煤层气水平井超临界二氧化碳旋转磨料射流喷射造穴机理

20250120

科学研究和技术服务业

目前已形成了成熟的CO2喷射造穴工艺流程、关键井下工具（喷枪、喷嘴、滑套等）、泵注程序设计方法、参数优化设计方法，采用水力喷射造穴方法及自研的井下工具已在沁水盆地郑庄区块开展了造穴现场试验（郑试77平15-1L井），全井共计完成了17个造穴段，稳定日产量超过1×104 m3/d，是相邻压裂水平井的4倍，超临界CO2磨料射流在流体动力造穴的基础上，叠加相态演化及增能置换的作用，会进一步提高煤层气产能，提升清洁能源采出程度。

1、资金要求：合作方应具备足够的资金实力，能够承担科技成果转化过程中的各项费用，包括但不限于研发费用、设备费用等，具体资金数额根据项目规模和需求确定。合作方需提供详细的资金投入计划，明确资金的来源、投入时间和使用方向，确保资金的合理使用和有效监管。应具备一定的风险承担能力，能够应对科技成果转化过程中可能出现的技术风险、市场风险等，确保项目的持续进行。 2、场地要求：合作方应提供符合项目需求的研发与应用场地，具备必要的设施与设备，能够满足科技成果的后续试验、开发和应用需求，场地面积应根据项目规模合理配置。合作方应建立健全场地管理制度，确保场地的安全、整洁和高效使用，保障项目的顺利进行。 3、设备要求：本项目目前已形成了成熟的关键井下工具（喷枪、喷嘴、滑套等），合作方应提供其他能够满足科技成果试验的相关配套设备，设备的性能应达到行业领先水平，同时应建立健全设备维护制度，定期进行设备的检查、维护和保养，确保设备的正常运行和使用寿命。设备维护记录应详细完整，便于追溯和管理。 4、人员要求：合作方应组建专业的技术团队，团队成员应具备相关领域的专业知识和丰富的实践经验，能够承担科技成果的后续研发和应用工作，团队规模应根据项目需求合理配置。合作方应配备专业的管理团队，负责项目的组织实施、协调管理和质量控制等工作，确保项目的顺利进行和高效管理。应制定详细的培训计划，定期对技术团队和管理团队进行培训，提升团队成员的专业素质和业务能力。培训内容应包括最新的科研成果、技术标准、管理方法等，确保团队成员能够及时掌握作业动态和先进技术。 5、其他要求：合作方应严格遵守知识产权保护法律法规，建立健全知识产权管理制度，确保科技成果的知识产权不被侵犯。在合作过程中，双方应签订知识产权保护协议，明确知识产权的归属和使用权限，保障双方的合法权益。合作方应严格履行保密义务，对科技成果的相关信息和技术秘密进行保密，未经许可不得向第三方披露。在合作过程中，双方应签订保密协议，明确保密内容、保密期限和违约责任，确保科技成果的安全和保密。同时，应建立健全合作机制，定期召开项目推进会议，及时沟通项目进展和存在问题，共同协商解决方案。双方应保持密切合作，充分发挥各自的优势，确保科技成果转化工作的顺利进行。

可国（境）内外转让

超临界CO2旋转磨料射流喷射造穴技术的应用可有效指导现场施工、提高投资回报率，具有广阔的应用市场。该技术可降低常规压裂等手段改造成本、产出水处理成本，解决水资源消耗、供水压力紧张、返排液污染环境等问题。采用超临界CO2旋转磨料射流在水平井中喷射造穴，实现在三维空间上对煤岩的高效破碎，岩体破碎后煤层发生应力重构，为瓦斯解吸-渗流-扩散提供了高效的通道，提高煤层气产量，大大减少沉没成本投入，实现降本增效、绿色低碳开采，具有较大的商业推广价值。 可有力推动首都在能源勘探和开采领域的技术创新与进步，提升核心技术能力，为国家能源安全提供坚实保障。积极响应国家“十四五”现代能源体系规划，推动煤炭清洁生产与智能高效开采，加快煤层气等勘探开发利用，促进能源结构优化，扩大首都在能源领域的影响力。通过深度挖掘与整合，建立先进的技术和高效的开发模式，形成新质生产力，打造极具影响力的能源基地，为推动高质量可持续发展贡献力量。同时，借助项目平台，实现政府引领-校企强强联合，推进科研团队建设，提升队伍凝聚力，形成队伍培养与科技进步的良性有机反馈，促进产-学-研-用一体化协同发展，推进技术成果转化与落地，为保障国家能源安全、促进经济社会发展作出更大贡献。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本科技成果以国家“十四五”现代能源体系规划为选题依据，结合国家能源重大战略需求与“双碳目标”研究背景，提出“超临界CO2旋转磨料射流喷射造穴提高煤层气采收率—CO2封存一体化”的新思路，可望提高清洁能源开采效率的同时实现CO2地质封存，助力推动煤炭清洁高效开发利用，促进首都能源绿色低碳转型，实现首都经济社会高质量发展。 煤层气作为一种低碳清洁能源，其高效开发对于增强能源供应、降低矿井瓦斯灾害风险、减少温室气体排放具有显著意义，兼具了能源、安全和环保的三重价值。我国煤层气资源丰富，但不同地质条件下煤层气开发技术通用性差，面临“有气难出”的瓶颈问题。虽然我国在沁水盆地和鄂尔多斯盆地等煤层气主力区块的开发中取得显著突破，但较低的单井产量仍然是制约煤层气高效开发的主要障碍。以沁水盆地和鄂东地区为例，日产量不足500 m3/d的低效井占比接近50%。2023中国天然气总产量达到了2353亿m3，其中煤层气地面井抽采量为117亿m3，仅占总产量的4.97%，距离实现煤层气的大规模高效开发依然有较大的提升空间。造成煤层气单井产量低的主要原因有：（1）煤层地质条件复杂，普遍具有“三低一高”的特征（低饱和度、低渗透性、低储层压力和高变质程度），整体开发难度大。（2）尚未形成针对我国不同煤层地质条件的适用性技术。目前，水力压裂是煤层改造的主要手段，但是针对我国广泛分布的碎软煤层，常规水力压裂技术仅能在近井地带（小于8 m）形成有效的支撑裂缝，限制了改造效果且施工成本较高。因此，单井产量低、储层改造难度大是当前煤层气开发面临的主要问题，亟需探索新的煤层气增产改造方式。 淮南、淮北、铁法、晋城等煤矿开采工程实践中发现采动区内的煤层气地面抽采井会出现规律性高产现象。这是由于煤矿开采导致储层应力释放和体积膨胀，并逐步形成裂隙发育区，改善了煤层孔喉的连通性，显著提升了渗透率，同时降低了储层压力，促进了地面抽采井的高效开发。基于这一发现，如何在原位煤层中实现类似煤矿采动效果的应力释放，进而促进煤层气解吸采气成为近年来的研究热点。 基于以上难题挑战与战略需求，本项目提出“超临界CO2旋转磨料射流喷射造穴提高煤层气采收率—CO2封存一体化”的新思路。即采用超临界CO2旋转磨料射流在水平井中喷射造穴，实现在三维空间上对煤岩的高效破碎，岩体破碎后煤层发生应力重构，引发洞穴边界微裂纹萌生、扩展，进而导致储层应力释放，提高储层渗透率，实现卸压增渗。超临界CO2具有高扩散率和低表面张力等优势，在射流冲击过程中可以降低破岩门限压力，减少对地层的损伤。同时，利用CH4-CO2竞争吸附，促进CH4解吸、渗流，提高煤层气产量，并实现CO2地质封存。研究成果有助于进一步丰富煤层气开采理论与技术，科学有序推进实现碳达峰、碳中和目标，不断提升绿色发展能力，为建设绿色北京、推广“蓝天工程”具有重要的理论研究价值和实际应用意义。 关键性技术指标：采用超临界CO2磨料射流在煤层气水平井水平段上喷射造多级洞穴，洞穴半径为0.5-1米；喷射造穴后卸压增透影响范围（孔隙度、渗透率升高区域）半径可达200米以上。沁水盆地郑庄区块采用磨料射流水力喷射分段造穴，稳定日产量超过1×104 m3/d，是相邻压裂水平井的4倍，超临界CO2磨料射流在流体动力造穴的基础上，叠加相态演化及增能置换的作用，会进一步提高煤层气产能，提升清洁能源采出程度。 应用前景：本成果为应对“双碳目标”提出，属于碳捕获、利用与封存（CCUS）技术范畴。通过射流喷射造穴技术将CO2注入地层，一方面，可以将CO2储存于煤岩孔隙结构中，实现碳封存。另一方面，由于CO2在煤层中的吸附能力强于甲烷，注入CO2可以有效驱替煤层中的甲烷气体，提高煤层气采收率，有效降低能源浪费。这种“变废为宝”的方式既能降低碳排放，又能助于提高能源利用效率，解决“京津冀气荒”的问题，保障能源安全有效开采，具有较强的经济性和可持续性，对于首都绿色低碳能源转型具有重要意义。