淮南潘集矿区煤层气储层特征与勘探选区研究

淮南潘集区上、下石盒子组煤储层的煤级Rm^m为0．8～0．9％，煤灰分为13．7～18．6％，含气量为8-10m^3／t，含气饱和度P临／P初为0．4左右。各主要煤储层的孔(微裂)隙度为0．022～4．3％。内生裂隙线密度为8～20条／50mm，裂隙缝高2～5mm，裂隙张开度为5％左右。发育内生裂隙的载体占全部煤的比例为3～15％。各主要煤层的裸眼渗透率均小于lmd。本区近海三角州聚煤环境下形成的煤中，孔隙与微裂隙欠发育，煤层中可以产生内生裂隙载体的比例偏低。煤储层之上连续沉积层的残留厚度薄以及没有二次叠加变质作用是造成煤储层内含气量低，严重欠饱和的主要原因。聚煤沉积环境(即煤相)和煤级及其煤变质作用是导致煤储层低渗的最根本的原因。淮南煤田煤层气勘探选区应选择含气量较高，煤级较高和煤储层之上有效覆盖层厚度较大的东南部。在目的层的选择上更应注意山西组Al煤和下石盒子,下部煤层。     

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。     

寺河矿区压裂煤储层中裂缝与流动通道模型

为阐明流体在压裂煤储层中的流动路径,确立流体的流动通道几何模型,对寺河矿区多口压裂煤层气井进行了跟踪开挖解剖研究,认为压裂煤储层中不同成因裂隙因各自空间尺度、密度、分布特征以及与煤基质的接触面积差异,对流体流动的影响各不相同,裂隙的组合方式控制了压降的传递.研究结果表明:在绝大多数水平铺砂压裂裂缝的最前端,存在一段压开未铺砂的压裂裂缝;在单一煤岩分层中,发育线密度8～11条/5cm的内生裂隙局部密集发育带,线密度3～5条/5cm的气胀节理局部密集发育带,不同煤岩分层内的内生裂隙常被外生裂隙或者气胀节理串联;与压裂裂缝连接的天然裂隙存在明显的压裂液挤压、扩张痕迹.根据裂缝空间分布与组合关系,发现存在由内生裂隙、气胀节理、外生裂隙、压裂裂缝组成的2种基本通道类型.煤基质块中的流体通过内生裂隙密集发育带进入流动通道,气胀节理密集发育带和外生裂隙以及压裂裂缝是流体流动的通道;煤基质块对通道的流体补给速率与通道自身的导流能力,决定了通道内的压降传递效率.     

基于SHPB实验的煤层气井固井水泥冲击能量耗散特征研究

煤层气井射孔环节固井水泥冲击破坏是制约井筒完整性与层间封隔能力的关键,查明固井水泥冲击破坏中的能量耗散特征对优化气井固井水泥体系、改进射孔工艺参数具有实际意义.本研究利用分离式霍普金森压杆装置对煤层气井普通固井水泥、纤维固井水泥试样进行高速冲击加载,结合能量耗散理论对两类固井水泥材料在高速冲击中的能量时程演化、能量分配关系及能量吸收效率影响因素等进行研究,结合试样动态破坏形式特征探讨了冲击能量与材料破坏间的关系.结果表明:(1)相对普通固井水泥,纤维固井水泥吸收能达到平衡较晚,说明普通固井水泥脆断后能量需求减弱,纤维固井水泥由于韧性断裂不彻底后期能量需求依然较高;(2)普通固井水泥冲击破坏形式为脆性破碎,而纤维固井水泥则呈现出均匀断裂破坏特征,纤维增韧效果显著;(3)纤维固井水泥通过界面解离和纤维拉拔效应提升了冲击能量吸收效率,试样破坏程度相对较轻;(4)固井水泥材料冲击下的能量分配与材料结构和强度演化、外部加载条件的量化关系问题值得跟踪关注.     

煤粉源集合体对水力压裂效果的影响

煤粉颗粒在压裂液中发生"造浆"及"聚集"作用是影响煤层气藏水力压裂效果的关键.构造煤粉源集合体对压裂效果影响显著,研究结果表明:原位状态下,煤粉以构造煤粉源和原生裂缝煤粉源集合体两种形式赋存.前者体积在20~30m3之间,呈顺层和断层两种产状,其明显受煤储层小微构造的控制;后者规模很小,主要分布在内生裂隙缝间,其受煤变质程度和煤岩类型影响.煤层气完井期间,井筒附近构造煤坍塌扩径,构造煤粉源卸压膨胀,煤粉颗粒启动难度降低;压裂期间,在压裂液动压、紊流搅动作用下,煤粉颗粒均匀混合在流体中形成浆体;排采期间,回排的压裂液中煤粉含量较高,导致气井近井部位压裂裂缝及炮眼较早地堵塞,气井减产.而原生裂缝内煤粉在压裂液中通过颗粒疏水相互作用发生聚集,在压裂裂缝内形成堵塞,但堵塞程度较轻.稳定压裂液注入排量、减小流速,利用煤储层小微构造解剖技术预测构造煤粉源集合体发育部位能够降低近井部位堵塞的风险,改善水力压裂效果.     

东胜煤田补连塔矿煤物理力学特性试验研究

详细研究了东胜煤田补连塔矿煤的岩石组成、内生裂隙及外生节理的发育特征。测试了煤的抗压强度、抗拉强度及载荷位移全过程曲线。东胜煤田褐煤的力学强度较中国其它地区褐煤高，煤的物理力学特性呈十分明显的各向异性，煤的物理力学特性与应力条件有关。     

沁南地区煤体结构对煤层气开发的影响

为了研究煤体结构对煤层气开发的影响,对比了沁南地区3号煤层中原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等不同煤体结构的钻井、压裂、排采资料,并对部分煤矿进行了井下观测分析。研究发现煤体结构越破碎,井壁稳定性越差,井径、抽采孔钻屑量越大,同时,储层污染范围与井径大致呈正相关关系;碎粒煤及糜棱煤发育处,井筒周围形成厚层的水泥环,水力压裂初始施工压力将快速上升,导致水泥环破裂,同时压裂液的大量滤失会降低压裂裂缝的延伸范围,甚至导致砂堵等工程问题;在排采过程中,煤层水及煤层气均有携带煤粉的能力,易造成排采通道的堵塞,导致气井产能迅速降低,同时也容易造成裂缝闭合,降低解吸范围,煤体结构越破碎,煤粉产出越多,裂缝闭合越严重。     

煤层气井两相流多参数探测技术

为充分认识煤层气排采过程中井筒气水两相流参数变化特征及流动规律,研制了煤层气井流体参数监测仪。该监测仪可对煤层气垂直井下油套环形空间气水两相流体压力、温度、液位、流速、密度分布以及气泡形态进行实时监测,为预测井下流体参数变化特征,研究气藏及井筒气水两相流动规律提供实测值。从监测仪的原理与结构出发,建立了井筒两相流关键参数(密度分布、气泡形态、流速)的探测方法。基于此,煤层气井流体参数监测仪在煤层气/页岩气排采,智能调控排采工况方面具有应用前景。     

压痕法评价煤层气井固井水泥石断裂力学性质

深部煤层气井高压注入压裂、水平井分段压裂、CO_2地质封存等复杂工况对井筒环空封隔能力提出了更高的要求。为了探究煤层气井固井水泥石本体破坏原貌特征、水泥石断裂力学性质对环空封隔失效的影响,通过实地解剖沁水盆地晋城矿区煤层气井的固井情况,基本查明了煤层气井井筒环空水泥环的破坏情况,并利用压痕法(IM)对该矿区煤层气井固井水泥石原样进行维氏硬度、断裂韧度的实验测试,研究其在不同载荷下的变化规律。研究结果表明:①该区煤层气井井筒封隔失效的主要形式包括固井水泥环的第一、第二界面的开裂形成流体通道,以及水泥环本体脆性断裂形成高角度垂向裂缝和断块体;②水泥石的高脆性导致硬度随载荷增加先降低再升高,现用固井水泥浆体系的高脆性是其在射孔、压裂环节封隔失效的关键内在因素;③断裂韧度随着载荷的增大逐渐升高,后期维持在0.71 MPa·m~(1/2),抗裂性能较差;④射孔冲击在水泥石中形成辐射裂纹,压裂期间高压流体的挤注导致射孔辐射裂纹失稳扩展并形成垂向裂缝窜槽和断块。结论认为,采用抗冲击型高韧性复合水泥可以控制射孔阶段固井水泥石的辐射裂纹尺寸,有利于防止煤层气井井筒环空封隔失效。