沁水盆地赵庄井田煤层气产出特征及其影响因素

沁水盆地赵庄井田3~#煤的煤层气虽然资源丰度高,但由于储集物性差等因素,导致煤层气解吸、扩散、运移产出速度缓慢,不但煤层气井单井产量低,而且产量衰减快,稳产期短,煤层气开发难度大。因此,针对煤层气产出不理想的情况,采用室内实验模拟结果和现场测试分析数据相结合方法对影响煤层气产出的原因进行了分析,指出了煤层气产出困难的3个主要影响因素:(1)3~#煤层裂缝极为发育,裂隙连通性差、充填堵塞严重;3~#煤大孔占比少,细孔、微孔占比大,煤层的渗流条件差,煤层的可动流体饱和度低,排水降压可产出的孔隙流体少,气体可解吸、扩散、渗流产出量少,致使煤层气的产出程度低;(2)3~#煤的临储比和含气饱和度低,煤层气井排水降压的可降幅程度小,压降漏斗的扩展面积小,致使产气效果较差;(3)煤层的塑性强、应力差异系数小,煤层与围岩的应力差小,煤层压裂裂缝延伸难度大,裂缝容易突破顶底板纵向延伸,压裂容易形成多裂缝,限制了裂缝长度的扩展延伸,致使压裂增产效果差。并提出优选煤层气开发有利区域、强化煤层压裂改造措施和分段压裂水平井抽采技术是实现赵庄井田3~#煤层下一步煤层气高效开发的3个有利措施。     

煤层气非平衡吸附的数学模型和数值模拟

煤层为微孔-裂缝双重介质,煤层气通过吸附作用吸附在煤孔隙壁面上而储集.文中建立了描述裂缝中气水两相渗流及微孔中非平衡吸附气体解吸扩散过程的数学模型,扩散到裂缝中的气体被视为源项,微孔中气体解吸扩散方程与裂缝中气相渗流方程通过微孔单元表面气压等于周围裂缝网气压的条件而耦合;考虑了单井径向流模型、垂直压裂模型及拟三维多井模型,并给出了相应的有限差分数值模型.     

煤储层多级强脉冲加载压裂破岩机理理论研究

针对我国煤储层"三低"的特性及煤气井单井产量较低的难题,研究多级强脉冲压裂技术的加载压裂破岩机理。依据岩石破裂的第一强度理论,建立力学模型,为多级强脉冲加载下的煤岩体破裂提供了理论依据。研究结果表明:火药在井筒中燃烧产生大量高温、高压气体不断往射孔孔眼中喷射,致使射孔孔眼内压力不断升高。当其压力大于煤岩体破裂压力时,煤储层发生破裂产生裂缝,煤储层压力得到释放,煤层气得到解吸,解吸的煤层气通过产生的裂缝形成有效的渗流过程,从而提高了煤层气井的单井产量。     

超破裂压力注气开发煤层甲烷探讨

中国大多数煤层气藏具有低压、低渗、低饱和等特点，采用常规增产改造和降压开发技术难于奏效。文章提出了超破裂压力注气技术开发该类低渗煤层气藏的设想，将一次开采与增产改造、提高采收率紧密结合，在开发初期即实施提高采收率措施。研究表明，煤层甲烷解吸-扩散-渗流过程受多种因素影响，在煤层气开发中，一方面需要提高煤层渗透率，另一方面还必须促进甲烷高效快速解吸。超破裂压力注气开发煤层甲烷的机理主要包括降低甲烷分压诱发甲烷解吸，通过竞争吸附置换解吸甲烷，诱发微裂隙形成和天然裂缝延伸，补充能量，防止裂缝闭合和水相圈闭，降低应力敏感损害。超破裂压力注气方式包括注气吞吐和气驱，注气吞吐适用于单井开发，气驱则要形成注采井网。要针对注气开发煤层气特点，选用合理的注气和完井方式，形成注气开发煤层气配套技术，提高煤层甲烷产量和采收率。     

煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究

90%以上的煤层气以吸附状态附着在煤的内表面上,煤层气的产出是一个区别于常规天然气的"排水—降压—解吸—扩散—渗流"的复杂过程。我国煤层气储层条件较差,具有低孔、低渗、非均质性强的特点,普遍存在常规开采方式开发效果差的问题。为提高煤层气单井产量,实现商业化开采,必须对储层进行增产改造,促进排水降压,提高煤层气单井产量,水力压裂改造技术是当前煤层气增产的首选方法,也是已被证明的煤层气开采的一种有效的增产方法。论述了水力压裂增产渗流机理及其效果评价方法,并进行了实例分析。表明通过对煤层进行水力压裂,能够改善井底渗流条件,提高储层的渗透能力;煤层渗透率、表皮系数及裂缝导流能力和裂缝半长是评价煤层气水力压裂增产效果的主要参数。     

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煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中，只有当储层压力降低后才可以从基质中解吸出来，煤岩裂隙或割理中多被水充满，而裂隙与割理是煤层中的主要运移通道，煤层气需要通过排水（裂隙或割理）降压（煤岩储层）方式才得以采出，故煤层气的产量受煤岩性质、压力水平和两相渗流特征等多种因素的影响。文章分析认为，影响煤层气井单井产量的主要因素包括煤岩渗透率、孔隙度、吸附能力、含气量、临界解吸压力、相对渗透率等；为提高煤层气井单井产量，必须通过洞穴完井、压裂改造或水平井等方式，改善井底渗流条件，有效地降低井底流压，扩大压力波及范围，增加有效解吸区，扩展两相渗流区范围。为实现煤层气的规模开发，必须深化认识储层特征，结合地质实际，选择合适的开发技术。     

高阶煤的孔隙结构特征及其对煤层气解吸的影响

以沁水盆地高阶煤3^#煤层为研究对象,借助高压压汞实验对高阶煤的孔隙参数进行测试,研究了高阶煤的孔隙结构特征,采用解吸速率实验对高阶煤的解吸速率和解吸量进行分析,并探讨了孔隙结构对煤层气解吸产出的控制规律。结果表明:3^#煤层的孔隙半径较小,煤层孔隙结构复杂;煤层主要以气体吸附孔和气体扩散孔为主,气体渗流孔占比很少,煤层的吸附气体体积大、吸附性能强、气体的扩散、渗流条件差。3^#煤层孔隙结构分形特征曲线呈"两段型",孔径大于940.7 nm时,不具有分形特征;孔径小于940.7 nm时,分形维数介于2.67~2.76之间,具有很好的分形特征。高阶煤的煤层气解吸特征具有快速解吸和慢速解吸2个阶段,快速解吸时间短,解吸量占比低;慢速解吸时间长,解吸量占比高,煤层气解吸困难。煤层的孔隙结构对煤层气的解吸具有重要影响,高阶煤较差的孔隙结构控制着煤层气解吸速率慢、解吸量低、产出程度低,煤层气井生产实践中表现为开始阶段产气量增长快,产气高峰时间短,稳产气量低、生产时间长,煤层气开发难度大。研究结果为高阶煤的煤层气抽采效果评价提供参考依据。     

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煤层气采出有扩散和渗流两个过程，比常规天然气层中的渗流方程复杂。煤层气由煤层流入井筒的过程为：随着煤层中水的不断采出，地层压力下降，吸附在煤层中的煤层气被解吸出来，并扩散至割理，割理中的气体渗流到达井筒。采用非平衡态吸附模型，研究单相煤层气在煤体和割理中的流动规律。在拟稳态流和不稳态流的数学模型假设下，用气体标准压力代替Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附公式中的压力，得到气层中标准压力所满足的方程。如果考虑无限大地层或有界圆形封闭和定压地层，最终得到井底无量纲准压力及其导数的解。     

钻井完井液对煤层气解吸—扩散—渗流过程的影响——以宁武盆地9号煤层为例

煤层气以吸附气为主,解吸-扩散-渗流过程共同控制着煤层气的产量,仅采用基于达西定律的渗透率的方法来评价煤层气储层损害有待完善。为此,基于煤岩储层微观结构特征和煤层气运移产出机理,以宁武盆地9号煤层和现场用钻井完井液为研究对象,开展了煤层气解吸、毛细管自吸和钻井完井液动—静态损害评价等实验,并采用微观手段分析了钻井完井液影响煤层气解吸—扩散—渗流过程的机理。结果表明:钻井完井液作用后煤样与平衡水煤样、饱和水煤样相比,煤层气解吸量和扩散系数降低;与地层水相比,煤岩对钻井完井液的自吸能力强且吸附滞留严重,导致气相返排率偏低;钻井完井液滤液损害是造成煤层渗透率下降的主要原因。结合红外光谱、润湿角测定和扫描电镜分析结果,得出认识:钻井完井液滤液通过改变煤的结构、润湿性和孔隙连通性,进而影响到了煤储层气体的运移行为。     

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.     

沁南潘河煤层气田煤层气直井增产改造技术

〗沁水盆地南部潘河煤层气田3^#煤层和15^#煤层的煤阶属于无烟煤,储层具有低压、低孔隙度、低渗透率的特点,煤层气井压裂前基本不产气。水力加砂压裂是该地区进行煤层气勘探开发的关键技术之一。针对该区低压致密煤层气藏的储层地质特点,通过近年来的攻关研究和现场试验,提出了经对比后效果最佳的压裂工艺技术方案--氮气泡沫压裂,大大提高了压裂改造效果,初步形成了该地区低压致密煤层气藏压裂工艺体系。应用结果表明：无烟煤煤层气增产措施增产量排序为氮气泡沫压裂＞活性水加砂压裂＞清水+氮气压裂或清水压裂;在压裂正常的情况下,前置液量大、携砂液量大,总液量在400 m³以上的压裂增产效果更好。     

QNDN1井煤层气排采的流体效应分析

为了研究煤层气排采时原位煤储层流体的动态效应,基于煤储层动水孔隙度、含气饱和度等储层物性实测成果,结合中国第一口地面多分支煤层气水平井——QNDN1井的排采数据,通过气、水产能及储层压力曲线的耦合分析,探讨了煤层气井排采时储层压力的传播特征;估算了煤层气单井排采范围内的重力水量,水溶气、游离气量;划分了煤层气井排采的游离气运移阶段和煤层气的解吸阶段;指出煤层气排采流体效应的主要影响因素是储层压力和受煤孔径结构控制的煤层气解吸特征。该研究成果对煤层气井排采制度的确定具有指导意义。     

煤层气压裂井裂缝参数优化及效果评价

因煤层复杂渗流机理及低孔低渗特征,煤层气均需采取压裂改造措施进行开采。为了正确认识压裂参数对煤层气井产能、采出程度及井网部署的影响规律,从储层应力形变及煤层气解吸、扩散、渗流流固耦合分析出发,建立压裂井气水两相非线性渗流模型,研究裂缝参数、储层非均质性对井距及井网类型优化的影响,并且采用注入压降试井解释对压裂工艺参数进行评价。研究结果表明：煤层流体以非线性渗流为主,物性呈现先下降后上升的特征,存在启动压力梯度的影响;井距优化应考虑裂缝方向、裂缝穿透比、裂缝导流能力等因素的影响;矩形与菱形井网选择要参考储层各向异性系数的临界值;避免注入压降测试中井筒液面的变化及测试段的选择对试井解释结果的影响,提高压裂效果解释评价准确性。研究对煤层气压裂井裂缝、井网参数优化及提高压裂效果评价准确性具有较好的指导意义。     

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。     

适合中国煤层气藏特点的开发技术

分析了常规煤层气开发技术的特点,认为常规技术对中国煤层气藏开发有很大的局限性。因为中国煤层气藏具有低渗透、难脱附、驱动力不足和构造煤发育等6个方面的重要特性,所以要求其相应的开发技术要在提高导流能力、建立有效压差、加快脱附速度、利用应力释放场、规避构造煤等5个方面给予配套。为此,设计了适合中国煤层气藏特点的3个开发技术系列,包括:煤矿采动影响区特殊采气技术,多井眼多分支水平井与洞穴技术,常规技术。     

煤层气多分支水平井钻井关键技术研究

在分析中国煤层气藏具有低压、低渗、低饱和、构造煤发育以及非均质性强烈等地质特征的基础上，认为在我国用常规垂直井开发煤层气具有很大的地质局限性，进而提出用多分支水平井来提高煤层气单井产量和采出程度。结合沁水盆地6口成功井的实践，剖析了多分支水平井钻井的地质工作重点以及两井连通、井眼轨迹控制、井壁稳定控制技术等关键环节，指出采用多分支水平井开发煤层气是适合中国煤层气藏地质特点的最佳技术选择。     

四川古叙矿区大村矿段煤层气煤储层特征及改造效果

四川省南部（川南）煤田古叙矿区大村矿段煤层气勘探开发3年来,完成了参数井施工测试、测井及固井等工程,开展了煤储层研究和压裂改造试验。改造后,DC-1井、DC-2井、DCMT-3井产气量均达到甚至超过了500~1 000 m³/d的工业产能指标,表明该区煤层气地面抽采试验获得了重大突破。这是在我国南方大倾角、低-特低渗透率、薄煤层、高煤阶情况下取得的成功,意义重大！为此,从煤层气试验井网储层特征入手,分析该区煤层气开发的优势与劣势,科学合理地总结了射孔压裂排采方案在川南地区勘探开发煤层气的经验和不足,提出加快勘探试验步伐和扩大试验区、引进先进适用的勘探新技术等建议,以确保四川省煤层气成功进行规模化、商业化开发。     

页岩气藏加密井压裂时机优化——以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例

加密井的压裂时机直接影响着页岩气藏最终的开发效果。为了有效地指导页岩气藏加密井部署与压裂施工,基于离散裂缝网络模型、有限差分模型及有限元模型,提出了一套页岩气藏加密井压裂时机优化方法：根据页岩气田开发现状及井网加密需求,系统考虑储层非均质性和天然裂缝发育特征,建立渗流—地质力学耦合条件下四维地应力演化及复杂裂缝扩展的多物理场模型,进而模拟加密井水力裂缝扩展形态、加密井及井组开发效果,最终优选出加密井最佳的压裂时机。以四川盆地涪陵页岩气田X1井组为例,利用该优化方法研究了加密井压裂时机和施工参数对其复杂裂缝扩展形态、单井及井组产能的影响规律。结论认为：①该优化方法能够有效模拟老井生产过程中储层物性及力学状态变化,预测压后产量变化,优选加密井压裂参数及压裂时机;②当加密井射孔簇间距减小、每簇施工液量增大时,水力压裂改造体积、裂缝密度增大,压裂后产量提高,但射孔簇间距过小、每簇施工液量过大时,则有可能会导致分支裂缝串通和重叠,降低压裂液效率、影响压裂后产能;③压裂时机越晚,加密井井筒附近分支裂缝越密集,但改造体积越小、初期产量越低;④当目标井组生产36个月进行加密井压裂时,井组累计页岩气产量最高、开发效果最优。     

复杂缝网页岩压裂水平井多区耦合产能分析

针对页岩储层水平井压裂开发中复杂缝网形态、纳微米孔隙—复杂缝网—井筒多尺度渗流规律认识不清等问题,开展了针对性的研究:(1)通过巴西劈裂实验,诱导压裂缝的产生;(2)通过X射线CT扫描,观测岩样内部压裂缝形态,测得压裂缝开度;(3)结合压裂缝形态描述和气体在基质—复杂缝网—井筒中的渗流机理,在多尺度统一渗流模型的基础上,建立考虑扩散、滑移及解吸的水平井单段压裂改造产能方程;(4)考虑多级压裂区干扰及水平井筒压降,建立页岩储层多级压裂水平井产能预测模型。研究结果表明:(1)压裂缝形态为复杂网状缝;(2)测得压裂缝开度为4.25~453.00μm,平均为112.00μm;(3)不同缝网形态下页岩气表现出不同非线性渗流规律;(4)随着重改造区裂缝密度、重/弱改造裂缝分布范围的增大,产气量逐渐增加,压裂段间缝网渗流区域发生干扰,产气量增加幅度减小;(5)模拟水平井筒长1 500 m、重度改造区缝网半长100 m时,压裂10级产能效果最好。结论认为,需要合理地控制压裂程度、优化裂缝参数,才能为页岩气压裂优化设计等提供技术支撑。     

页岩气无限导流压裂井压力动态分析

我国页岩气可采资源量巨大,但页岩气藏大多数井的自然产能很低或无自然产能,开发过程中要实施储层压裂改造才具备生产能力。为此,在常规气藏压裂研究的基础上,针对页岩气产出过程中的降压、解析、扩散、渗流等特点,从页岩气渗流机理入手,以点源函数方法为基础,应用菲克拟稳态扩散模型,研究了页岩气在基质和裂缝中的单相流动,建立了页岩气藏无限导流压裂井评价模型,讨论了吸附系数、裂缝储容系数和窜流系数等参数对压力动态的影响,分析了页岩气藏压裂井动态特征及部分参数估计方法,解决了无法确定页岩气藏动态参数的难题,首次绘制了页岩气藏压裂井典型曲线。研究成果可为页岩气藏的合理高效开发提供技术支持。