煤层气储层应力敏感性定量表征及影响因素研究

煤层气储层应力敏感性较强,对煤层气开发具有重要影响。采用不同区块天然煤样开展应力敏感性室内实验,应用应力敏感性系数和渗透率伤害系数2个参数评价了各煤样应力敏感性程度,并研究了煤阶、渗透率和储层气体压力等参数对煤岩应力敏感性的影响。结果表明:镜质组反射率R_o<1.7%时,煤阶越低,应力敏感性程度越大,渗透率伤害程度越高;而镜质组反射率R_o>1.7%时,煤阶越高,应力敏感性程度越大,渗透率损害程度越高;煤岩初始渗透率越高,应力敏感性系数越低,应力敏感性越弱,利用初始渗透率与其应力敏感性系数之间的经验公式可以估算煤岩应力敏感性,方便现场应用;储层气体压力越低,渗透率越高,越有利于煤层气开发,而煤岩应力敏感性系数和渗透率伤害系数也略高,需预防应力敏感性造成的渗透率伤害。      

高煤阶煤层气井不同排采阶段渗透率 动态变化特征与控制机理

煤层渗透率动态变化规律是煤层气开发地质领域的研究热点之一。根据无因次产量分析方法,基于沁南地区15口高煤阶煤层气井排采数据,采用无因次产气率指标,将排采阶段定量划分为排水阶段、不稳定产气阶段、稳定产气阶段和衰减阶段;引用物质平衡方法,利用生产数据,计算并分析了各井不同排采阶段渗透率变化值。从渗透率变化趋势、主导机制、体系能量、相态构成和产能动态5个方面,阐释了高煤阶煤层气井不同排采阶段煤层渗透率动态变化特征与控制机理。研究结果表明,在高煤阶煤层气井排采过程中,煤层渗透率呈现降低—恢复—升高的特征;有效应力效应和基质收缩效应直接控制了煤层渗透率的变化特征;吸附与解吸特征从根本上控制了基质收缩效应的作用时间与强度。     

一种确定煤层气地面垂直井排采制度的简易方法

以渗透率为核心,探讨了煤层气垂直井排果过程中井底流压、地层供液量等与渗透率的对应关系,并据此分析了舍适的排采制度,划分了煤层气井排采阶段,最终形成了一种确定煤层气井排采制度的简易方法。研究结果表明：井底流压在2／3的原始储层压力以上时,渗透率变化不大,即应力敏感效应不强;井底流压小于2／3倍原始储层压力后,应力敏感效应增强。当井底流压接近并达到临界解吸压力时,地层供液量开始减小,此时控制套压、减少产量有利于扩大压降范围;当储层压力降低至临界解吸压力后,渗透率得到大幅改善,可保持较小冲次,获得稳定气产量。开发实践证明该万沽在获取煤层气井最大产量方面有较好的实用性。     

煤岩储层渗透率动态变化模型

煤层气开采过程中,煤岩储层渗透率随压力降低不断变化。在考虑有效应力、基质收缩以及滑脱效应对渗透率影响的基础上,建立煤储层渗透率动态变化模型。研究结果表明：开采初期,储层压力降低,有效应力增大,渗透率降低;煤层气解吸,煤岩基质收缩,渗透率回弹;开采后期,有效应力与基质收缩的影响逐渐减弱,滑脱效应占主导地位,渗透率明显增加。     

煤岩储层应力敏感性及其对气井开发的影响

以沁水盆地3#煤为研究对象,对煤岩储层渗透率应力敏感性进行了实验研究,建立了以储层原地有效应力为初始点的渗透率应力敏感性评价方法。结果表明,该方法能够真实反映储层岩石应力状态,有效应力和无因次渗透率之间较好的符合二项式关系。利用扫描电镜和恒速压汞实验,分析了煤岩储层应力敏感性机理。孔隙大小和形态的改变对渗透率应力敏感影响较小,而孔喉大小和形态的改变以及微裂隙的开度决定了渗透率应力敏感程度。结合二项式方程,从理论上计算了渗透率应力敏感性对煤层气井产能的影响。计算结果表明,在气井井底附近煤岩储层中存在渗透率漏斗,距离井筒越近的储层,渗透率变化越大;在远离井筒的区域,渗透率变化较小。渗透率应力敏感性影响煤层气井产能,且初始渗透率越小,产能降低越严重。     

煤基质自调节效应实验

煤储层渗透率是决定煤层气开采成败的关键参数之一。以煤基质为研究对象,根据应力来源的不同,提出了煤基质内外应力的概念。分析认为:煤储层渗透率随煤层气开采而动态变化正是煤基质内外应力综合作用的结果。随着煤层气的采动,有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,煤储层渗透率降低;而流体压力降低,煤层气解吸,煤基质发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大,煤储层渗透率增高。为了探讨煤基质内外应力与煤基质变形特性的关系,开展了三轴力学实验和吸附膨胀实验,根据实验结果的分析和总结,提出了煤基质自调节效应的新观点,构建了煤基质内外应力耦合作用下的自调节模式。研究成果为煤层气的有效开采提供了理论基础。     

考虑应力敏感性的煤层气稳定流动气井产能方程

国内外大量实验研究表明,煤储层应力敏感性是存在的,而且对煤层气井生产有重大影响。在前人实验研究的基础上,建立了煤层渗透率与有效压力或地层压力之间的数学关系式,二者之间满足相关性非常高的指数变化关系;建立了考虑煤储层应力敏感性的达西流动和非达西流动气井产能方程。研究表明,煤储层的应力敏感性对煤层气井的产能有很大影响,随着生产压差的增加,气井的产量增加幅度较小,并逐渐趋向稳定,因此需要制定合理的生产压差进行生产。     

低渗透应力敏感性油藏的合理开发

针对低渗透油藏开发效果难以达到预期的现象,通过采用变流体压力应力敏感实验方法,保持围压不变对某低渗透油藏的岩心在不同流体压力下的渗透率进行测试。研究结果表明:随着流体压力的减小,岩心渗透率逐渐降低,但减小幅度趋于平缓;岩石渗透率越低,应力敏感性越强,流体压力恢复后,岩心渗透率并不能恢复到原来水平,其原因是低渗透岩石应力敏感性是不可逆的。利用径向渗流理论,结合应力敏感性对渗透率的影响,建立新的油井产能方程,计算出地层压力变化对单井产能的影响。在保持生产压差为4 MPa不变的前提下,地层压力下降5MPa,单井的产能降低10%~30%,储层渗透率越低,降幅越大。为使低渗透应力敏感性油藏得到合理高效的开发,储层在进行压裂、射孔和作业过程中需注意油层保护;在开采过程中需观察井底流压的变化,维持合理的生产压差;当油井产油量明显下降后,适时对近井地带储层进行酸化,增大近井地带的渗透率。     

注CO2开采煤层气产能预测及影响因素分析

在对注CO2开采煤层气过程所涉及的双组分气体吸附/解吸,扩散和运移等理论调研的基础上,考虑有效应力、气体吸附/解吸对煤层渗透率影响,建立了描述注CO2开采煤层气生产过程的数学模型,研究了注CO2条件下煤层气的储集、扩散和运移机理.运用数值模拟方法,分析了初始孔隙度、泊松比、杨氏模量等储层物性参数对储层渗透率变化的影响,研究了注CO2开采煤层气生产过程中CH4产量及CO2注入量的变化规律.结果表明:储层渗透率变化受孔隙压力降低、CH4解吸、CO2吸附3个因素共同作用;储层压力一定时,游离气中CO2摩尔分数越大,储层渗透率越低;同时明确了注产井间距、煤层初始渗透率和煤层温度等因素对产能的影响规律,可为现场生产提供理论借鉴.     

渗透率动态变化对煤层气井产量的影响

渗透率是影响煤层气井产量的重要因素之一,在实际生产过程中,煤层渗透率受地应力以及基质收缩的影响发生动态变化。为此,基于鄂尔多斯盆地东南缘延川南煤层气田的地质特征,对Y5井的生产特征从理论和数值模拟两个方面进行了深入分析,并基于Y5井的地质参数建立数值模拟模型,进而分析煤层气储层孔隙度和渗透率的变化规律。研究结果表明：①Y5井后期煤层气产量上升可能是受基质收缩的影响;②随着生产时间的增长,煤层气储层孔隙度、渗透率存在着一定程度的增大现象;③地应力以及基质收缩对煤层气井产量有着重要的影响。     

低渗非达西煤层气井渗流数学模型建立与应用

低渗透煤层气藏中的气体渗流存在非达西效应,使用常规方法对其进行产量预测与计算时易出现误差。为有效解决该问题,在考虑启动压力梯度影响的条件下,建立了低渗煤层气藏气、水两相渗流数学模型。利用有限差分法进行了数值求解,编制煤层气直井开采数值模拟计算程序进行了产能预测,并分析了煤层参数对产量变化的影响。研究表明:①煤层气井生产时,存在气产量迅速升高、水产量迅速降低的阶段;②吸附时间越短,气产量越早到达高峰期,一定时间内产量也越高;启动压力梯度越大,高峰期后产量下降越快,最终产量也越小;③吸附气超饱和煤层气产量>饱和煤层气产量>欠饱和煤层气产量。     

煤层气藏产能动态预测方法及参数敏感性分析

煤层气体在开发阶段经历了解吸—扩散—渗流的复杂过程,会引起孔隙结构的变化,对产能造成一定影响。因此,研究煤层气藏的物质平衡时,需要考虑自调节效应对孔隙变化的影响。通过建立模型,推导了煤层气藏的物质平衡方程,结合气、水产能方程以及相渗曲线,并且考虑偏差因子随压力的变化,对煤层气藏产能进行动态预测,预测结果通过与实际生产数据历史拟合,验证了模型具有较高的可靠性。通过参数敏感性分析,得出煤层气井生产中后期不同敏感性条件下储层压力与时间成指数对应关系及其对气井生产的影响。综合分析结果表明,自调节效应好、渗透率高、朗氏压力高和煤层厚度大的煤层气藏产能相对较高。     

煤层气储层研究进展

煤层作为煤层气储层,具有容纳气体和允许气体流动的能力。与常规的砂岩储层不同,煤层气在煤层中主要呈吸附态形式存在,其储集性能受多种因素的影响。我国的煤田大多成煤时间早,经历的构造期次多,地质条件复杂,造成我国煤层气储层物性非均质性强,研究难度较大。文中总结了煤层气储层的物性特征、储集状态、煤岩特征、实验方法 4方面的研究进展,指出煤储层的渗透性、孔隙度、外生裂隙、割理、微裂隙等特征可以表征其物性;温度、压力、含气量、水动力条件、应力状态可以反映其储集状态;煤岩类型、煤体结构、煤层厚度、显微组分组成、变质程度、灰分等也影响其特性。最后,探讨了煤层气储层研究存在的问题及下一步研究方向。     

论深部煤层气基本地质问题

深部煤层气资源是中国煤层气产业规模性发展的重要基础,但目前关于"深部"的含义、定义、特殊性等基本地质问题尚无明确表述。前期探索成果显示,深部煤储层地质条件的特殊性起源于较高的地应力和地层温度,由此导致深部煤层可压缩性高、渗透性低和弹性低。研究认为:在科学层面,煤层气领域的"深部"不仅是一种深度,更重要的是一种状态,这种状态取决于地应力、温度及煤(有机)储层三重地层状态;在操作层面,定义深部与浅部之间的临界深度,需要考虑地应力状态转换、煤吸附性(含气量)和煤岩力学性质三重地质因素。近期研究进展为解决本领域基本地质问题提供了新的启示,阐释游离气量在深部低阶煤储层含气量中的重要性,探讨深部煤层气可解吸性与产出阶段敏感性之间关系,分析变孔隙压缩系数对深部低阶煤储层渗透率的深刻影响,建立基于成藏效应的深部煤层气有利区优选方法。今后几年期间,深部煤层气勘探开发仍需解决4方面地质问题:1深部煤层气资源潜力深化评价与再认识;2深部煤储层可改造性及其与深部基本地质特点的耦合效应;3深部应力场、温度场、化学场作用下煤层气高效开采技术原理的地质控制;4深部煤系"三气"共生特性、共探方法与共采有效性地质评价。问题的实质,在于发展出一套适应于深部地层条件的煤层气勘探与开发地质技术方法。     

生物产气对煤层气可采性指标的影响

煤层气开发受多种因素的影响,为了研究生物甲烷代谢对煤层气开采指标的影响,选择不同煤阶的煤样进行了生物代谢模拟实验。通过生物产气数据、代谢前后煤样等温吸附和孔隙结构等参数测试,计算煤层气的采收率、含气饱和度、临储比等开采性指标并分析其变化规律。结果表明:1煤层生物产气能提高煤层气资源量,但随着煤变质程度的增加,生物产气量逐渐下降,同时煤的亲甲烷能力也降低;2生物产气对煤储层孔隙结构有明显的改善,其大孔数量和总孔容两个指标显著增加,从而提高了煤储层的孔渗性;3生物产气后煤储层的临界解吸压力、含气饱和度与采收率等开采指标也都有不同程度的提高,河南义马千秋矿和山西柳林沙曲矿煤样的含气饱和度提高的幅度较大,山西西山官地矿煤样的变化幅度次之,但总体的变化趋势具有一致性。结论认为,煤层生物产气不但能增加煤层气资源量,而且还有助于提高煤层的可采性。该研究成果可以为我国煤层气生物工程现场实施提供参考。     

煤层气藏全流固耦合数学模型

为准确表征煤层复杂的地质力学效应,根据多重孔隙介质力学特征和多过程运移特点,来构建煤层气藏三孔双渗全流固耦合数学模型,并基于所研发的全隐式有限体积数值模拟器,进一步研究地质力学效应对孔渗参数和煤层气产能的影响。结果表明,有效应力效应与基质收缩作用均可影响裂缝渗透率,且作用方向相反：有效应力效应的作用强度在开发初期大于基质收缩作用,但在后期发生逆转,导致渗透率先减小后增大,最终值甚至可达初始值的数倍;随着煤岩杨氏模量增大,有效应力效应减弱,煤层气日产量增大,产气高峰出现时机提前,随着Langmuir体应变量增大,基质收缩作用增强,同样煤层气日产量增大,产气高峰出现时机提前。全流固耦合数学模型能够更准确地刻画煤层复杂流固耦合作用,这对煤层气产能预测具有重要意义。     

沁水盆地成庄区块煤层气成藏优势及富集高产主控地质因素

成庄区块是沁水盆地煤层气开发最为成功的区块之一。为了指导相似地质条件的煤层气区块的勘探开发,基于大量的勘探开发实践数据,利用数理统计、室内实验、测井解释、构造解析、数值模拟及递减分析等方法,系统开展了该区块煤层气成因、成藏条件及产气规律等方面的研究。研究表明：该区具备构造简单、煤层展布稳定、埋藏深度浅、有机热成因气、含气量高、渗透率高等优越的成藏条件;该区高产井比例高（占总井数47%）,具有单井平均产量高（介于4 000~7 000 m³/d）、采收率高（预计采收率为55.1%）等产气特征。进一步分析了富集、高产主控因素的控气作用机理,结果认为：构造热事件提高生气能力,改善了物性,封盖条件与水动力优势配置,利于煤层气富集;张性水平应力分布区及煤矿卸压应力释放区的煤储层渗透率高,利于储层高产。     

煤层气工作流体储层伤害评价方法的适宜性研究

目前,被普遍接受的煤层气工作流体储层伤害评价指标是渗透率变化值,其常用的渗透率测试方法多达6种,尚未见到采用实际测量方法对比研究6种测试方法适用性的成果报道。为此,在实验室内采用恒压法、恒流量法、岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法、压力振荡法和核磁共振法等6种方法,随机选取3组沁水盆地15号煤平行样品,对其在钻井液和压裂液伤害前后的渗透率进行测定,计算储层伤害前后的渗透率平均值和绝对储层伤害、相对储层伤害数据,进而采用简单排序法、一阶减元等序统计算法和测试原理分析法处理分析上述数据,通过绝对储层伤害和相对储层伤害排位的稳定性筛选适用的测试方法。研究结果表明:(1)恒压法和恒流量法实测的绝对储层伤害结果偏大,岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法和压力振荡法实测的结果偏小,核磁共振法实测的结果居中;(2) 6种方法实测的相对储层伤害分布无明显规律;(3)在煤层气储层伤害评价时,渗透率测试方法优先选择顺序为:岩屑脉冲衰减法恒流量法核磁共振法柱塞脉冲衰减法=压力振荡法=恒压法,这是由各种方法的测试机理所决定的。结论认为:(1)岩屑脉冲衰减法最适合用于测试煤层气储层基质的伤害程度,恒流量法最适合测量整体的伤害程度;(2)煤层气工作流体储层渗透率伤害程度室内评价适宜并行使用岩屑脉冲衰减法和恒流量法。     

量化指标在煤层气开发潜力定量评价中的应用

等温吸附曲线蕴藏了丰富的煤储层信息,对于认识煤层气开发潜力至关重要。为了更好地挖掘等温吸附曲线蕴含的丰富信息,定量评价煤层气开发潜力,首先对不同盆地/地区煤岩等温吸附曲线进行了对比分析,探讨了含气饱和度和临储比比值指标的意义和局限性,在此基础上,提出临储压差、临废压差和有效解吸量3个量化指标,并结合具体实例对其应用效果进行分析和论述。研究表明,含气饱和度和临储比是比值指标,可以用来对比评价不同区块、不同煤层、不同井之间开发潜力的优劣和定性评价煤层气开发潜力;相比而言,临储压差、临废压差和有效解吸量可应用于区块和单井不同层次煤层开发潜力定量评价中,能够更好地反映煤层气开发潜力。实例分析表明,寿阳区块15号煤储层有一定的开发潜力,但因其煤岩吸附时间长(扩散速度低),需在见气后通过较长时间的缓慢排采,实现产气潜力的释放;恩洪EH-C6井需要较长时间的前期排水降压过程,但其开发潜力比较乐观。     

宁武盆地南部煤层气富集的主控因素

宁武盆地是我国典型的中煤阶构造残余盆地,勘探证实其南部具有很好的煤层气勘探潜力,但煤层气富集的主控因素尚不清楚。为此,分析了盆地南部主要含煤地层的沉积环境、煤质特征、热演化程度与煤阶分布、煤储层物性等地质特征,通过构造特征、地应力分布特征、封盖条件分析,结合前期勘探成果,综合研究后认为:宁武盆地南部煤层气的富集受构造部位、应力场以及煤层顶底板封闭条件控制,构造上斜坡带煤层气富集高产,构造应力场低值区煤层渗透性好,封闭条件好的地区煤层气保存条件好。进而预测出W02井以东、W04井以南地区具有获得高产煤层气井的有利条件,是有利的煤层气富集区。