压裂技术难以有效提升DCBM的采收率。这一技术瓶颈严重制约了中国CBM产业的发展。因此，探索一种新型的水平井多腔体压裂技术，成为解决这一问题的关键。

本研究提出了一种基于弹性-塑性损伤模型和材料点方法（MPM）的三维数值工具，用于分析多腔体压裂技术对深部煤层气开采的影响。该工具能够有效模拟腔体诱导坍塌过程中出现的大变形、大位移以及内边界自接触等复杂现象。通过对深部煤层的数值模拟，研究团队发现，单个腔体在深部煤层中产生的有效应力释放体积是腔体体积的23.95倍。同时，腔体周围塑性区的渗透率提升了5至800倍，而弹性区的渗透率则提升了1至5倍。此外，通过模拟计算，团队还发现，一个单腔体在深部煤层中能够实现197.22立方米的煤层气解吸量。这些结果表明，腔体诱导的应力释放对提升深部煤层气的开采效率具有显著作用。

在实际应用中，水平井多腔体压裂技术被证明比传统的水力压裂技术更为有效。研究显示，通过多腔体压裂技术，深部煤层气的产量可提升24.98倍，其平均日产量超过10,000立方米，且在一年后仍能保持每天6000立方米以上的产量。这表明，该技术不仅能够显著提高煤层气的产量，而且具有良好的长期开采稳定性。为了进一步优化该技术的性能，研究建议通过减小腔体角度和间距，同时增加腔体宽度和长度，以实现最佳的应力释放效果和煤层气解吸效率。

在深入探讨该技术的理论基础时，研究团队指出，深部煤层气的开采涉及复杂的煤岩变形和损伤过程。这些过程包括断裂、损伤以及弹性-塑性变形。传统的线弹性理论虽然能够解释煤岩的应力、应变和位移之间的关系，但在处理深部煤层中可能出现的非线性变形和复杂应力状态时存在局限。因此，研究采用弹性-塑性损伤模型来更全面地描述煤岩在腔体诱导坍塌过程中的行为。该模型能够有效捕捉煤岩在高应力环境下的塑性变形特性，并分析其对渗透率和煤层气解吸的影响。

为了克服传统数值方法在处理大变形和复杂边界接触时的局限性，研究团队开发了一种基于MPM的三维数值工具。MPM作为一种无网格方法，能够更灵活地处理煤岩在腔体诱导坍塌过程中的大位移和自接触问题。与传统的有限元法（FEM）和离散元法（DEM）相比，MPM在模拟煤岩的非线性变形和复杂应力状态方面表现出更强的适应性。在本研究中，团队还开发了一个基于GPU并行计算的程序，以提高数值模拟的计算效率。这一程序的应用使得研究人员能够在更短的时间内完成大规模的数值计算，从而更快地获取煤层气开采的关键数据。

在地质模型的构建方面，研究团队以中国东部鄂尔多斯盆地的林兴CBM气田为例，建立了两个基于Benxi组煤层的几何模型。该煤层的埋深范围在1500至2000米之间，属于典型的深部煤层。通过分析气田的实际数据，团队确定了煤层的物理和力学参数，并将其应用于数值模拟中。模型（a）展示了具有多个腔体的煤层情况，而模型（b）则用于对比分析。通过这两个模型的模拟，研究团队能够更准确地评估多腔体压裂技术对煤层气开采的实际影响。

在讨论部分，研究团队强调了数值模拟在分析腔体诱导坍塌过程中的重要性。传统的数值方法，如FEM和DEM，虽然在模拟煤岩变形和断裂方面具有一定的优势，但在处理深部煤层中可能出现的复杂机械过程时存在一定的局限性。例如，FEM需要对计算对象进行网格划分，这在处理大变形和大位移时容易导致网格畸变和嵌入，从而影响计算的收敛性。而DEM虽然能够有效模拟大位移和自接触问题，但在处理深部煤岩的塑性变形时仍面临挑战，尤其是在颗粒体积变化和颗粒之间的压缩过程方面。相比之下，MPM作为一种无网格方法，能够更好地适应这些复杂的机械过程，从而提供更准确的模拟结果。

此外，研究团队还分析了多腔体压裂技术中关键参数对煤层气开采的影响。例如，腔体的角度、间距、宽度和长度等因素都会对煤层气的解吸和渗透率提升产生重要影响。通过系统的参数敏感性分析，团队发现，减小腔体角度和间距，同时增加腔体宽度和长度，能够显著提高煤层气的产量。这些发现为优化多腔体压裂技术提供了重要的理论依据，也为实际工程应用提供了可行的指导方案。

最后，在结论部分，研究团队总结了本研究的主要成果。首先，基于MPM和弹性-塑性损伤模型的三维数值工具能够准确模拟深部煤层中腔体诱导坍塌过程中的大变形、大位移和自接触问题。其次，单个腔体在深部煤层中产生的有效应力释放体积远大于其自身体积，这表明腔体在煤层气开采中具有显著的应力释放作用。第三，多腔体压裂技术在提升深部煤层气产量方面表现出优越性，其平均日产量远超传统水力压裂技术。第四，通过优化腔体参数，可以进一步提高多腔体压裂技术的效率，从而实现更高效的煤层气开采。

本研究不仅提供了一种新的数值工具，还为深部煤层气的开采提供了新的理论支持和工程指导。随着深部煤层气开发技术的不断进步，这一研究成果有望为中国的CBM产业带来新的发展机遇。同时，该研究也为其他类似地质条件下的能源开发提供了参考价值。未来，随着计算技术的进一步发展和应用，多腔体压裂技术有望在更广泛的范围内得到推广和应用，从而推动全球煤层气资源的高效利用。