柿庄南区块煤储层地应力和破裂压力特征及其耦合关系

以柿庄南区块112口煤层气井为研究对象,采用水力压裂法计算煤储层地应力,获取了研究区地应力及破裂压力展布特征,分别建立了破裂压力与水平主应力、有效应力之间的相关模型,揭示了该区块3号煤储层地应力与破裂压力之间的耦合关系,并剖析了地应力对破裂压力的影响。研究结果表明：柿庄南区块3号煤储层整体为中等至高应力区,地应力场类型在垂向上发生转换,埋深400～640 m区域以逆断层应力场型为主,640～810 m区域以走滑断层应力场型为主,810 m以深区域以正断层应力场型为主;侧压系数一般为0.38～1.99,埋深600 m以浅区域,绝大多数大于1,埋深600～800 m区域,侧压系数为0.52～1.93,埋深800 m以深区域,侧压系数均小于1;该区块破裂压力为12.89～36.10 MPa,破裂压力梯度为1.47～6.09 MPa/hm,破裂压力与埋深呈现反“S”形变化,810 m以浅破裂压力离散性较大,整体与埋深呈现负相关,810 m以深破裂压力与埋深呈现正相关;该区块最大水平主应力、最小水平主应力及其各自应力梯度与煤储层破裂压力在一定程度上呈现正相关,但相关性不强;同一埋深条件下,破裂压...     

地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响

以晋城矿区西部3号煤层的地应力及煤岩的力学性质数据为基础,采用数值模拟方法求解了不同地应力条件下井壁处及天然裂缝缝端的破裂压力,分析了地应力对水力压裂起裂压力、起裂位置的影响。研究发现:起裂压力和起裂位置不但与地应力方位有关,而且与地应力大小有关;随水平主应力差系数增大,天然裂缝与最大水平主应力间的夹角对破裂压力的影响程度增大。对于晋城矿区西部3号煤层,当水平主应力差系数大于0.84时,易产生较为平直的水力主缝;小于0.47时,易于产生网状裂缝;在0.47~0.84时,起裂方位与天然裂缝的分布有关。不同地区,用于判断起裂方位的水平主应力差系数不同。     

煤储层破裂压力对压裂改造的影响与工程应用

我国煤储层渗透率普遍较低,低渗储层直接进行地面煤层气开发的效益较低,而水力压裂是增加煤储层渗透率和导流能力的有效手段。通过对沁水盆地PN-1井、PN-2井的测井参数进行分析,掌握煤储层的岩石力学特征,为煤储层水力压裂参数优化提供指导。结果表明：2口井的测井数据反演的煤层具有低泊松比、低杨氏模量、低强度、低破裂压力的特点;通过在前置液阶段控制施工排量及施工压力、提高阶段液量,可以有效避免压裂裂缝沿煤层顶底板之间的层间界面延伸及扩展至煤层顶底板;测井数据反演的PN-1井煤层破裂压力与实际压裂施工的破裂压力较接近,误差仅为3.01%,对压裂施工参数优化的指导意义较高;PN-2井煤层破裂压力略低于顶底板岩层的破裂压力,压裂初期的施工排量偏高,导致施工压力达到顶底板的破裂压力,压裂裂缝在顶底板之间延伸形成单一裂缝,改造效果及产气效果均较差。     

高河3号煤储层压力分布规律及影响因素研究

储层压力决定着煤层气在煤层中的赋存状态,是煤层气开发中的能量因子。根据获得的高河井田3号煤储层压力,归纳出储层压力的分布规律:北高南低,西高东低。通过对影响储层压力因素的分析,得出控制高河井田储层压力分布的主要因素是煤层埋深,部分区域受地质构造或水文地质条件的影响显著。提出了分析影响矿井储层压力大小的主要因素要从区域地质上入手,并分析出导致该井田储层压力低的主要原因是生烃作用停止、地层整体抬升,上覆岩层大量剥蚀,应力释放,煤层气大量逸散。     

煤储层天然裂隙系统对水力压裂裂缝扩展形态的影响分析

煤储层压裂改造过程中,天然裂隙系统对压裂裂缝的开启和延展具有重要影响。通过对沁水盆地寺河、成庄和新元煤矿21口地面煤层气井的井下精细解剖,描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型,并阐明了二者之间的作用关系。结果表明,煤储层中天然裂隙系统根据成因和规模分为层面裂隙、外生节理、气胀节理、内生裂隙、层理裂隙和微裂隙,且按照裂隙规模和导流能力将其分为4个级别。井下观测的压裂支撑裂缝主要与规模较大的一级天然层面裂隙和外生节理有关,伴生次级天然裂隙对压裂裂缝的扩展影响较小。压裂裂缝主要形态包括垂直裂缝、水平裂缝、"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等4种,其中,水平压裂裂缝受顶底板和煤层间层面裂隙、宏观煤岩类型间层面裂隙以及构造煤分层的控制。垂直压裂裂缝扩展方向具有选择性,受最大主应力和天然裂隙的共同作用,研究区的最大主应力方向与天然裂隙优势方位间的夹角小于临界夹角,因此垂直压裂裂缝主要沿着煤层外生节理扩展。"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等复合压裂裂缝形态还受到煤层结构和煤体结构等的共同制约。此外,考虑到天然裂隙对煤岩强度的影响,提出压裂裂缝启裂方向为地应力与煤岩结合力之和最小值的...     

新集矿区煤储层渗透性与地应力关系研究

根据水力压裂法对新集矿区山西组的S5、S9测孔的原地应力进行测试,研究煤储层的地应力分布规律,建立煤储层地应力与煤层埋藏深度的关系模型;通过对煤岩体内裂隙随正应力的变形研究,建立三维渗透率-地应力关系模型。为煤层气勘探与开发提供理论指导。     

压裂裂缝对页岩储层压力影响模拟研究

基于双重介质模型,建立页岩气流固耦合渗流模型。模型考虑了储层压力改变对裂缝和基质渗透率的影响,通过COMSOL Multiphysics软件建立页岩气多段压裂开采物理模型并进行求解,模拟页岩气开采过程中气体流动。通过改变压裂裂缝参数,观察页岩储层压力的变化。     

地应力和储层压力对煤层气地面预抽影响的数值模拟研究

为分析煤层气地面预抽效果影响规律,采用Comsol数值模拟软件,对在不同工况的地应力和储层压力条件下煤层气地面预抽进行数值模拟研究,结果表明：随着煤层中地应力增大,煤层基质孔隙率下降、裂隙趋于闭合,致使煤层渗透率降低,减小了气体在孔隙和裂隙中的渗流速率,最终导致瓦斯产出速率和产气量的下降;储层压力与煤层气产出速率呈正相关关系,储层压力越大,瓦斯产出率越高同时累计产气量也越高;随着瓦斯抽采时间增加,煤层渗透率逐渐增大,且储层压力越大煤层渗透率变化越明显。     

鄂尔多斯盆地柳林地区煤储层地应力场特征及其对裂隙的控制作用

为系统研究柳林地区煤储层地应力场展布及其对裂隙的控制作用,分析不同埋深煤层与地应力的关系,采用水力致裂法获取了地应力资料。通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系模型,分析了露头节理、煤层割理与现今地应力方向的耦合关系。研究表明:柳林地区最大水平主应力σmax为7.33~30.83 MPa,平均19.41 MPa,最小水平主应力σmin为6.50~24.00 MPa,平均13.12 MPa,主应力随埋深增大而线性增高。在埋深400~700 m,垂直应力σv≈σmax≈σmin,地层呈现准静水压力场特点;在700~850 m,σmaxσvσmin,为大地动力场型,水平方向主应力占主导地位;在850~1 100 m,σvσmaxσmin,为大地静力场型,仍未进入明显压缩带。水力压裂地应力检测表明现今主应力方向与煤层裂隙方向相近,以NNE向为主,地应力方向在割理形成后未发生明显改变。     

地应力对煤层气勘探与开发的影响

地应力是指岩土体内一点固有的应力状态, 煤层气是一种以吸附状态为主储存于煤层及其围岩中的非常规天然气。我国煤层气勘探与开发还处于初级阶段,而地应力对煤层勘探与开发有十分显著的影响,其影响主要包括以下三个方面：（1）地应力对煤储层渗透性、储层压力的影响;（2）地应力对煤层气的吸附、解吸、扩散和渗流的影响。地应力增加,储层压力增大,煤层吸附气体的量增多,但渗透率降低,给煤储层的排水、降压及煤层气的解吸、运移、产出造成一定困难;（3）地应力对天然裂缝目前在地下的附存状态及有效性,以及人工压裂裂缝的形态和延伸方向的影响等。所以十分有必要系统论述地应力对煤层气勘探与开发的影响。     

非常规油气储层天然裂缝研究方法及其适用性

非常规油气储层天然裂缝发育控制因素复杂,增加了裂缝研究的难度。针对这个问题,开展了天然裂缝的研究方法及其适用性的研究。结果表明:目前对天然裂缝的研究主要集中在裂缝的精细表征、识别和预测三个方面,其中裂缝识别和预测是难点。裂缝识别主要采用地震和测井两种方法,地震方法受精度限制主要适用于断裂构造发育相关的天然裂缝识别,需结合其他方法综合识别;成像测井和核磁测井能够直接识别裂缝,其他几种常规测井方法对微小裂缝响应微弱,也需要结合其他手段辅助识别。裂缝预测方法主要包括地质方法、地球物理方法、数值模拟方法及综合预测方法。地质方法能实现裂缝的定性预测;地球物理方法能反映大尺度裂缝分布规律;数值模拟法能半定量-定量预测裂缝分布规律,但预测结果受模型和算法选择影响较大;综合预测方法是裂缝预测方法的主要发展趋势,它将多种预测方法相结合,预测效果较好。研究成果为非常规储层天然裂缝研究提供了重要参考。     

螺旋钻采煤机钻头固有特性研究

为了给螺旋钻采煤机钻头的设计及改进提供参考依据,在对钻头的载荷波动频率进行理论分析基础上,采用有限元法对钻头的固有特性进行了仿真研究。提取了钻头的前六阶固有频率和振型,并对其进行分析,分析表明:钻头截割载荷的最高波动频率远低于钻头最小固有频率,该载荷不易激起钻头的共振;钻头各阶振型主要表现为钻头前部端盘和肋板的振动,进行钻头设计时,应提高该部分的刚度和强度;钻头沿垂直于轴线方向的摆动和扭转振型会严重影响钻头的定向钻进性能,设计时应重点避免。     

煤割理压缩实验及渗透率数值模拟

基于煤割理压缩实验,建立了应力与割理宽度之间的数学模型,通过对山西沁水盆地中－南部煤储层现代地应力的数值模拟,借鉴裂隙岩体渗透率张量公式,结合浅部煤割理观测资料,对该区深部煤储层渗透率进行了预测。     

煤层瓦斯含量与瓦斯压力反算关系研究

通过对煤层瓦斯压力产生原因及瓦斯储层研究,确定了煤层中瓦斯压力(含残余瓦斯压力)与瓦斯含量(包括参与瓦斯含量)的关系,煤层保持完整或较完整状态时煤层瓦斯压力可以与瓦斯含量采用朗格缪尔方程互相反算,煤层处于破碎离散状态时,则煤层以块状呈现,煤层中存在瓦斯含量但相对瓦斯压力煤层瓦斯压力与瓦斯含量不适用朗格缪尔方程互相反算。     

层理和裂隙对镐型截齿破煤的影响

采用分形理论对煤岩裂隙的长度和数量的关系进行分析,并考虑层理和裂隙在煤岩中的分布特征,建立了层理与水平面呈0°、30°、60°、90°夹角时的煤岩三维模型,应用动态仿真模拟软件ANSYS/LS-DYNA分别对镐型截齿截割均质煤岩和不同工况下的含层理和裂隙煤岩进行动态仿真模拟,研究表明,镐型截齿破煤时所受到的截割力随截割厚度的变化而变化,呈现出先增大后减小的变化趋势;镐型截齿截割含层理和裂隙煤岩时所受到截割力的平均值、最大值和均方差均小于镐型截割均质煤岩时的截割力,这与煤岩层理和裂隙有助于镐型截齿破煤的实际情况相符;当层理与水平面呈0°夹角时,镐型截齿受到的截割最小,随着层理与水平面角度的增加,截割力平均值均有所增加,说明煤岩中层理和裂隙的分布情况对镐型截齿破煤也有一定的影响。     

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为 1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在 1 000 m 以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin ,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0 为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0 =0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax ≥σv≥σhmin ,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73~0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。     

地应力对煤层渗透性控制作用的研究进展

作用在煤岩层上的地应力可以分为有效应力和孔隙压力,而煤层是由孔隙和裂隙组成的双孔隙岩层。煤层气在煤层孔隙中遵循吸附解吸和扩散理论,在裂隙中遵循达西渗流理论,在低压状态下还受到滑脱效应的影响。通过论述应力加载路径、有效应力、孔隙压力以及滑脱效应与煤层渗透性的关系,找出不同应力状态下影响煤层渗透性的主要作用机制,并进一步论述了渗透率预测的经验模型和理论模型。经验模型是通过统计分析,建立实验数据或地质参数与渗透率的关系;理论模型是在一定的物理简化基础上,基于现有的渗流理论、应用力学和数学方法,推导出渗透率预测的基本公式。指出非线性渗流、渗流应力耦合、实验分析与数值模拟相结合是研究的主要方向。     

裂纹深度和材料特性对断裂参量的影响

断裂事故在煤矿机械中是比较常见的 ,我国每年因断裂造成的损失十分巨大 ,有必要将结构完整性评价分析引用到矿山关键设备。利用大型有限元软件ANSYS ,对简单模型的断裂参量进行了计算和分析 ,分别得出J积分值随屈服应力、切线模量及裂纹深度的变化规律 ,为矿山关键设备的结构完整性评价分析提供了理论依据。