有效应力对煤层气储层各向异性的影响

为研究煤层气开发过程中有效应力增加对煤储层孔渗各向异性的影响,采用不同方向的煤岩样品对沁水盆地南部煤层气储层各向异性进行了评价。结果表明,煤层气储层孔隙度和孔隙结构具有明显各向异性特征:面割理方向核磁共振曲线为双峰型,以大孔、割理为主;端割理方向为宽底单峰型,以中孔为主;垂直煤层理方向为单峰型,中、小孔发育。有效应力加载至10 MPa后,3个方向核磁共振信号强度均降低,表明煤样部分孔隙被压缩、割理闭合。煤层气储层渗透率具有明显各向异性特征:面割理方向渗透率达到垂直层理方向的9倍以上;随有效应力增加,储层各向异性程度降低,但面割理方向与垂直层理方向渗透率异质程度最强。煤层气储层应力敏感性具有明显各向异性特征:面割理方向应力敏感性最强,应力敏感性系数和渗透率损害率均最大;垂直煤层理方向应力敏感性最弱,应力敏感性系数和渗透率损害率均最低。有效应力卸载后,不同方向煤岩渗透率恢复率不同,面割理方向最高,达到55.3%,垂直煤层面方向恢复率最低,为40.2%。     

煤层渗透性各向异性规律的实验研究

煤储层具有明显的层理特征,而层理间割理裂隙破坏了煤体的连续性和整体性,从而导致煤层渗透率各向异性。针对这一特征,沿垂直煤层层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理三个正交方向取芯,采用自主研发的煤岩三轴吸附解吸渗流试验系统,在不同围压和气体压力下,对煤样的面割理、端割理、垂直层理方向上的渗透率进行测试分析,结果表明:不同气体压力下,无论是割理方向还是垂直层理方向上渗透率均随着围压增大而减小。在气体压力较低时,面割理方向的渗透率较大,气体压力对端割理方向和垂直层理方向渗透率影响不大。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

我国注气驱替煤层瓦斯技术应用现状与展望

注气驱替煤层瓦斯技术的应用可以显著提高煤层瓦斯采收率,并具有环保性。基于国内外注气驱替煤层瓦斯发展状况及主要机理,从注气位置(地面和地下)、注气模式(自然涌出、负压抽采、只注不抽、边注边抽和间歇注气等)和注入气体种类(纯CO_2、纯N_2和混合气体等)等三个方面对比分析了我国注气驱替煤层瓦斯技术的应用现状。最后,结合注气驱替煤层瓦斯现阶段的发展现状,从低煤阶煤层气注气技术、多储层联合开采注气技术、深部煤层气注气技术、新型气体注气技术和多措施联合注气技术等五个方面对注气驱替煤层瓦斯技术进行了展望。     

基于CCUS的深部煤层煤层气采收及CO_2封存效果

针对我国深部煤层气资源丰富,但因经济和技术条件有限,很难对其进行常规开采的问题,提出了CO2捕获、利用与封存(CCUS)技术,采用该技术不但可提高深部不可采煤层中CH4的采收率,而且可将CO2有效地封存在深部煤层中,从而达到减排的目的。研究发现:煤阶、煤层压力、煤层渗透率、注入时间、注入气体的组分等都会对生产井中CH4的采收率产生影响,储层的盖层、埋深、构造发育情况、地震活动情况以及地下水条件等会对CO2的封存产生一定的影响。因此,在实施CCUS技术前,要对选区进行合理的评价,以提高项目实施的可行性。     

煤层气水平井注氮增产改造技术

针对七元煤矿低孔、低压、低含水饱和度、高变质程度的煤储层特点和筛管完井煤层气解吸困难情况,为了实现瓦斯治理与煤层气共同开发的需要,探索出一套煤层气水平井筛管完井下的注氮增产改造技术。利用顶替排液、氮气驱替、憋井放喷3种氮气改造模式的不同特点,实施多次"注氮-憋压-放喷"作业,通过注氮改造可以清除近井污染,沟通煤层割理裂隙,改善井筒远处煤层渗透率,建立单相气体渗流通道,实现煤层气高效开发的目的。结果表明:七元煤矿5组水平井实施注氮增产改造技术后,单井日产气量提高3~20倍,实现了单井产量的突破。     

晋城无烟煤CO2-ECBM数值模拟研究

基于晋城无烟煤储层地质条件下的储层和煤岩参数,结合晋城无烟煤煤层气藏直井生产必须压裂增产的实际,使用澳大利亚联邦科工组织的煤层气储层数值模拟软件（SIMED Win）模拟了不同生产井和注入井井距（116m、200m、300m）条件下的煤层气增产和二氧化碳埋存过程。研究结果表明,煤储层注CO2增产煤层甲烷效果明显;CO2-ECBM过程中煤层气生产井的气、水产量呈现联动变化;煤储层的割理孔隙度在甲烷解吸、二氧化碳吸附、煤岩有效应力改变的综合效应下呈现增高-降低-增高-降低的变化趋势。综合考虑煤层甲烷产量和CO2的封存能力,选择200m产注井距具有较好的注入增产效果。     

煤层气解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型

考虑煤层气解吸引起的温度变化及其对后续吸附气体的解吸、游离气体状态的影响,及气体扩散系数的动态变化及修正系数对窜流项的影响,基于孔隙-裂隙双重介质模型建立了煤层中气体解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型,开展了煤层气抽采过程的数值模拟与机理分析。研究结果表明:(1)修正窜流项后的气-固-热耦合双重介质模型相对于窜流项修改前的模型与试验结果更为接近;(2)未修正Langmuir模型考虑了温度降低及其对气体扩散、渗流过程的影响,但没有考虑温度降低对气体解吸量的影响,会导致煤层气抽采量估计值偏大;(3)各向同性模型有可能得到与各向异性模型一致的气体含量曲线,但气体含量分布存在显著差异,渗透率各向异性导致的煤层整体在某方向的渗流优势要大于抽采孔布置形式导致的渗流优势;(4)扩散系数较高时,渗流过程是影响煤层气抽采效率的制约环节,必须考虑渗透率的各向异性特征对气体运移全过程的影响。     

沁水盆地煤储层渗透性影响因素研究

渗透率是评价煤储层渗透性的重要参数,通过对沁水盆地煤储层渗透性影响因素的研究,认为渗透率取决于煤层裂隙特别是煤层割理的发育情况,同时煤级控制了煤层割理的发育,后期方解石等地下流体的充填作用对煤储层割理渗透性产生严重的负面影响,而煤岩成分、煤相、矿物质等因素对割理渗透性的作用有限;有效应力、煤层埋深与渗透率呈负指数关系;随着煤层气的开采煤基质的收缩作用增大了煤层渗透性。     

沁水盆地深煤层注入CO_2提高煤层气采收率可行性分析

探讨CO2注入深煤层提高煤层气采收率可行性对于解放我国丰富深部煤层气资源具有积极意义。分析了沁水盆地不同深度条件下储层参数的变化规律,开展了CO2注入煤层增产效应的数值模拟研究。结果显示,煤储层参数随埋深呈非线性变化且各参数显著变化深度具有较好的对应性,存在500~600 m,950~1 150 m两个关键转折界限,据此将煤层划分为浅部、过渡、深部三带。随着埋深增加煤储层强非均质向均质转换,即所有参数在浅部较为离散而深部收敛。通过不同深度煤层的CO2注入生产效果模拟显示,注入CO2后煤层气采收率均得到不同幅度提高;注入CO2提高煤层气采收率效果由过渡带、浅部、深部逐步递减;注入时间越早和越长,提高采收率效果越显著;要实现深部煤层气采收率显著增加必须保证一定的CO2注入量;深部CO2封存优势显著。     

煤层注液态CO_2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验

针对我国煤层"高储低渗"的赋存特征,基于液态CO_2黏度低、阻力小、酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO_2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律。结果表明:压裂过程流量随着压力的增长呈现出"波动"特性,钻孔周围煤体受CO_2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2 MPa处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂—弱面扩展—微孔隙破坏。现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20 m,且与水力压裂相比在压裂安全性、时间和效果方面存在技术优势。     

二氧化碳驱替煤层甲烷的试验研究

煤层甲烷的持续抽采会导致煤层甲烷压力的下降。向煤层中注入二氧化碳,可以提高煤层孔隙压力,驱替煤层甲烷。为研究二氧化碳驱替煤层甲烷的可行性,在实验室进行了二氧化碳驱替煤层甲烷的研究。通过研究发现,驱替排采的甲烷产出率明显优于自然排采。因此,可以采用二氧化碳驱替煤层甲烷的方法提高甲烷抽采率。驱替排采对完整煤样和破碎煤样甲烷产出效率的影响不同,破碎煤样的驱替速度较快,而完整煤样的驱替效率较高。因此,在利用二氧化碳驱替不同煤体的甲烷时,要选择合理的驱替方案。     

韦二煤矿煤储层物性特征及煤层气资源前景

依据韦州矿区煤炭勘探煤层资料、煤层气参数井获取的储层资料,通过对煤层气开发地质信息的有效提取,对韦二煤矿煤储层物性进行深入分析、研究,对煤层气资源量进行了计算,并采用数模方法预测了煤层气抽采率,确定了地面煤层气抽采相对有利区。研究认为:区内煤层含气性整体偏低,煤层甲烷含量在0.20～11.73 m³/t,气含量高值区仅出现在部分煤层、局部区域。多期次构造运动致使裂隙发育复杂化,硬度变小,煤体结构多为碎粒—糜棱结构,渗透率降低。主要可采煤层煤层气资源量为5.55×10⁸ m³,资源丰度为1.51×10⁸ m³/km²,属中等丰度、小型煤层气藏。各煤层煤层气采收率较低,约为15%,可采潜力较差。资源量在煤层分布上相对集中,12、14、15煤层气含量4 m³/t以上重叠区域为煤层气地面抽采相对有利区块。     

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。     

煤样尺度的二氧化碳驱替煤层气数值模拟

为了实现ECBM实验研究和数值模拟结合分析,基于实验室应力条件的渗透率模型,建立了煤孔隙裂隙介质系统的CO2驱替煤层CH4的数值模型。开展了不同CO2注入压力下煤样尺度的二氧化碳驱替煤层气的数值模拟。结果表明:CO2的注入压力越大,注入后CO2从煤样末端流出所需时间越小;CO2的注入会引起煤的渗透率减小,注入压力较小时渗透率变化分为三个阶段,包括有效应力影响的阶段、CH4压力不变的阶段和CO2吸附影响阶段,但是当注入压力较大时则不存在CH4压力不变的阶段;注入压力增大,CH4产出量在注入CO2后的一定时间内有很大提高,然后在注气后期,CH4产出量反而较小。上述结果对指导室内开展ECBM实验和分析ECBM室内实验的结果具有指导意义。     

瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。     

煤层瓦斯抽采过程中煤岩变形的物理模拟实验

利用自主研发的多场耦合煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统,研究了抽采过程中煤体内不同位置变形演化规律,探讨了抽采位置、地应力和气体压力对抽采过程中煤体变形的影响。结果表明：煤体变形受地应力、抽采位置、时间和煤层气体压力等因素的共同影响,且抽采初期的煤体变形速率较大;煤体σ1方向的变形普遍大于σ2和σ3方向的变形,σ3方向的变形与煤体所受的地应力大小σ3呈正比;由于最先产生变形的煤体引起的泊松效应限制了距离抽采位置较远煤体的变形量,所以距离抽采位置越近,抽采过程中煤体变形速率和最终变形量越大;煤层中的气体压力越大,煤体变形速率越快,在气体压力降低并趋于稳定后,煤体变形达到一个稳定状态。     

不同阶煤超临界CO2驱替开采CH4试验研究

由于地质成因与孔裂隙结构的差异,不同阶煤的渗透性与驱替开采CH 4效果不同。为研究超临界CO 2在不同变质程度煤体中驱替开采CH 4的效果,利用尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的原煤试件,在恒定的温压(50℃,25 MPa)条件下,以10 MPa超临界CO 2驱替压力对4种不同变质程度的煤(弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤)展开试验研究,结果表明:①不同煤阶煤体的孔隙形态与发育程度有较大差异,弱黏煤孔隙类型以墨水瓶型为主,无烟煤孔隙为狭缝型,而气煤与1/3焦煤则为楔形或平行板孔;对比孔隙比表面积,无烟煤与弱黏煤相对较高,分别为259.6510,154.0669 m 2/g,而气煤与1/3焦煤较低,分别为71.2359,41.4201 m 2/g;②煤渗透率受成矿地质环境和构造活动等导致的煤体结构、变质程度、裂隙发育程度、煤岩组成等多种因素的影响,在相同的有效应力下,4种测试煤样渗透率随变质程度升高而逐渐降低,驱替过程中CO 2注入量也随变质程度升高而降低,在25 MPa围压、10 MPa注入压力条件下,弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤的渗透率分别为4.58×10-18,2.75×10-18,0.91×10-18和0.05×10-18 m 2,驱替实验结束时,CO 2注入量分别为18.13,6.45,5.01和0.78 mol;③4种煤试件的CH 4产出率和CO 2储存量均表现为气煤>1/3焦煤>弱黏煤>无烟煤,孔隙以楔形或平行板孔为主、比表面积较低、渗透率中等的气煤与1/3焦煤驱替置换效果相对较好,反映了超临界CO 2驱替开采CH 4效果是不同变质程度煤孔隙形态、发育程度以及渗透率的综合表现。     

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。