延川南工区煤层气排采速率定量分析

延川南工区正值煤层气产建的关键时期,由于工区地质资料的局限性、煤岩力学特征的敏感性和煤层气渗流机理的复杂性等原因,目前生产制度的制定尚处于摸索阶段。基于井筒周围煤岩应力状态的分析,从生产机理出发,通过对煤岩降压速率的力学实验模型的探讨,以现场排采数据和产量变化为依据,定量探索流压降幅与煤层埋深之间的关系,进而总结出煤层气井不同阶段的排采规律,为生产制度的制定提供了理论指导和优化思路。     

煤岩弹性力学性质与煤层破裂压力关系

岩石弹性力学性质是储层水力压裂裂缝起裂的重要力学约束,解译弹性力学性质与煤层破裂压力间的数学关系对于气井压裂设计有一定作用。以沁水盆地郑庄区块51口煤层气井为对象,利用声波时差、体密度测井数据反演了近井煤岩弹性力学参数(弹性模量E、剪切模量G、体积模量K、泊松比v)值,计算了表征煤岩破裂实际耗能情况指标——破裂压力当量(P_t)值。通过数学回归发现:中低弹性模量软煤中弹性力学参数(E、G、K)与P_t呈线性正相关关系;对于高弹性模量(E6GPa)硬煤,发育天然大裂隙煤层P_t较低且随模量(E、G、K)降低而增高(煤粉的堵塞效应),而致密煤层P_t随煤岩模量增大而快速升高。煤岩泊松比(v)与P_t间的关系则不同,高弹性模量硬煤P_t随煤岩泊松比(v)增大而快速升高,而中低模量软煤P_t先随v减小而升高(煤岩脱水效应),后与v呈正相关关系。     

注气过程中煤层裂纹扩展速度研究

煤层中通常会通过注N2、CO2提高煤层气采收率或实现CO2埋存,注入的气体将使煤层中裂纹发生扩展,诱发煤层失稳。以宁武盆地9号煤层为研究对象,开展等温吸附实验定量研究了煤岩对N2、CO2的吸附量,并开展三轴压缩力学实验定量研究了N2、CO2吸附对煤岩力学强度的影响;分析了煤岩中裂纹扩展机理,根据断裂力学理论推导出含气煤岩中的裂纹扩展速度方程,并根据方程计算出注不同气体时煤岩中的裂纹扩展速度。研究表明,在相同平衡压力下,煤岩对CO2的吸附量是CH4的6倍;煤岩饱和CO2后的力学强度明显低于饱和N2的力学强度;煤层注CO2比注N2引起的裂纹扩展速度更大,并且注气压力越高扩展速度越大。该理论成果能够为优化注气的比例及注气压力提供理论指导,并且对防止煤层失稳,保障顺利注气具有重要意义。     

塔里木盆地依奇克里克区块煤层钻井技术研究

塔里木盆地依奇克里克区块地层复杂,钻遇的岩性主要有泥岩、砂岩和煤层,井壁失稳主要发生在侏罗系和三叠系的煤层井段.利用化学分析和力学研究方法,探讨了侏罗系和三叠系煤层的坍塌机理和防塌钻井技术对策.实验结果表明,侏罗系和三叠系煤岩含有较多的亲水基团,煤化程度低,密度低,比表面积大,相对吸水量和比吸水量都很高;煤岩自身的强度较低,吸水后强度会进一步下降,浸泡液类型和围压对煤岩强度有很大的影响.根据煤层坍塌机理,探讨了煤层钻井的防塌技术,优选了适合于煤层的多元醇/KCl钻井液配方.现场应用表明,所确定的防塌钻井技术及多元醇/KCl钻井液能有效地防止煤岩井壁失稳和其他井下复杂情况的发生,确保了钻井安全,提高了钻井时效.     

塔里木煤层坍塌力学机理的实验研究

在钻遇塔里木盆地依奇克里克区块的侏罗系和三叠系煤层时，并壁坍塌十分严重，为了探讨煤层坍塌的力学机理，进行了单轴抗拉强度和三轴抗压强度实验研究。同时，为了优选钻井液体系，研究了流体介质对煤岩强度的影响，并分析了作用机理。     

变应力条件下气体吸附对煤岩渗流特性的影响

煤层气钻采及注气过程中,在外力扰动下煤岩所受到的轴向或环向载荷出现较大幅度的变化,在应力的变化过程中,煤岩内部的孔隙与裂隙处于动态变化过程,导致煤层的渗透率也发生动态变化,且不同气体的渗透率变化规律存在差异。以宁武盆地9号煤层为研究对象,运用自行研制的三轴渗流实验装置,分别利用非吸附性气体氦、吸附性气体甲烷和二氧化碳研究在增加围压过程中渗透率随有效应力的变化,以及增加轴压至煤岩破坏过程中渗透率—应变曲线与应力—应变曲线之间的关系。结果表明,在增加围压的过程中,初始阶段煤样对氦的渗透率最大,其次是甲烷,最后为二氧化碳;随着围压的增加,有效应力增加,渗透率降低;在煤岩轴向加载至破坏过程中,渗透率—应变曲线与应力—应变曲线的变化规律基本一致,但渗透率的变化滞后于应力的变化,且气体的吸附性越强,滞后效应越明显。     

南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

液氮冷冲击作用对煤岩微纳米尺度孔隙结构及力学性质的影响

液氮压裂是提高煤层气储层改造效率的潜在可行性技术之一,而目前对于液氮冷冲击作用下煤岩孔喉连通性及微观渗流特征可视化的研究则较少,致使该作用对煤岩微纳米尺度渗流特征与力学性质的影响机制认识尚不明确。为了给液氮压裂提高煤层气储层改造效率技术提供理论依据,基于CT扫描和原子力显微镜研究了液氮冷浸前、后煤岩微纳米尺度孔隙结构及力学性质的变化,揭示了液氮冷冲击作用对煤岩渗流能力的影响机制。研究结果表明:(1)液氮冷浸后,煤岩孔隙数量和孔隙尺度均增大,本次实验条件下孔隙度增大2倍,微裂缝占主导,微裂缝体积占比由液氮冷浸前的7.7%增至90.0%;(2)基于CT三维孔隙结构重构模型,液氮冷浸后,煤岩喉道数量、总长度、总体积均显著增加,较之于液氮冷浸前,分别增加了1.7倍、1.4倍、1.3倍,煤岩孔隙连通性得以明显改善;(3)液氮冷浸后,煤岩的绝对渗透率显著提高,在实验条件下为液氮冷浸前的77倍,热应力形成的微裂缝成为液氮冷浸后煤岩的主要渗流通道;(4)液氮冷浸后,煤岩基质区域和矿物区域均有孔洞及裂缝形成,煤岩表面粗糙度增加,与此同时煤岩基质区域和矿物区域的弹性模量均有所下降,弹性模量平均值分别降低81%、91%。结论认为,液氮冷冲击作用使得煤岩微观缺陷增多、力学性质劣化;液氮压裂有望成为一种高效、绿色的新型煤层气储层改造技术。     

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煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中，只有当储层压力降低后才可以从基质中解吸出来，煤岩裂隙或割理中多被水充满，而裂隙与割理是煤层中的主要运移通道，煤层气需要通过排水（裂隙或割理）降压（煤岩储层）方式才得以采出，故煤层气的产量受煤岩性质、压力水平和两相渗流特征等多种因素的影响。文章分析认为，影响煤层气井单井产量的主要因素包括煤岩渗透率、孔隙度、吸附能力、含气量、临界解吸压力、相对渗透率等；为提高煤层气井单井产量，必须通过洞穴完井、压裂改造或水平井等方式，改善井底渗流条件，有效地降低井底流压，扩大压力波及范围，增加有效解吸区，扩展两相渗流区范围。为实现煤层气的规模开发，必须深化认识储层特征，结合地质实际，选择合适的开发技术。     

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组岩性对岩石力学特性的影响

以准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组储层岩石为研究对象,基于室内力学试验研究了风城组储层不同岩性岩石的力学行为,从而揭示风城组储层不同岩性岩石的力学特性。在此基础上,讨论了矿物组成对风城组储层岩石强度参数的影响。玛湖凹陷风城组储层岩石具有较强的非均质性,造成不同岩性岩石力学特性存在较明显的差异,其中云质类岩石的力学强度和弹性模量较大而泊松比较小;岩石破坏形式较单一,其中单轴条件下,岩样脆性较强,表现为拉张破坏特征,而高围压条件下,岩样脆性减弱、延性增强,主要表现为单剪切破坏特征;岩石的抗压强度、抗张强度、断裂韧性值随着硅质矿物含量的增加呈减小的趋势,而随着钙质矿物含量的增加呈增大的趋势。      

深部煤层气成藏效应及其耦合关系

深部煤层气是中国非常规天然气勘探的一个新领域。从深部地应力状态转换、深部煤层吸附能力地温场负效应、深部温压下煤岩物理性质特殊性3个方面,分析了深部煤层气成藏的地质条件及其基本原理,论证了深部煤层气成藏效应的特殊性。结果显示：深部地应力状态发生转换的临界深度与水平最大主应力有关,对转换临界深度以深的煤储层渗透率造成不利影响;深部地温场对煤层吸附能力影响的负效应大于地层压力的正效应,造成深部煤层含气量同样存在一个临界深度,不能简单采用浅部梯度予以推测;围压是影响深部煤岩力学性质的主要因素,温度和流体压力对煤岩力学性质的影响更为复杂,它们不同程度地影响到煤储层的孔隙性、渗透性和吸附性。由于煤层围岩渗流能力的差异,深部煤层流体压力系统明显受含煤地层沉积格架的控制,可能导致同一套含煤地层中煤层与非煤储层分属于不同的含气系统。在此基础上,进一步提出了“四步递阶”的深部煤层气成藏效应耦合分析思路,为建立深部煤层气有利区带优选方法提供了基础。     

高温高压作用下致密砂岩三轴压缩试验

为探究温度和围压对四川盆地新场气田须家河组二段致密石英砂岩力学性质和破坏方式的影响,利用MTS815电液伺服控制刚性试验机还原其地下深部高温高压的地质环境进行常规三轴压缩试验。结果表明,温度一定时,试样的三轴抗压强度和弹性模量平均值均随围压增大而增大;围压一定时,随试验温度升高,60℃之前,致密石英砂岩试样的粘聚力呈二次非线性减小,内摩擦角、三轴抗压强度及弹性模量呈非线性增加;60℃之后,各参数变化趋势则与之前相反。60℃是温度-围压共同作用条件下试样力学性质变化的温度节点。在0~100 MPa围压范围、15~150℃温度范围内,致密砂岩试样变形破坏类型取决于温度和围压,围压对岩石强度的影响程度大于温度。按试样破坏过程和破坏方式,可将应力-应变曲线大致分为5种类型,破坏方式包含拉张破坏、剪切破坏、剪胀破坏和拉张-剪切破坏。     

致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法

研究致密碎屑岩储层岩石破裂特征及脆性评价方法对致密油压裂优化设计具有重要意义。文章以辽河盆地沙河街组致密碎屑岩储层为例,开展了不同岩性岩石的三轴压缩实验,分析了宏观破裂行为和压后岩石显微裂缝的发育类型,通过对比常规的弹性参数法和矿物组分法等脆性评价方法,建立了基于三轴压缩破裂过程中能量守恒的新脆性评价方法。实验表明,岩石破裂特征受控于岩石脆性和岩石所处的围压条件。一方面,脆性较强的岩石主要发育穿晶张裂缝,随着脆性程度减弱,裂缝数量逐渐减少,类型则以晶内裂缝为主;另一方面,随着围压增加,压裂后岩石内部微裂缝类型从穿粒张裂缝向晶内裂缝过渡,说明围压极大地抑制了微裂缝的扩展。传统弹性参数法表征的脆性结果与实验描述的脆性破裂特征相反（即脆性指数高,而岩石破裂程度差）,而矿物组分法不能描述不同围压下岩石的脆性程度。本文提出的新脆性评价方法,可以连续地描述岩石从超脆性到韧性变形的力学演化过程,脆性指数不仅与峰前的杨氏模量有关,而且还与峰后应力降梯度（软化模量）有关。利用该方法表征了不同围压下致密砂岩脆性程度,其结果与实验描述岩石脆性破裂特征相符合,证实了方法的可行性。     

渤海湾盆地沾化凹陷陆相页岩储层岩石力学特征及可压裂性研究

页岩储层的岩石力学性质与可压裂性对页岩油气的开发具有重要影响。目前对于陆相页岩的岩石力学特征和可压裂性方面的研究较少。利用X射线衍射和岩石力学实验等方法，测试沾化凹陷沙河街组陆相页岩全岩矿物组分、在不同成熟度、不同围压条件下的抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数，并且对页岩储层的可压裂性进行了分析。页岩矿物成分主要为碳酸盐矿物，平均为44.93%，脆性矿物含量稍高于黏土矿物，分别为30.98%和24.09%；单轴压缩时页岩多为劈裂式破裂，易形成缝网；加围压后破坏形式变为剪切式，抗压强度、杨氏模量和泊松比均增大，可压裂性降低；页岩可压裂性与加热温度，即热成熟度呈正相关。综合考虑页岩矿物成分、力学性质、成岩作用和围压等因素，建立可压裂系数数学模型，可对页岩储层的可压裂性进行定量评价，为压裂选层提供依据。      

考虑吸附、变形的煤层气分阶段流动模型

煤岩具有微孔-中孔-大孔-裂隙多重孔隙结构,中孔-大孔中的煤层气流动规律是连接微孔解吸和裂隙渗流的桥梁,是揭示煤层气解吸-扩散-渗流分阶段产出机理的关键环节。基于受煤岩变形影响的煤层气分阶段产出特征和规律分析,建立煤层气在基质微孔表面解吸、由基质微孔向基质较大孔扩散、在基质较大孔中和裂隙空间中渗流的分阶段流动数学模型,求取裂隙中气-水两相隐式压力显式饱和度有限差分线性方程组,计算出晋试1井煤层气的产出动态,验证了考虑吸附变形的煤层气分阶段流动模型的可靠性,为完善煤层气产出动态分析和预测方法提供了理论依据。     

Hydraulic fracture initiation theory for a horizontal well in a coal seam

A series of experiments were performed to determine rock mechanical parameters related to hydraulic fracturing of coal.The effect of confining pressure and pore pressure on the strength of coal was studied.Experimental results show that the coal seam in the study areas has a relatively low elastic modulus,high Poisson’s ratio,high fragility and is easily broken and compressed.The coal seam is considered as a transversely isotropic medium,since the physical properties in the direction of bedding plane and orthogonal to the bedding plane vary markedly.Based on the generalized plane strain model,stress distribution for an arbitrarily orientated wellbore in the coal seam was determined.In a horizontal well,hydraulic fracturing was found to initiate in the coal seam mass due to tensile failure,or from cleats due to shear or tensile failure.For those coal seams with abundant natural cleats,hydraulic fracture initiation can be induced by any of these mechanisms.In this study,hydraulic fracture initiation criteria for a horizontal well in a coal seam were established.     

保德区块煤层气勘探历程与启示

主要根据地质认识转变、技术发展、钻井数量、勘探成果与产气量,将保德区块煤层气勘探历程划分为4个阶段。对外合作勘探评价阶段,水平井型排采8+9#煤层,产水量大、排液降压困难;井组试采评价阶段,丛式井组合层排采4+5#煤层和8+9#煤层,排水采气效果显现;勘探开发一体化先导试验阶段,优选富集区井网面积降压试采,获得高产突破;大规模开发与滚动扩边评价阶段,有利区规模建产及复杂区滚动扩边勘探,实现年产气量5×10⁸ m³。以地质认识进展和勘探成果为依据,总结了保德区块低阶煤层气气源成因、成藏模式与“甜点”评价对于勘探开发的启示,提出低阶煤层气“热成因气为主、生物成因气补充”、“水动力控气、单斜缓坡成藏”理论,建立低阶煤层气富集“甜点”评价指标体系。以期对低阶煤层气勘探工作具有启迪意义。     

阜康白杨河矿区大倾角厚煤层剩余含气量动态分布特征

新疆准噶尔盆地阜康白杨河矿区煤层厚度大、倾角大,其剩余含气量动态分布规律与常规水平煤层不同。利用数值模拟,构建了大倾角厚煤层压裂直井、裸眼水平井和分段压裂水平井模型,探寻不同井型排采过程中剩余含气量动态变化规律。研究结果表明：排采前期,煤层剩余含气量整体呈以射孔为轴的扇形变化特征;排采中前期,受到气、水重力分异影响,煤层气从深部解吸出来并向浅部运移,造成浅部储集层压力升高,煤层气二次吸附于煤层,浅部含气量升高;排采中期,煤层浅、中部形成吸附—解吸平衡区域;排采中后期,深部解吸气被采出后,储集层压力降低,中、浅部煤层开始新一轮解吸;排采后期,在深部煤层存在明显的高剩余含气量区。     

沁水盆地和顺地区煤层气储层物性特征

在对沁水盆地和顺地区煤层气有利区带的地质资料进行相关分析基础上,采集了不同煤矿井下煤样和顶板盖层样品并进行了超声波测试,初步形成了在地层温度与压力条件下的煤样采集、样品制备及测试分析等基本岩石物理参数测试技术。应用MTS岩石物理参数测试系统对该区煤样进行岩石物理参数测试,获得该区煤层气有利区带储层岩石物理参数测试数据及其分布范围,表明煤层纵横波速度之间具有良好的线性关系,煤样及盖层样在纵横波衰减方面存在-定的差异。煤层的弹性特征与盖层存在明显差异,并具有较强的各向异性和非线性特征,可为岩石物理模型、实际模型的数值模拟和波场特征分析提供依据,也为煤层气的预测提供了-种途径。