吸附性气体对煤岩基质变形和渗透率的影响

为了研究吸附性气体对煤岩基质变形和渗透率的影响,利用CT扫描技术刻画了煤岩吸附CO2后煤岩裂隙空间尺寸的展布特征;采用煤层气吸附/解吸系统,测试了CO2、N2和CH4的吸附/解吸参数;基于煤岩三轴渗流测试系统,测试了不同应力条件下气体渗流特征.研究结果表明:基于CT图像直接观察了煤岩吸附CO2后煤岩裂隙受到基质膨胀而压缩的现象,试样裂隙几何尺寸压缩率为24.10％;揭示了煤岩吸附气体后渗透率降低的两个主要机理,一是煤岩基质膨胀压缩了渗流通道,二是吸附在煤岩颗粒表面的气体分子占据了部分渗流通道;当气体压力小于1.5 MPa时,滑脱效应会夸大气体吸附对煤岩渗透率的影响,并提出了利用非吸附性气体He消除滑脱效应的方法;煤岩吸附气体量越大,渗透率降低程度越大,由大到小依次为CO2、CH4和N2,煤岩渗透率和气体压力呈幂指数关系.研究结果对煤层气提高采收率技术和CO2在煤层中的封存技术具有理论指导意义.     

注二氧化碳提高煤层气采收率实验系统设计

针对我国煤层气开发中存在的产气率低、回采周期长的问题以及CO2排放量大、污染环境严重等现象,研制了一套可以进行煤层气吸附／解吸性能评价及注CO2开采煤层气模拟的实验系统。利用该系统开展了不同气体在煤岩中的吸附／解吸性能评价研究和注CO2开采煤层气效果实验研究。实验结果表明,CO2在煤岩中的吸附量明显高于CH4的吸附量;与自然降压开采相比,注CO2可以提高煤层气的采收率,提高幅度在10％以上。而且随CO2注入量的增加,煤层气采收率增大。     

煤层气气驱吸附及解吸规律实验研究

为研究煤层气的赋存形式和气驱原理,通过实验测量了煤层气注气开采中主要涉及的3种气体CH4、CO2和N2的吸附及解吸量,并利用Langmuir模型和BET模型进行实验处理拟合等温曲线,比较3种气体吸附性的强弱和模型的适用性,得出气驱煤层气的机理。此外,还通过实验研究了注入不同气体后煤岩渗透率的变化情况,定性分析了不同气体驱替煤层气时流量的大小以及不同气体驱替的效果。研究结果表明,开采煤层气时可利用CO2和N2的竞争吸附将煤层气采出,N2具有增渗作用,CO2具有减渗作用。     

小断块油藏CO2、N2单井吞吐强化采油可行性对比研究

针对ZY油田原油注气吞吐的工艺过程,建立了注气吞吐数值模拟模型。应用数值模拟方法对实例井分别用CO2、N2吞吐进行了分析,首先对该井的注气吞吐参数进行敏感性分析,分析了注气周期注入量、注入速度、焖井时间、采液速度等因素对注气吞吐效果的影响,并对CO2、N2吞吐参数进行了对比分析;对优化得到的方案进行注气吞吐生产指标预测对比。开始生产后注N2的日产油比注CO2恢复要快些,但持续的时间没有注CO2的长;注N2的累计采油量和累计增油量都比注CO2的大。通过对比分析表明本井采用N2吞吐所得到的增油量、换油率大于采用CO2吞吐的,因此会获得更好的效益。通过不同注入气不同时期的含油饱和度和压力分布的对比分析得到了造成这种结果的原因。     

煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定

在煤层中钻井时,保持井壁的稳定具有重要意义。为此,利用有限元软件分析了近井壁裂纹尖端的受力状况,比较了尖端与井壁两处应力集中的情况,结果表明,裂纹尖端受力高于井壁的应力集中约一个数量级。从断裂力学的角度,研究了近井壁裂纹的扩展,分析了裂纹扩展在节理煤岩井壁失稳中所起的作用,讨论了裂纹表面闭合、孔隙压力及井壁渗透性等因素对井壁失稳的影响。利用经典断裂力学理论即应力强度因子理论和最大周向应力准则,对近井壁的裂纹进行了抽象建模,建立了煤岩井壁失稳的判据。根据失稳判据,提出拉剪破坏压力和压剪破坏压力的概念,两者分别为节理煤层钻井液密度窗口的上下临界值,两者之间为井壁稳定,两者之外便是井壁失稳。利用山西沁水盆地的岩心数据及现场钻井资料进行了实例计算,基于常规岩石力学方法求出的破裂压力和坍塌压力分别为19.1MPa、6.4MPa,而用所建立的方法得到的上下临界压力为18.1MPa、7.6MPa。由此证明了所建立的方法得到的密度窗口小于前者,与实际情况更加相符。     

水饱和煤岩储层甲烷运移动态特征

为了获取低渗煤层两相流动参数,系统分析了水饱和煤层甲烷运移动态特征。通过水饱和煤样气体运移实验明确了两相流体流动行为,获取了气相渗透率、排驱压力和吸附速率等参数。结果表明:水饱和煤岩中甲烷运移需克服毛细管排驱压力,渗透率越小其值越大;基于压差与排驱压力的大小关系,水饱和煤层中甲烷运移可分为毛细管力控制和扩散控制两个阶段;气体存在损失现象,毛细管力控制阶段甲烷滞留于煤岩孔隙,扩散控制阶段甲烷吸附于煤岩表面;水相降低了气体扩散能力,渗透率越高吸附速率越小。研究成果有助于原地条件下低渗水饱和煤层两相流动参数测试方法的改进,有利于水饱和煤层气藏排采制度优化。     

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.     

注气驱替煤层气的三维多组分流动模型

中国煤层气具有低压、低渗和低饱和的特点,采用常规技术开发效果不理想,注气增产法可使采收率达到90%以上,单井产量提高5倍以上,是一种具有发展前途的增产技术。指出注气后煤层中存在多元气体的相互作用,用常规的二相流动方程不能有效地模拟煤层气注气(N2,CO2)开采过程,这个过程需要煤层气多组分流动方程来描述;在注气驱替过程中还会发生新气体组分的出现和原有组分消失,当注入储层中不存在的气体组分时,新的气体组分就会出现,原先存在于煤层中的某些气体组分可能被完全分离出来而消失。在研究煤层气渗流机理的基础上并考虑这些因素,建立了一个注气驱替煤层气的三维、两相、双孔、全隐式、多组分流动模型。更多还原     

CO2混相驱储层吸气能力预测

为了预测注 CO2时储层吸气能力,为 CO2驱配注及注气参数的优化设计提供理论基础,在前人研究的基础上,建立了二维 CO2混相段塞驱物理模型和数学模型,考虑混相段塞对注气过程的影响,经理论推导建立了 CO2混相驱吸气能力计算模型。模拟计算结果显示: CO2混相驱注入压力与注气速度近似成线性关系,且注入压力越大,注气速度也越大;地层压力呈阶梯状分布,表现为 3个不同的压力梯度,且超临界 CO2区和混相区的压降较小,压力主要消耗在地层原油渗流区;吸气能力随累积注气量和段塞长度的增加而不断增强,吸气指数随累积注气量的增加呈对数型增长,随段塞长度的增大呈线性增长。     

节理煤层井壁稳定性的评价模型

对节理煤层的井壁失稳机理分析表明,近井壁的裂纹受到地应力和裂纹应力的双重影响,比煤岩块体更容易遭到破坏。用应力强度因子描述了裂纹的受力集中程度,利用强度准则构建了裂纹扩展破坏的判据,据此提出了节理煤层井壁稳定评价模型。该模型可以定量判断节理煤层直井或水平井井壁是否稳定,对其他节理地层的井壁失稳评价也具有借鉴意义。应用该模型并结合实例评价了煤储层水平井的井壁稳定,分析了裂纹倾角、井底压力、裂纹长度和井眼半径对应力强度因子的影响。对于节理煤层水平井,随着井底压力的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ呈线性减小,井壁稳定性变好;随着裂纹长度的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ也显著增加,井壁稳定性变差;裂纹倾角增大,应力强度因子K_Ⅰ减小,而K_Ⅱ增加,裂纹的抗张能力增强,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。当井径增加时,K_Ⅱ增加,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。节理煤层中井眼存在尺寸效应,煤岩中存在裂纹是其重要原因。裂纹与井径的比值越大,尺寸效应越明显。     

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文章通过对长焰煤、气煤、焦煤和无烟煤分别吸附CH₄、N₂和CO₂单组分气体的研究,探讨了不同煤级煤吸附3种单组分气体的特征以及相互间的差异性,发现CO₂/CH₄和CH₄/N₂值随煤级和平衡压力的变化而变化,并非简单的2倍关系。之后评价了几种常用吸附模型模拟煤吸附不同气体的效果,所选模型包括Langmuir方程、BET方程、D—A方程和D—R方程,优选出了更适合于描述煤吸附气体行为的吸附模型。研究结果表明,n=1时的D—A方程更适合于描述煤吸附CH4行为,Frendulich方程和Henry方程则适合于描述低煤级煤吸附N₂行为,而所选用的模型都不能合理解释无烟煤吸附CO₂的等温线在高压时出现的上翘现象。研究成果在煤层气的资源评价、产能预测、注气提高煤层气采收率技术以及CO₂在煤层中的封存技术等领域具有一定的科学意义。     

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民和盆地构造位置处于祁连山褶皱系东部，是一个中新生代发展起来的断、坳山间盆地。盆地中西部中侏罗统窑街组蕴藏着丰富的煤炭资源，煤层气局部富集于窑街、炭山岭煤田。煤岩有机地球化学及煤层甲烷碳同位素研究表明，该区煤层气具有油型与煤型混合气特征。煤层气分布具有明显的分带现象，由浅到深分别为ＣＯ２—Ｎ２带、Ｎ２带、Ｎ２—ＣＨ４带、ＣＨ４带。煤层气富集主要受煤的变质程度，顶、底板岩性，出露程度，埋藏深度及构造等因素的控制，且多分布于背斜、断块等构造的高部位。     

深部煤岩防塌钻井液密度的计算

受煤阶和地应力的双重影响,深部地层煤岩井壁失稳可能与其自身岩石力学性质有关.在这种情况下,由于煤层气含量大小对煤岩变形破坏及力学响应的作用和弹性力学自身的缺陷,防塌钻井液密度的计算会产生误差.研究表明,这种误差跟游离气和吸附气的双重影响有关,往往受孔隙流体压力大小的控制,压力越大,影响越明显.在深部高孔隙流体压力地层环境下,这种影响不容忽略.文中采用经典混合物理论的本构建模方法,揭示了含气煤总应力与孔隙压力、孔隙率、气体的等温吸附特征、固相煤骨架弹性模量、泊松比之间的关系,用其可以定量求出孔隙流体压力对于深部煤岩岩石力学性质的影响,继而可精确计算出钻进深部煤层防塌钻井液密度.     

气体钻井中泥页岩地层遇水时的井壁稳定性研究

常规钻井液钻井中,水在正压差、毛管力和化学势等作用下进入泥页岩发生井壁失稳,而气体钻井除了自身的力学失稳外,主要在毛管力作用下吸收下部地层水造成泥页岩地层井壁失稳。因此,随着气体钻井技术的发展,在钻遇下部地层出水后,泥页岩地层的井壁失稳机理值得研究。从分析气体钻井条件下泥页岩吸水扩散系数、吸水膨胀系数和吸水后的力学参数变化入手,结合建立的力学化学耦合模型,紧紧抓住气体钻井和水基钻井液钻井的不同点,使得该模型能较好地运用到气体钻井泥页岩井壁稳定性的分析中,并通过DY1井气体钻井实践验证了文中的模型。     

页岩气井体积压裂条件下的水泥环界面裂缝扩展

射孔会对井筒完整性造成局部损伤,尤其是导致水泥环本体破坏以及第一界面(套管-水泥环界面)、第二界面(水泥环-围岩界面)的胶结脱离、微环隙等,在后期页岩气水平井体积压裂过程中,由于高压流体的注入,界面微环隙将会加剧甚至发生裂缝扩展,影响封固性能。针对这一问题,建立了界面裂缝扩展数学模型,通过流体连续性方程、泊肃叶定律和净压力与缝宽弹性关系以及边界条件联立得到非线性偏微分方程组,利用对控制方程无因次化的方法求得自相似解。使用该模型对现场算例进行了计算,并分析了各参数对界面裂缝长度的影响。研究结果表明:适当提高水泥环弹性模量,适当降低井口压力和压裂时间有利于减小界面裂缝扩展长度,有利于保障水泥环长期有效封固。研究结果能够对页岩气井体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测,同时在满足油气开采要求的前提下,对相邻射孔段间距的优选,也具有一定的指导意义。     

不同煤级煤对二元混合气体的吸附研究

通过长焰煤、焦煤和无烟煤对CH₄,N₂,CO₂单组分和6种不同配比浓度(80%CH₄+20%CO₂,50%CH₄+50%CO₂,20%CH₄+80%CO₂,80%CH₄+20%N₂,50%CH₄+50%N₂和20%CH₄+80%N₂)二元混合气的等温吸附实验研究,探讨了3种不同煤级煤对单组分气体和不同配比二元混合气体的吸附特征。结合煤层气勘探试验井的实测气含量、储层压力等资料,对纯甲烷气体和二元混合气体等温吸附实验结果进行了实例分析,解释了实际生产中出现的含气饱和度出现过饱和达110%的异常现象,认为根据不同地区、不同组分的煤层气,配制与其相同的混合气来进行吸附实验,才能提供更接近实际情况的吸附参数和吸附等温曲线。      

核磁共振T_2谱构建页岩储层孔隙结构研究——以张家界柑子坪地区下寒武统牛蹄塘组的页岩为例

针对页岩储层低孔低渗、非均质性较强的特点,通过联合应用压汞法与气体吸附法,分段构建实验条件下页岩的孔隙分布,其中宏孔部分由高压压汞实验计算,微介孔部分通过N2气体吸附实验再由BJH方程换算。借助于低磁场核磁共振岩样分析仪,从页岩核磁共振T_2谱响应特征出发,将研究区页岩样品T_2谱分为3种类型,构建了T_2谱与压汞-气体吸附联合法建立的页岩孔隙分布的幂函数关系。通过岩样样品的核磁共振T_2谱与实验测得孔隙分布的幂函数拟合,发现各样品T_2谱拟合的孔隙分布与实验测得孔隙分布相关系数均较高,各岩块样品对应参数数值均较为接近,适合研究区应用,由此建立了研究区牛蹄塘组的页岩核磁共振T_2谱与孔隙半径对应关系。     

绒囊流体控制煤岩储层水力裂缝形态研究

煤岩储层水力裂缝易随割理和天然裂缝转向延伸,致使水力裂缝形态不规则且横向延伸较短。欲采用绒囊流体作为压裂液,在压裂过程中暂堵割理和天然裂缝,使压力向垂直于井筒的方向传递,从而形成规则长缝。室内测试绒囊压裂流体暂堵煤岩柱塞剖缝承压能力18 MPa,能够阻止裂缝向割理和天然裂缝方向偏转;绒囊压裂流体伤害煤基质渗透率恢复值86%,满足压后产气要求;φ0.9 mm陶粒在绒囊压裂流体中的沉降速率0.003 cm/s,满足携砂要求。X井压裂现场配制绒囊压裂流体520 m3,采用井筒加砂分隔的方式分层压裂山西组和太原组煤层。绒囊携砂液泵注过程中,施工压力稳定在14.64~15.99 MPa之间,表明水力裂缝延伸过程中未出现堵塞和转向。压后模拟发现,太原组缝长155.7 m,缝高41.3 m;山西组缝长163.9 m,缝高47.5 m。因此,绒囊流体能够作为压裂液形成规则长缝,解决了煤岩储层造缝不理想的难题。