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.     

寺河3号煤甲烷吸附解吸热力学特征

为研究煤层气排采过程CH4解吸内在热力学特征及水蒸汽在排水降压产气过程中的作用机理,在20,25,30,35,40℃五个温度点对寺河3号无烟煤(WY)进行等温吸附解吸实验,利用Clausius-Clapeyron方程计算等量吸附热和极限吸附热。结果表明,升压(吸附)过程和降压(解吸)过程极限吸附热分别为23.31 kJ/mol和24.02 kJ/mol,属于物理吸附,但后者大于前者。从热力学角度看,吸附解吸平衡体系中,降压不足以导致煤层甲烷解吸,但降压促使液态水在煤孔隙中形成局部低压,水分子汽化,水蒸汽分子在煤孔隙表面吸附产生的吸附热约为40 kJ/mol,远大于甲烷吸附热,水蒸汽吸附置换煤孔隙表面吸附的甲烷,最终导致甲烷解吸。     

致密砂岩Ⅰ型断裂行为的温度效应研究

致密砂岩裂缝复杂程度对于提升致密气储层压裂改造效率、增大资源动用程度具有实际意义。本文利用三点弯曲加载手段结合SEM分析对致密砂岩半圆弯曲(SCB)试样在室温、液氮低温条件下的力学特性、断裂行为、断裂路径规律及断裂能特征进行表征,讨论液氮低温作用下的致密砂岩预裂机制。研究结果表明:①液氮低温处理后致密砂岩试样断裂荷载、断裂韧度较室温状态均明显降低,而层理平行加载方位试样上参数略有增大,推测与液氮低温对层理面增强有关;②液氮低温处理后试样裂缝扩展路径复杂度提升,裂缝条数增多并出现裂缝分叉汇聚等现象,液氮预裂对致密砂岩断裂复杂度提升效果显著;③液氮预裂后致密砂岩断裂能显著降低,最大降幅达46.98 %;④室温下致密砂岩断裂路径主要沿矿物晶界发展,形成沿晶裂缝,岩石改造程度低;液氮低温处理后砂岩试样以沿晶断裂、穿晶断裂及颗粒断裂形成复杂裂缝形式,促进了穿晶裂缝与复杂缝网形成。综上,致密砂岩储层压裂中低温预处理能有效降低储层破裂压力,实现裂缝端部岩石韧-脆转换,提升压裂裂缝复杂程度。     

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。     

煤层气近井煤缝壁面滤饼的结构与硬度特征及工程意义

煤层气近井部位钻完井液侵入形成的煤缝壁面滤饼结构,对压裂裂缝的起裂和延展具有较为复杂的制约关系。为了弄清煤缝壁面滤饼的结构与力学性状及其对压裂裂缝起裂延展的控制作用机制,基于矿井解剖、界面区微观结构SEM及元素EDS分析、矿相XRD测试以及界面硬度压痕法试验等手段,分析研究了煤层气近井煤缝壁面滤饼的组合方式、界面搭接结构、界面力学性状等制约压裂裂缝延展的关键因素。研究结果表明:①煤层气近井煤缝壁面与滤饼界面主要有煤岩—固井水泥滤饼搭接型、固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩搭接型两种形式,前者界面结合相对更为紧密;②上述两种滤饼界面区的基材没有发生显著的物理化学变化,界面清晰、分界明显,均属于惰性接触界面;③压痕结果显示,煤岩—固井水泥滤饼搭接型界面材料维氏硬度规律为固井水泥滤饼煤岩搭接界面,而固井水泥滤饼—钻完井液滤饼—煤岩搭接型界面材料维氏硬度规律为固井水泥滤饼钻完井液滤饼搭接界面,硬度值能够较好地指示界面组合中的力学薄弱面;④从矿井解剖现场采集的样品证实,水力压裂期间压裂裂缝优先突破煤岩—钻完井液滤饼的界面。结论认为,该研究成果可以为煤储层水力压裂裂缝延展机制理论深化、压裂裂缝起裂延展模式的精准构筑、压裂效果评价等提供新的思路。     

晋城煤层气井产能的地质控制因素分析

以研究煤储层物性非均质性,识别煤层气藏类型为切入点,分析产能与煤层气藏类型之间的关系,发现高产井（>3000 m³/d）主要分布在富集高渗煤层气藏内,中产井（1500～3000 m³/d）主要分布在高饱和度低渗透煤层气藏内,而高渗透率低饱和度煤层气藏和低渗透率中低饱和度煤层气藏这2类气藏,受渗透率和含气量制约,其煤层气井产能一般偏低。     

海/陆相页岩微观力学性质压痕测试研究

页岩微观力学性质对页岩油气储层钻井、完井、压裂改造具有关键影响。利用X射线衍射、微观结构扫描电镜及压痕测试等手段对四川盆地海相页岩和内蒙古石拐盆地陆相页岩进行研究,结果表明：海相页岩由石英、方解石、白云石及黄铁矿等自生矿物组成,微观结构较为致密,维氏硬度平均值为2.43 kN/mm2,岩石坚硬、刚度大,储层破裂压力较高;陆相页岩由石英、钠长石、高岭石和蒙脱石等外源矿物组成,黏土矿物含量高是其显著特征,粒间孔隙发育,结构相对疏松,其维氏硬度平均值为0.80 kN/mm2,储层破裂压力较低。海相页岩不同方向上压痕位移差异大,易形成辐射裂缝（纹）,其脆性强,储层压裂可采取低裂缝净压力以减小裂缝后期回弹;而陆相页岩不同方向上压痕位移相似且不易形成辐射裂缝,其脆性弱,储层压裂可考虑高裂缝净压力加载,以保障压裂裂缝残余宽度。     

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。     

固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响

目前针对于煤层气井近井部位固井水泥浆侵入的方式和形态规模、固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响机制及其与煤层气井开采效果的内在关联方面的研究较少。为了深化煤储层压裂裂缝延展理论并给煤层气井水力压裂施工方案优化提供支撑,选取沁水盆地煤储层中基质—裂隙发育组合迥异的区块,对部署在不同部位气井的固井水泥浆侵入方式和水泥环形态规模进行了系统刻画,分析了不同固井水泥浆侵入方式下的压裂力学判据,针对深部气井难于开挖解剖其固井水泥浆侵入特征的实际问题,提出了破裂压力当量的定义,在此基础上,对郑庄区块39口煤层气井的压裂排采数据进行了分析,总结了固井水泥浆不同侵入方式对煤层气井压裂、排采的影响。研究结果表明:①煤层气井固井水泥浆的侵入方式包含固井水泥浆正常充注型(硬煤基质)、加厚型(构造煤)及煤岩—水泥胶结界面型(硬煤裂隙带)等3种;②由破裂压力当量(pt)小于1.50 MPa,固井水泥浆均匀充注在气井井眼—套管环空,可以判断气井位于硬煤基质;由pt介于1.50～9.00 MPa,固井水泥浆沿井壁构造节理缝挤侵入储层内形成胶结滤饼,可以判断气井位于硬煤裂隙带;由pt大于9.00 MPa,固井水泥在井眼环空垮塌空间加厚形成纺锤体,可以判断气井位于构造煤;③位于硬煤基质的气井在排采期间气井产气量缓慢增加到峰值,并可在峰值部位稳产较长时间,而后产气量缓慢下降,位于构造煤的气井在排采初期很快见产,随后产气量迅速衰减,硬煤裂隙带气井在排采初期产气量快速上升并达到峰值,但稳产时间较短,而后产气量缓慢下降。     

中国煤层气产业发展障碍及其对策

受全球经济增长速度放缓、能源价格低迷等诸多因素的影响,中国煤层气(煤矿瓦斯)年度抽采量及其增量的增长速度均放缓。为了加快煤层气产业发展步伐、夯实煤矿安全生产基础、推进我国能源生产和消费革命,从全球视野和大能源的角度分析了我国煤层气产业的发展资源、技术、市场条件及发展环境,剖析了制约我国煤层气产业发展的障碍,探讨了加快我国煤层气产业发展的对策。研究结果表明:①国内外宏观经济下行的大环境一定程度上导致了我国煤层气资源勘探、产能建设投资锐减;②煤层气产业发展受到政策激励效应弱化、产业缺乏投融资政策、地方政府积极性不高以及土地征用难、赔青不透明等外部因素的制约;③煤层气产业受到工程质量低下、开发项目经济效益不佳以及资源欠佳且技术移植难等来自产业内部的磕绊。结论认为:科学制定产业发展模式、理顺资源监管体制机制、搭建优质的政府服务平台、适时加强政策扶持力度以及调动地方政府的积极性,能够有效清除我国煤层气产业发展的障碍,加快煤层气产业发展的步伐。