煤层地质构造对煤岩渗透率影响研究

基于寺河矿区地质资料,以寺河矿12个煤样为研究对象,利用实验方法定量分析讨论构造曲率对孔隙度的影响,以及两者对煤岩渗透率综合控制关系,并定性描述了不同构造样式对孔隙度和渗透率的影响。结果表明,煤层构造曲率对煤岩的孔隙度具有一定的控制作用,孔隙度的变化对正构造曲率值更加敏感;正负构造主曲率值对煤岩渗透率的影响程度不同,在背斜处即构造曲率负值时,构造曲率对渗透率的影响不大;构造曲率正值时,构造曲率以中等为好,过高或过低都不利于煤岩渗透率提高;煤岩的渗透率与其孔隙度具有较强的相关性,无论背斜还是向斜,煤岩的渗透率均随着孔隙度的增加而增大。     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

地应力对煤储层渗透性影响及其控制机理研究

针对地应力对煤储层初始渗透性及水力压裂裂缝扩展研究,从煤储层地应力状态影响因素、地应力对渗透率的影响规律及控制机理方面进行分析,总结了国内外地应力对煤储层渗透性影响规律及机制研究的最新进展。研究结果表明:煤储层地应力状态影响因素包括构造作用、埋藏深度和煤岩类型3个方面,其中构造作用和埋藏深度占据主导地位。目前捕获地应力大小多利用水压致裂法和物理试验测试,当前主要研究了现代地应力场特征、实验室模拟、数值模拟不同地应力对煤储层渗透率影响,其实质是对煤储层孔隙-裂隙结构产生变形。区域应力场产生区域性的裂隙系统,控制着煤储层渗透性区域性分布,而局部构造地带控制着不同区块渗透率的非均质性分布。渗透率随着有效垂直应力、有效最大水平主应力和有效最小水平主应力增加均呈负指数减小。相对于地应力差,应力差系数才是影响水力裂缝沿着最大主应力方向扩展的主要因素。     

柿庄南区块煤储层构造对渗透率控制关系的定量研究

基于柿庄南区块3~#煤层构造特征,结合测井资料和GSI多参数拟合,通过煤层构造曲率和渗透率的统计分析,定量研究煤储层构造对渗透率的控制关系。研究表明:煤储层构造曲率介于(0.3～2)×10~(-4)/m时,渗透率均大于0.2×10~(-3)μm~2;构造曲率低于0.3×10~(-4)/m或者高于2×10~(-4)/m时,煤储层渗透率均小于0.2×10~(-3)μm~2。煤储层构造曲率过高或过低都不利于渗透率的提高,以中等为好。     

低透气性煤层应力集中带瓦斯抽采研究

为了提高低透气性煤层瓦斯抽放效率,研究了回采工作面煤层渗透性随采动的变化规律,综合分析了采动应力下煤层裂隙演化规律,得出了在低透气性煤层应力集中带瓦斯抽采的必要性和可行性。通过建立应力集中带裂隙(包括原生割理、构造节理、采动裂隙)演化简化模型,分析裂隙分布方位与最大主应力、煤层倾角的方位关系,得出结论:应力集中带煤层裂隙在采动影响下张开闭合与否,受最大主应力方向、大小影响,进而影响煤层局部渗透性变化,因此在应力集中带将瓦斯抽采钻孔布置在局部渗透性增大区域,将大大提高抽采效率。提出了在应力集中带裂隙发育区域抽采瓦斯是预防瓦斯动力灾害的有效措施,观察煤体裂隙分布发育情况是预测煤体渗透性的一种依据。     

沁水盆地南部地应力场特征及其研究意义

采用水压致裂测量地应力方法,测得了沁水盆地南部45口煤层气井主采煤层地应力分布,通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,分析了地应力在煤储层渗透性及压裂研究中的意义。研究结果表明：沁水盆地南部最大水平主应力为642~4186 MPa,平均为1721 MPa;最大水平主应力梯度为117~479 MPa/100 m,平均为264 MPa/100 m;最小水平主应力330~2640 MPa,平均为11391 MPa;最小水平主应力梯度为099~285 MPa/100 m,平均为177 MPa/100 m。主应力均随着煤层埋藏深度的增大而增高,呈线性关系。在650 m以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin,最小水平主应力小于12 MPa,现今地应力状态处于伸张带;在650~1 000 m煤储层地应力状态转化为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力为12~20 MPa,现今地应力状态由伸张带转化为压缩带的过渡;在1 000~1 500 m煤储层地应力状态为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力大于20 MPa,现今地应力状态转化为压缩带。在地应力的作用下,裂缝逐渐趋于闭合,煤储层渗透率急剧下降。同时,地应力对煤储层水力压裂裂缝扩展产生重要影响,水力压裂裂缝均沿着最大主应力方向扩展。     

煤层气井多井压裂效果的数值分析

地面钻井抽采瓦斯已成为解决高瓦斯矿井安全问题的有效方法,但我国煤层的渗透率普遍较低,需要进行人工增透,其最有效的方法之一就是水力压裂。在对瓦斯抽采单井压裂效果分析的基础上,利用有限元分析软件RFPA对多井压裂效果进行了数值分析,结果表明:单井压裂时,裂缝在井周两侧沿最大水平主应力方向延伸;多井压裂设计时,采用对角线沿最大水平主应力方向的菱形布井方式,能在煤层中产生充分发育的裂隙和损伤区域,达到压裂煤层的目的;模型的边界条件对模拟结果产生较大影响,施加围压更符合实际情况。     

地应力及氮气长期作用下焦煤渗透特性的演化

松软低渗透高瓦斯煤层瓦斯抽采是矿井瓦斯抽采的难点,该类煤层极低的渗透性是地应力和高瓦斯压力长期共同作用的结果。为研究地应力和气体压力长期作用对煤层渗透性的影响,采用岩石三轴渗流仪研究了山西典型焦煤在三轴应力及氮气孔隙压力长期作用下的渗流特性。结果表明:在400m埋深地层应力(轴压、围压均为10MPa)和氮气孔隙压力(6 MPa)长期作用下,焦煤原始渗透率为10~(-17)～10~(-21) m~2,低于10~(-14)～10~(-16) m~2,为低渗煤层;但初始渗透存在一临界值:约为2.0×10~(-19) m~2。初始渗透率高于2.0×10~(-19) m~2,焦煤渗透率先增加后降低,而后趋于平稳,平稳后的渗透率低于初始渗透率;初始渗透率低于2.0×10~(-19) m~2焦煤渗透率呈抛物线式减少,后趋于平稳;试验后试样明显破碎,可见宏观裂缝且数量明显增多。     

高阶煤煤层气储层裂缝发育程度及渗透性定量评价

通过煤岩样品扫描电镜室内实验,描述了研究区域煤岩裂缝发育形态并定量描述了裂缝长度、宽度、高度、密度等参数,建立了裂缝渗透性定量评价指标并研究了其影响因素。结果表明,该区优势裂缝方向为NE向,但局部构造复杂区发育NW向或近EW向裂缝,裂缝组以NE向平行裂缝为主,偶见NW向斜交裂缝,局部发育交叉裂缝和曲折裂缝,裂缝局部被黏土矿物或方解石填充;煤岩主、次裂缝长度和高度基本相似,次裂缝宽度和密度值明显低于主裂缝;提出的裂缝渗透指数能够有效表征裂缝渗透性,渗透率随裂缝渗透指数增加而增加。当裂缝渗透指数大于150时,为煤层气开发有利区;当裂缝渗透指数小于100时,需要采用水平井分段压裂工艺改善开发效果。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

基于分形和曲率评价的构造复杂矿井瓦斯地质规律分析

煤层瓦斯赋存受矿井构造条件控制,构造复杂程度的评价和研究对预测瓦斯突出灾害至关重要。文章基于某矿瓦斯地质资料,通过利用分形计算和曲率评价相结合的方法,分析了主采煤层构造复杂程度,探讨与预测了矿井瓦斯地质规律。研究发现矿井瓦斯分布受矿井断层影响明显,并据此划分了3个瓦斯地质单元,整体上瓦斯分布随煤层埋深增加而增大,但在局部区域内异常分布;矿井分形维数和曲率计算分别介于0.6～1.838 2和(5～35)×10~(-5)之间,分形维数和曲率值均与瓦斯含量正相关,但在构造简单区域内异常点同样暗示出瓦斯的不均一分布特征,高挤压应力环境下的断裂构造是造成瓦斯异常分布的主要原因;结合矿井构造分析发现煤层中"低构造分维值和高曲率值"叠加区域是高瓦斯突出危险区域。研究结果为矿井瓦斯预防提供指导。     

顺层长钻孔多缝槽控制压裂裂缝扩展规律研究

预置缝槽控制是解决煤岩体水力压裂空白带的有效措施。以唐口煤矿为例,采用RFPA软件,分析煤矿井下工作面顺层长钻孔预置多缝槽控制压裂裂缝扩展规律。研究表明:多缝槽控制压裂水压主裂缝全部沿垂直于最小水平主应力的方向扩展,存在优势缝槽优先诱导产生水压裂缝扩展;随着预置缝槽密度增大,单侧水压主裂缝的长度减小而裂缝张开角增大,单侧最大水压主裂缝的长度变化大致符合线性关系;平均单侧最大水压主裂缝长度为26.3 m,平均裂缝张开角为11.8°,裂缝稳定扩展压力为18.0 MPa;合理的缝槽密度为0.04 m~(-1),对应的缝槽间距为25 m;单孔平均卸压2 537 m2,水压主裂缝区域渗透率可以提高100～200倍。     

李粮店煤矿大采深地应力分布规律研究

为掌握李粮店煤矿大采深地应力分布规律,采用空心包体应力解除法在二1煤层底板L7灰岩中施工钻孔,现场测量了4个测点的地应力大小,结果表明,该矿区为高地应力区域,且最大主应力远大于中间主应力和最小主应力,最大主应力接近水平方向;矿井深部开采时围岩内存在较大的剪应力,围岩稳定性较差。另外通过对矿区地应力场与矿区构造关系的分析,进一步表明了矿井主控地应力为构造应力,最大主应力方向基本垂直于褶皱构造轴向和断裂构造的走向。     

滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征研究

地应力特征是煤层气勘探开发,尤其是压裂设计的基础研究内容。为了探明滇东老厂矿区地应力分布特征,基于测井资料、岩石力学试验及水力压裂曲线,利用带附加构造应力项的Anderson模型,计算了滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征参数,分析了地应力分布规律及对储层渗透率的影响。结果表明:滇东老厂矿区煤储层地应力整体为10～30 MPa,属中高应力区。最大水平主应力σ_H,最小水平主应力σ_h和垂直主应力σ_V随埋深增加而增加,并且垂向上应力场随埋深增加逐渐由水平主应力主导变为垂直主应力主导,800 m为应力转换点,800 m以浅以σ_Hσ_Vσ_h为主,表明有利于走滑断层应力场活动,煤层处于压缩状态; 800 m以深以正断层应力场(σ_Vσ_Hσ_h)为主,垂直主应力σ_V为主控应力,煤层处于拉张应力状态。侧压系数整体上位于中国和Hoek-Brown内外包络线之内,且随埋深增加逐渐由大于1为主,减小到应力转换带深度下的普遍小于1。地应力通过埋深对渗透率起控制作用,煤层埋深在800 m内,孔隙在挤压应力作用下逐渐闭合,渗透率随埋深增加呈负指数减小,800 m以深垂直主应力为渗透率主控因素,储层处于拉张应力状态,且天然裂缝近乎垂直发育,天然裂缝在垂直主应力作用下开启,渗透率随埋深增加而增加,渗透率变化点与应力场变化点基本一致。     

大宁-吉县地区地应力场对高渗区的控制

地应力场是控制煤层气富集高产重要因素之一，研究地应力场与煤层渗透性的关系可以更好的指导煤层气的勘探。通过对地层倾角测井资料和大地电位监测分析井壁崩落得出大宁-吉县地区水平最大主应力方向；根据声波时差测井和电阻率曲线计算出最大主应力值。研究结果表明古驿-窑渠背斜轴部为最大主应力低值区，控制着煤层气的高渗区，也是该地区最有利的勘探区域。     

伊泰矿区井下地应力测量及应力场分布特征研究

采用小孔径水压致裂地应力测量装置在伊泰矿区3个煤矿完成了10个测点的原岩应力测量。实测数据表明：矿区应力场属于低地应力值区域,构造应力占绝对优势,最大水平主应力方向以北东方向为主;由于受埋藏深度、地质构造和地形地貌影响,各矿地应力值差别较大,最大水平主应力方向亦有所偏差。基于实测数据,得出最大与最小水平主应力,最大水平主应力和垂直应力的差值普遍较大,导致岩体内剪应力较大;分析了地应力随埋藏深度的变化规律,并得出水平主应力与埋深之间的关系。     

构造曲率法在火山岩储层裂缝预测中的应用

文章阐述了构造曲率法在火山岩储层构造裂缝预测的原理和运用前提,基于微分学原理导出了研究区火山岩目的层构造面主曲率的计算式,确定了构造裂缝形成所必须的临界曲率值,建立了构造曲率法的计算模型。以徐家围子安达地区火山岩目的层气藏为例,运用构造曲率法对目的层裂缝发育情况进行了预测。预测结果表明,构造主曲率高值区与测井分形维数高值区和高产气井部位吻合较好。     

煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律,开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验,通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明：水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力,当最大水平主应力与最大垂直应力接近时,裂缝沿应力的合力方向扩展;应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展,且穿层后的扩展距离增大,而对初始起裂压力和时间的影响较小;裂缝由岩层扩展进入煤层后,压裂压力会出现骤降与二次抬升,多数声发射事件位于煤层;若穿层失败,压力表现为持续波动。此外,在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管,注水起裂点设在岩层中起裂难度较低,且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整,为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。     

基于不同应力的水力裂缝形态试验研究

为了研究压裂后的水力裂缝形态,以相似材料成型的试件为压裂对象,利用水力压裂装置,开展了不同应力条件下的水力压裂试验。研究结果表明:二维应力条件下,水力压裂形成单一裂缝的概率大于复杂裂缝的概率;裂缝形态的复杂性与试验应力有关,当三向应力(最大水平主应力、垂直应力、最小水平主应力)的值相差较大时,容易形成单一裂缝形态;当三向应力中有2个值相近,且均与第3个应力相差较大,则容易形成复杂裂缝形态;复杂裂缝形态中的分支缝与最大水平主应力存在不同的夹角,但均沿平行于最大水平主应力的方向扩展;在同一应力条件下,不同试件压裂产生的裂缝形态也不尽相同,与试件的均质性、压裂液的流动路径、破裂面的特征有关。     

王家岭矿地应力测量及矿区地应力场分布规律

为了解王家岭矿区地应力场分布规律,通过实测,获得了该矿区12个测点的三维应力大小和方向。根据实测结果,对该矿区地应力场的分布规律进行了分析和研究。研究结果表明:矿区地应力场是以水平构造应力为主导的,实测最大水平主应力平均为自重应力的2.34倍,垂直主应力值基本上等于或略大于自重应力值;该区构造应力场的最大主应力方向为NNW-SSE向,与最大主应力场基本一致;最大主应力、中间主应力和最小主应力均随埋深的增加而呈现增大的趋势,且最大水平主应力的增长趋势更大。该数据侧面反映埋深越浅矿区地应力构造应力越突出的问题。