煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响北大核心

为研究水力压裂过程中产出的煤粉沉积对支撑剂充填裂缝导流能力的影响机制,有效优化煤层气井的排采机制;运用支撑剂充填裂缝内多相流实验平台,制定相应的实验方案,针对煤层气井排采过程中产出的煤粉造成的支撑剂充填裂缝导流能力伤害问题进行实验研究。研究结果表明:悬浮煤粉质量分数越大,支撑剂充填裂缝出水时间越晚,出水点处压差值越大;且随着悬浮煤粉质量分数增大,裂缝内的煤粉沉积量呈线性增长趋势,煤粉沉积率先急剧增长到最大值后缓慢下降,支撑剂充填裂缝渗透率及导流能力呈下降趋势。     

支撑裂缝煤粉动态运移沉积可视化模拟试验研究

针对支撑裂缝中煤粉动态运移沉积过程及沉积堵塞后煤粉分布特征不明的问题,应用自主研制的煤粉动态运移沉积可视化模拟装置开展煤粉动态运移沉积模拟试验。基于试验特征图像抽提和图像像素点灰度等级识别,建立关于可视化裂缝平板长度和高度的灰度矩阵并对特征图像进行二值化处理;在二值化处理图像上划分网格,用每个网格中灰度等级为0的像素点数量(煤粉量)与网格中总像素点的比值R_c来表征煤粉沉积对支撑裂缝流动通道的影响。对比分析了不同排量、不同排驱时间煤粉在支撑裂缝不同位置处的运移、沉积、堵塞特征。试验结果表明：煤粉运移沉积主要在堆积孔隙相互连通形成的流动通道中进行,由于受重力影响,较多的煤粉沉积在支撑裂缝下缘;煤粉运移进入支撑裂缝后,将经历孔隙表面吸附、架桥堵塞孔隙吼道、滤饼堵塞流动通道3个阶段;煤粉从聚集区往裂缝出口方向运移并沿运移路径不断沉积,若不堵塞流动通道则会达到运移沉积平衡状态;煤粉沉积未造成流动通道堵塞时主要呈现出“指状沉积特征”,造成流动通道堵塞时主要呈现出“块状沉积特征”;随试验排量的增加“指状沉积特征”向“块状沉积特征”蜕化;当煤粉浓度一定且有外来煤粉持续补充时,随着...     

煤粉在支撑裂缝中的运移与沉积规律

针对煤储层压裂过程中易产生大量煤粉问题,应用LD-1A导流能力测试系统进行了支撑裂缝中不同流速、不同煤粉含量的流体流动物模实验,分析了流体在变流速、恒流速和间断流动下,煤粉在支撑剂充填层中的运移、沉积及产出规律。实验表明:煤粉运移具有一定的临界流速,不同条件下,临界流速差别较大,在20~40目石英砂支撑裂缝中,过60目煤粉临界流速可达5.20 cm/min,而过140目煤粉临界流速为2.01 cm/min;流体流速、支撑剂粒径、煤粉粒径、煤粉含量、排采制度等多重因素共同控制煤粉产出量;煤粉容易沉积在支撑裂缝中堵塞支撑剂构建的孔隙,对支撑裂缝导流能力的伤害严重。压裂后有效排出煤粉,可减小堵塞伤害;排采过程中控制流体流速,有利于减少煤粉运移及产出。     

煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及其防控

针对煤层气井的煤粉伤害问题,运用LD-1A导流能力测试系统模拟了煤层气井变排量、恒排量及间抽过程中煤粉在支撑裂缝中的运移沉积情况,分析了不同流速下煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及伤害机理。实验表明:煤粉易滞留沉积在支撑裂缝底部严重影响导流能力,导流能力伤害率可达90%以上;在没有煤粉持续进入支撑裂缝的情况下,有效排出煤粉导流能力有增大的趋势;排采制度、煤粉质量含量、煤粉粒径对导流能力的影响特征存在明显差异;煤粉随水运移时对支撑剂窄口的疏通作用和聚集堵塞作用共同影响支撑裂缝导流能力。压裂前期使用小粒径支撑剂,尾追大粒径支撑剂,合理控制排采速度,使排采速度略小于煤粉运移的临界流速,并使用煤粉分散剂,有利于适量排出煤粉减小导流能力伤害。     

大斜度井段排采泵三层流场低速液流携粉运移特性

分析大斜度井段排采泵的泵筒3层流场及其液流携粉运移特性对提高排采泵的可靠性和保障煤系地层水平井和斜井的连续稳定排采具有重要意义。综合大斜度、低流速和低黏度等多因素耦合的作用,并结合大斜度泵低速液流携粉运移实验测试与分析结果,提出适用于大斜度井段排采泵低速流场的静止层、移动层与悬浮层3层流动模型,推导大斜度泵腔3层流场连续性方程、动量方程和扩散方程,建立水粉两相流动数学模型并依据数值求解和井场测试结果揭示大斜度泵分层流场低速液流携粉运移特性,为水平井和斜井的大斜度泵选型设计及其系统优化以及冲程和冲次等排采制度和煤粉防控措施制订提供依据。结果表明,大斜度井段泵腔三相流场中,增大泵倾斜角和煤粉密度会增加悬浮层和移动层的压力梯度,其中泵倾斜角的影响尤为显著,移动层压力梯度受煤粉密度的影响相对较弱;增大水粉两相流煤粉体积分数时,移动层沿程压力损失始终增加,而悬浮层压力损失先是不断增加而后逐渐减弱;增大水粉两相流黏度会增加悬浮层和移动层的压力梯度,而增大液流携粉运移流量时,移动层沿程压力损失持续减小,且流量越大时压力损失减小的趋势越明显,而悬浮层的压力损失先是显著减小而后趋向平缓;大斜度井段柱塞伴随杆柱运动的过程中,大斜度泵入口处的水粉两相流煤粉体积分数随柱塞速度不断减小而逐渐增大,且速度波动对3层流场中悬浮层煤粉沉积的影响要小于其他2层。     

煤层气井产气通道内煤粉运动特征分析

基于脱落煤粉滚动启动条件和运移,建立了煤粉脱落、运移和堵塞的孔隙度和渗透率模型;分析了煤粉排出量对煤层孔隙度和渗透率的影响。依据该渗透率模型,研究煤粉适度排出理论,建立煤粉适度排出模型和携煤粉地层液速度窗口模型,使脱落的煤粉适度排出,疏通渗流通道,增加渗透率提高单井产气量。结果表明：煤粉的脱落增加了煤层的孔隙度和渗透率,而煤粉的沉积堵塞减少了煤层的孔隙度和渗透率;渗透率随煤粉的排出量的增加呈二次关系增大,煤层排出脱落煤粉可在一定程度上改善储层物性,提高煤储层的孔隙度和渗透率;采取压裂增产的煤层气井支撑剂粒径为20/40目正排列时,通过的最大煤粉粒径为0.16 mm,排液量大于13.53 m 3/d有利于粒径小于0.1 mm脱落的煤粉排出,最大限度地提高煤层渗透率,增加煤层气单井产气量。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

煤粉产出对煤层气井压裂裂缝渗透率的影响

为了合理控制煤层气井产出煤粉,以沁水盆地南部高阶煤为研究对象,通过不同有效应力和水注入速率下压裂裂缝渗透率的测定,探讨了煤粉运移对压裂裂缝渗透率的影响。结果表明,压裂裂缝渗透率随有效应力的增加先减小后增大;有效应力≤4 MPa时,随有效应力增大,煤粉淤堵加重,压裂裂缝渗透率迅速降低;有效应力4 MPa时,煤由弹性形变转变为塑性形变,裂缝渗透率增大。铺单一粒径压裂砂的情况下,水注入速率≤20 mL/min时,水携带煤粉的能力较弱,煤粉淤堵严重,裂缝渗透率迅速降低;水注入速率20 mL/min时,高速水流缓解了煤粉淤堵,渗透率降幅变缓。混合铺砂时,压裂砂打磨裂缝壁面,造成压裂裂缝渗透率升高。     

煤层气井压裂裂缝内超级分子膜控煤粉可行性研究

针对煤层气井压裂裂缝中的煤粉堵塞问题,提出利用超级分子膜(SMF)在裂缝中形成网状结构,诱导小颗粒煤粉排出,阻止大颗粒煤粉运移,进而提高裂缝的渗透性的方法。以沁水盆地3号煤为对象开展了煤层气井压裂裂缝内控煤粉试验。试验结果表明:SMF中A剂质量分数高于5%,B剂质量分数在2%～9%时能够有效控制煤粉聚集成团,煤粉混合液变清澈;采用SMF驱替后,岩心渗透率提高3～6倍,当SMF组合浓度适中时,岩心渗透率提高6倍以上。驱替后的岩心中,煤粉呈现出明显的团状,驱出来的液体中基本不含煤粉。且液体对煤基质的伤害率在15%以内。表明采用SMF能够有效提高煤粉伤害后的裂缝渗透率,为裂缝内煤粉治理提供了一个新的方向。     

煤层等温吸附渗透率演化数值研究

通过建立双孔隙度煤层变形控制方程,确定了基于煤层吸附理论的Biot孔隙压力系数。分别建立了存在吸附作用的条件下,煤层基质和裂隙渗透率的数值模型。研究发现,通过增加基质孔隙压力,基质将发生与孔隙压力相关的体积应变,基质体积模量将会减小;基质增大的体积占据了部分孔隙,导致煤层基质渗透率减小;随着吸附的进行,经过一定时间,煤层裂隙渗透率会出现陡降。     

煤粉对裂缝导流能力的伤害机理

应用FCES-100裂缝导流仪和平流泵模拟了煤层气排采过程中煤粉颗粒侵入压裂裂缝支撑剂充填层的过程,研究了煤粉在支撑剂充填层内的运移规律及其对导流能力的伤害机理、影响程度。实验表明：煤粉易侵入支撑剂充填层,不易随水排出,对导流能力伤害严重,并且随着煤粉浓度增加伤害程度急剧增大。煤粉的聚集附着、桥堵孔喉是支撑剂充填层导流能力伤害的主要原因。粒径较小的煤粉更易运移聚集伤害裂缝导流能力,使用小粒径支撑剂可以有效地俘获煤粉颗粒,有利于提高主裂缝的导流能力;压裂后快速返排有助于煤粉迅速排出,减少其在裂缝内的滞留,并保持排采稳定有利于煤粉顺利排出,避免聚集堵塞。     

考虑动态滑脱的页岩微裂隙表观渗透率演化机制

为研究页岩气开采过程中有效应力、气体吸附及滑脱效应作用下微裂隙表观渗透率的演化机制，利用分形理论表征微裂隙气体总流量，并基于Hagen-Poiseuille二阶滑脱方程建立微裂隙变形和滑脱效应综合作用的表观渗透率模型。同时，结合滑脱系数与固有渗透率间的函数关系，量化有效应力和气体吸附等因素对滑脱系数的影响，探讨页岩气渗流过程中滑脱系数动态演变过程，并验证模型可靠性。此外，结合敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数对滑脱系数的影响。结果表明：(1)恒定外应力和恒定有效应力条件下，随孔隙压力逐渐增大，受气体吸附与滑脱效应的耦合影响，表观渗透率呈减小趋势；(2)当外应力恒定时，气体分子平均自由程随孔隙压力增大而减小，滑脱效应减弱，一阶、二阶滑脱系数C1、C2减小，整体滑脱系数B增大；当有效应力恒定时，页岩气渗流通道受制于气体吸附的影响而逐渐减小，C1、C2和B逐渐增大；(3)基于模型敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数与滑脱系数之间的互馈机制，其中微裂隙压缩性系数、分形维数导致固有渗透率增大，而C1、C2、B减小；内膨胀系数的增大导致固有渗透率减小，C1、C...     

地应力作用下水力裂缝中支撑剂导流能力的数值模拟研究

目前,对水力裂缝内支撑剂的运移及其导流能力的研究主要通过实验进行,而完全基于数值模拟的研究不多。基于颗粒离散元对水力裂缝中支撑剂数值模拟的结果,通过数字重构方法,得到了水力裂缝内支撑剂堆积结构的数字模型;在重构的数字模型基础上,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),模拟了单相流体在支撑剂孔隙结构内的流动过程,进而得到了不同地应力水平下不同支撑剂的绝对渗透率,且数值计算结果与Kozeny-Carman经验公式吻合。研究结果发现,地应力作用下,裂缝张开度减少,支撑剂颗粒更加密实,可能出现支撑剂嵌入到岩石中的现象;随着地应力的增加,裂缝内支撑剂堆积体的孔隙度减少,比表面积增大,渗透率减少;相同地应力作用下,支撑剂粒径越大,其孔隙度越低,比表面积越小,越易出现支撑剂嵌入现象,渗透率减少越大,但其值一般总大于小粒径支撑剂的渗透率。     

煤粉对煤层气直井产量的影响

根据煤层气藏的特点,利用渗透率平行路径模型和煤层气渗流控制方程推导稳态情形时煤层气直井产量公式。结果表明,对于不同的非堵塞路径占总孔隙路径的百分比,煤粉产出时煤层渗透率和煤层气直井产量有可能增大,也有可能减小。实例计算结果与实际生产资料一致,证明了该方法的可靠性。     

基于煤粉堵塞的煤体解堵试验研究

采用气-液-固三相驱替模拟系统,开展了煤样封堵及反向注水、气驱替煤粉解堵煤样的系列室内实验,探讨了不同封堵压力及解堵介质、压力下煤样渗透率的变化特征。结果表明：煤样封堵过程中液相渗透率随时间呈对数衰减规律;达到平衡时间随着封堵压力的提高呈现衰减的趋势;煤粉颗粒沉积在渗流入口端堵塞煤样的孔裂隙通道,是引起煤样渗透率下降的主要原因;当解堵介质为水：反向注水压力等于封堵压力时煤样最终液相渗透率低于封堵前的数值,反向注水压力大于封堵压力时煤样液相渗透率会在一定的时间段内有小幅度提高,而且反向注水压力越大,液相渗透率上升的反应速度越快,煤样的最终液相渗透率与封堵完成后相当;当解堵介质为气：反向注气压力大于或等于封堵压力时能够完全解堵污染煤样：煤样的气相渗透率变化曲线为类“S”型曲线且全过程气相渗流经历了线性增长阶段、指数增长阶段、稳定阶段;少量小粒径低密度悬浮煤粉颗粒产出促进了渗透率的缓慢提高;密度相对较大的下沉颗粒产出是煤样快速完成解堵的主要原因;反向注气压力越高,解堵速度越快且反向注气压力越接近封堵压力解堵速度对压力变化的敏感性越高;反向注气解堵污染煤样的能力强于反向注水,水、气体分子性质的...     

基于流态物理模拟试验的煤粉排出机理研究

为研究煤层气排采过程中煤岩组分对煤粉产出的影响,开展了单相流驱替煤粉产出的流态物理模拟试验,通过改变单相流驱替流速及围压的大小,分析了型煤样品中不同煤岩组分条件下煤粉的动态产出规律。结果表明:随流速及围压的增加,煤粉产出均有增大的趋势;黏土含量越高,煤粉产出量越大,且产出煤粉受驱替流速变化的影响越大;镜质组含量越高,围压的增大会使煤粉的产出速率减小,且产出煤粉受围压变化的影响越大;围压不变,随驱替流速增大,煤岩渗透率有增大的趋势,且流速越大,不同煤样渗透率变化趋势越接近。煤中黏土矿物可显著影响渗透率,黏土矿物含量越高,渗透率提升速率越快;流速保持不变,随着围压的增大,煤岩渗透率有降低趋势;同时,较低的黏土矿物含量无法有效地聚合分散的煤粉颗粒,表现为渗透率持续降低。     

基于采空区孔隙率动态演化模型的卸压瓦斯运移规律研究

为了获得工作面推进过程中采空区卸压瓦斯的运移规律，以大佛寺煤矿40118工作面为研究对象，基于煤岩层的物理力学参数，建立了基于采空区应力分布特征的采空区孔隙率动态演化模型，采用数值模拟的方法获得了工作面不同通风量、高位钻孔不同抽采负压，以及不同瓦斯涌出量条件下的采空区瓦斯运移规律。研究结果表明：采空区孔隙率动态演化模型可以较好地适应该矿的地层条件，其随着工作面推进而动态变化；在高位钻孔抽采条件下，随着工作面通风量和抽采负压的增大，采空区瓦斯浓度(甲烷体积分数)逐渐减小，但浓度值处于爆炸界限内的区域却有所增加，这在一定程度上增大了发生瓦斯爆炸风险的范围；随着采空区瓦斯涌出量的增加，采空区内甲烷体积分数整体上升，但瓦斯爆炸风险有所降低。     

煤层气井煤粉颗粒表观机械运移规律

煤粉颗粒在煤层气井的排采过程中会随着流体运移至井筒,研究煤粉颗粒在井筒中的运移规律,对于优化排采参数、避免煤粉在井筒内沉积甚至埋泵非常必要。自行设计了煤粉颗粒运移实验装置,开展了煤粉颗粒静态沉降实验和动态运移实验,得到了煤粉颗粒静态沉降末速和最小携带速度。结合球形颗粒自由沉降末速的理论计算公式,建立了煤粉颗粒实际沉降末速的计算模型,并确定了不同目数煤粉颗粒的最小携带速度与实际沉降末速间的关系,最终建立了煤层气井最小日排水量的计算公式。研究表明,对于产水量较小的井,流体携带煤粉颗粒的能力与煤粉颗粒的粒径、井筒内流体流速间的关系敏感,本文提出的最小排水量计算公式对于煤层气井的排采参数设计具有一定的指导作用。     

滑脱系数动态变化对煤层气运移的影响

煤层气在低渗透性煤层渗流时受滑脱效应影响显著,目前的煤层气渗流模型大都将滑脱系数视为常数,然而在煤层气抽采时受有效应力和煤基质收缩效应影响,滑脱系数是动态变化的。据此,建立考虑动态滑脱系数的煤层气渗流模型,并采用有限元数值软件进行模拟分析;研究考虑动态滑脱效应后煤储层渗透率和滑脱系数随抽采时间变化规律;比较考虑动态滑脱系数与固定初始滑脱系数时,煤储层孔隙压力变化差异。研究结果表明:随着抽采时间的增加,滑脱系数先增大后减小,渗透率先减小后增大;考虑动态滑脱效应时,抽采30 d后煤储层各处的孔隙压力降低幅度较不考虑时均有所减小,且初始渗透率越低两者的差距越大。     

煤粉悬浮剂的作用机理及性能

针对煤层气开采及增产改造过程中产生的煤粉沉积和堵塞问题,结合非离子表面活性剂与煤层的润湿及吸附机理,特研制煤粉悬浮剂FYXF-3.该煤粉悬浮剂可使煤粉迅速分散均匀,具有稳定的煤粉悬浮性能,并可有效改善煤层润湿及吸附性能.本研究开展的模拟裂缝及井筒中煤粉的流动实验表明该煤粉悬浮剂可有效携带出裂缝及井筒中的煤粉,改善煤粉的沉积和堵塞问题;添加煤粉悬浮剂的活性水压裂液体系伤害实验表明,该体系伤害率为9.45%,低于常规活性水压裂液伤害率(10～30%),并且排出液能携带出大量煤粉,伤害率更低.