煤岩渗透率与有效应力耦合关系及控制机理

以沁水盆地南部寺河矿3#煤为研究对象,通过煤样的有效应力敏感性实验,分析了煤岩渗透率与应力的相关关系,并对煤储层渗透率与应力的耦合计算模型进行验证。研究结果表明:煤岩渗透率与有效应力具有明显相关性,随着有效应力的增加,煤岩渗透率呈负指数衰减;裂隙是影响煤储层渗透率对有效应力敏感性的重要原因,且在有效应力大于9.45 MPa以后裂隙基本闭合,导致渗透率对应力不敏感。煤岩储层应力的变化会对煤岩及其孔裂隙结构产生塑性(破坏性)变形,致使煤储层渗透率发生不可逆下降,不可逆程度多高于50%。孔裂隙塑性变形主要发生在应力敏感区和过渡区,且由应力敏感区向过渡区过渡时,衰减无因次渗透率值会出现1个"波谷";由应力过渡区向不敏感区过渡时,衰减无因次渗透率值会出现1个"波峰"。     

构造曲率对煤储层初始渗透率的影响研究——以沁水盆地郑庄-樊庄区块为例

基于沁水盆地南部郑庄-樊庄区块3号煤顶面标高等值线资料,采用正方形网格差分法计算煤层三维曲面上各点的最大主曲率值与裂缝的方位角,探讨构造曲率对煤层初始渗透率的影响。结果表明,最大主曲率值为0.4～2的区域煤层渗透性较好;最大主曲率值大于2的区域构造破坏过于强烈,渗透性较差;最大主曲率值小于0.4区域裂隙发育程度低,渗透率低。裂缝面垂直于最大水平主应力时初始渗透率值较低,平行于最大水平主应力时初始渗透率值较高。     

沁水盆地南部Y区煤层气储层物性参数计算方法研究

在煤层气评价中,孔隙度和渗透率是最重要的物性参数。为了提高沁水盆地南部Y区煤岩的孔隙度与渗透率的计算精度,分别用简化的阿尔奇公式和F-S法计算裂缝孔隙度和裂缝渗透率。由于F-S法计算渗透率时裂缝宽度难以获取且相对受到地质条件的影响,因此,利用KNN算法对渗透率进行预测。研究表明,煤层孔隙度的主要影响因素有构造演化、变质作用、埋藏深度、煤岩物质组成、煤化作用等;渗透率的主要影响因素有煤体结构、煤的埋深、气体滑脱效应、基质收缩效应、有效应力以及其他因素等。简化阿尔奇公式算得裂缝孔隙度在0.065%～0.559%之间。KNN回归法利用密度、自然伽马、声波时差、深浅侧向电阻率等测井数据,对Y区4口测试井的测井数据进行样本训练,通过5折交叉验证法验证得到模型预测精度为95%,实现多种测井信息融合,预测结果与生产实际相符,为Y区的渗透率计算提供参考。     

柿庄南区块煤储层构造对渗透率控制关系的定量研究

基于柿庄南区块3~#煤层构造特征,结合测井资料和GSI多参数拟合,通过煤层构造曲率和渗透率的统计分析,定量研究煤储层构造对渗透率的控制关系。研究表明:煤储层构造曲率介于(0.3～2)×10~(-4)/m时,渗透率均大于0.2×10~(-3)μm~2;构造曲率低于0.3×10~(-4)/m或者高于2×10~(-4)/m时,煤储层渗透率均小于0.2×10~(-3)μm~2。煤储层构造曲率过高或过低都不利于渗透率的提高,以中等为好。     

构造曲率对煤储层渗透率的控制关系

基于沁水盆地丰富的试井渗透率资料,结合研究区的构造地质背景,对煤储层渗透率和构造曲率之间的关系展开了探讨.研究结果表明:试井渗透率大于0.5md对应的构造曲率介于(0.05～0.2)×10-4/m之间,对于煤层气开采的有利区而言,构造主曲率以中等为好,过低或过高都不利于煤储层渗透率的提高.     

综采过背斜构造临空巷道冲击地压防治技术研究

为了解决葫芦素煤矿21103工作面过B4背斜区域临空巷道冲击地压问题,采用微震、应力监测及现场实测研究了21103工作面过B4背斜期间回风巷围岩变形破坏特点,结果表明:21103回风巷冲击危险高是由采空区、构造及超前支承压力等因素影响,背斜构造区域煤岩体内积聚了大量弹性能,揭露背斜轴部时单个微震事件释放的能量更大,冲击危险性较揭露背斜两翼也更大。背斜两翼应力集中程度为正常巷道段的1.23倍,背斜轴部应力集中程度为正常巷道段的1.47倍。对21103回风巷设计采用由上至下分阶段四级高强卸压方法,对于监测具有冲击危险区域,采取大直径钻孔或爆破解危措施,降低了21103回风巷冲击危险程度,确保21103工作面过B4背斜期间安全回采。     

贵州盘县某矿区孔裂隙发育及煤变质程度对煤储层渗透性影响初探

基于煤储层渗透性是煤层气资源开发成败的关键因素,结合贵州盘县某矿区的煤层裂隙发育程度,从研究区的部分煤层孔隙率、多组煤样的液氮吸附和压汞实验、煤样矩形网状裂隙发育形态、孔隙发育状况及煤岩裂隙形态等方面剖析了孔裂隙发育程度对研究区煤储层渗透性的影响。煤变质程度对贵州矿区煤储层渗透性影响研究表明:渗透率和孔隙度总体趋势随着镜质组最大反射率逐渐升高,有先减小后增大的明显趋势;煤阶较低煤层的煤岩孔隙度大,渗透率较高;随着埋深的逐渐增加,煤变质程度逐渐加大,其渗透率随之降低;但镜质组最大反射率大于2.5%时,煤层孔隙度和渗透率也随之变大。     

澳大利亚苏拉特盆地煤层气地质特征及富集模式

苏拉特盆地中侏罗统Walloon煤系地层蕴含着巨大的煤层气储量,正确了解其成藏特点是成功开发的关键,综合运用了沉积学、地质统计学及天然气地球化学等研究手段对煤层的沉积环境、构造特点、煤岩煤质、天然气成因及富集模式进行了系统研究。研究结果表明:Walloon煤系主要以曲流河的河漫滩及曲流河三角洲平原的沼泽为沉积背景,煤岩具有演化程度低、灰分较高、显微组分变化差异小等特点;高渗透性、高兰氏压力是煤储层的显著特征;构造转换带对储层渗透率有重要影响;煤层含气量较低,煤层气成因类型以次生生物成因气为主,热成因气为辅;不同区域、不同层段成藏类型存在差异,北部向斜区Juandah组为水动力封堵型,东北部Undulla鼻隆区及东部斜坡的局部地区Taroom组为背斜—水驱封堵型。     

考虑温度、孔隙压力影响的煤岩渗透性演化机制分析

为探究煤层气抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩渗透特性变化的影响,以贵州黔北煤田原煤为研究对象,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,通过控制进出口气体压力分别设定3个不同压差条件,开展不同温度下改变孔隙压力的渗流试验。在当前典型的S&D模型基础上结合温度引起的吸附变形、热膨胀和滑脱效应的作用,新建考虑温度和恒定外应力条件下的渗透率模型。通过试验与模型对比验证其合理性,并对有无考虑滑脱效应的渗透率计算值进行了定量分析。结果表明:①渗流试验过程中,煤岩渗透率随孔隙压力升高而降低,其渗透率下降量受温度升高影响呈现降低趋势;孔隙压力升高,煤岩渗透率受温度影响的敏感程度逐渐降低。②在试验的各孔隙压力点下,温度升高使得煤岩渗透率降低;在各温度状态下,煤岩渗透率随压差增大呈现降低趋势。③经定量分析后发现修正模型较其他两个模型更加符合试验结果,且修正模型的滑脱因子随温度升高而增大,从理论方面验证了模型的合理性。④考虑滑脱效应的煤岩渗透率曲线比不考虑滑脱效应的渗透率曲线更加符合试验结果。在不同温度条件下,前者的渗透率计算值大于后者的计算值。随孔隙压力升高,滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。     

沁水盆地柿庄地区构造煤定量分析及其物性特征

构造煤由于煤体结构不稳定及低渗透率的特点影响了煤层气的开发,基于测井资料的煤体结构定量分析有利于识别构造煤,有效预防构造煤对煤层气的不利影响。利用煤岩地球物理响应特征及地质录井资料,对构造煤进行了识别。针对柿庄地区煤岩特点,首先进行测井响应参数与煤体结构之间地相关性探讨,主成分分析结果表明,柿庄地区构造煤的测井响应特征主要与声波时差、补偿中子、密度及井径等4个测井参数相关性较大,相关性均高达0.8以上,相比而言,电阻率测井参数与构造煤体之间相关性较弱。基于以上4种高相关性参数响应特点并结合柿庄地区煤岩骨架测井参数基值进一步提出了煤体结构指数e作为判识构造煤的指标,当e1.8时,煤体结构普遍为构造煤。不同煤岩结构物性对比研究表明:与原生构造煤及碎裂结构煤相比,研究区构造煤具有低含气量、高演化程度及高黏土矿物含量的特点。     

有效应力对煤层渗透性影响的实验和模型研究

与常规储层相比,煤层气储层具有一些典型的特点:压缩性强,孔隙/裂隙结构复杂,孔隙度/渗透性低等,煤岩应力敏感机制和影响因素更加复杂。针对滇东黔西地区煤岩,采用非稳定压降法测定不同有效应力条件下不同方向的煤岩渗透率。并结合压汞,扫描电子显微镜(SEM)和微计算机断层扫描(micro-CT)手段来分析煤样孔隙/裂隙结构,评价其渗透率应力敏感性及损害规律,并揭示其应力敏感机理。结合实验结果,建立了改进的Walsh应力-渗透率模型。实验结果表明,垂直和平行于层理面的煤岩渗透率随有效应力均呈指数变化,初始阶段煤岩渗透率下降显著,最终趋于平缓。垂直和平行于层理面的煤渗透率有效应力敏感性均较强,初始渗透率越低,应力敏感性越强。利用改进的渗透率模型预测误差在15%以内,可以满足渗透率的工程要求。研究结果对煤层气产能预测和生产制度的优化具有一定意义。     

围压作用下煤粉充填煤岩裂隙渗流特性

为了研究不同颗粒大小的煤粉充填煤岩裂隙对煤层气渗透率产生的影响,以焦作煤业有限责任公司下属的赵固一矿二1煤储层为研究对象,以不同粒径煤粉为充填介质,在一定围压条件下,以不同气压和不同裂隙宽度进行了煤粉充填煤岩裂隙渗透特性实验。结果表明:在一定围压条件下,随着气压的增大,相同裂隙宽度不同目数煤粉充填的煤岩裂隙渗透率都先增大后减小,且峰值渗透率随着煤粉目数的增大也减小;在不同裂隙宽度相同目数煤粉充填的煤岩裂隙中,煤岩裂隙渗透率随着充填宽度的增大而增大。     

沁南地区煤岩构造发育特征及其渗透率响应

通过对研究区节理构造的研究,结合构造分形分维特征,阐明了研究区构造发育规律。利用测井曲线对研究区构造煤发育情况进行了预测,探究了夹矸发育情况对煤体受力变形的影响,并利用实验手段揭示了不同应力条件下的煤岩渗透率响应特征,划分了煤岩有效应力对渗透率敏感区的埋深范围。     

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%。     

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。     

沁水盆地南部高阶煤储层渗透率与孔裂隙发育的耦合分析

为分析高阶煤储层渗透率与孔裂隙发育的耦合关系,以沁水盆地南部3~#煤储层为研究对象,采用分形理论研究了孔隙的分形特征,利用几何分形模型计算了不同孔径孔隙对煤岩渗透率的贡献比例,线性拟合了渗透率与孔隙分形维数、体积百分比和镜质组最大反射率R_(o,max)等因素的相关关系。研究结果表明:孔裂体积以微、小孔为主,比表面积比以微孔最高;孔隙类型以半封闭孔为主;煤样孔隙度平均为4.652%,渗透率平均为8.68×10~(-5)μm~2,大孔和裂隙对渗透率的贡献平均为99.809%,沁水盆地南部3~#煤储层渗透率主要来自于大孔与裂隙的贡献;渗透率、孔隙度与R_(o,max)之间具有较弱的相关性,随着变质程度的增加先上升再下降;渗透率与中孔、大孔和裂隙的分形维数呈正相关关系,与微小孔分形维数呈负相关关系。     

寺河井田煤层气产能分布特征及影响因素分析

为研究寺河井田煤层气产能分布特征及其影响因素,以气井整个生命周期不同阶段的时间节点为分类标准,利用统计分析法对其历史排采数据进行归类,追踪气、水随时空变化特征,并从地质及工程两方面分析产能分布主控因素。结果表明:随着排采时间延长,煤层气井高产区范围逐渐扩大,低产区范围逐渐缩小,产能分布区域差异性大;构造、含气性、渗透率是产能的主控地质因素,含气性与产能分布一致度较高,构造通过影响含气性间接控制产能分布,渗透率差别较大时,产能与渗透率相关性显著;压裂、储层伤害、井下采掘活动是产能的工程影响因素,特别是储层伤害和井下采掘活动对产能影响较大,布井时需合理规划井上下联合开采时间关系,使气井达到产能最优化。     

基于脉冲衰减法的煤岩渗透率应力敏感性研究

为了弄清不同应力加载条件下的煤岩渗透率应力敏感性关系规律,采用脉冲衰减方法通过分别改变围压和孔压条件下观察煤岩渗透率随应力的变化,并对应力敏感的产生机理从孔隙结构角度进行分析。研究结果表明:脉冲衰减法较适合于较低渗透率煤岩渗透率应力敏感性试验;煤岩随着不同应力变化都表现出强的应力敏感性,整体呈指数衰减,煤岩对围压变化比孔压变化的应力敏感性更强。在围压先升再降过程中,升压过程较降压过程表现更强敏感性。煤岩渗透率应力敏感产生机理主要是由于应力的变化引起煤岩割理与孔隙吼道的变化;相对渗透率大样品主要以割理和大孔隙为主,渗透率小样品主要为小孔和吼道发育;当所受应力变大时,后者更易孔隙压缩、通道受阻、渗透率急剧变小、敏感性更强。     

煤岩微观结构分析及其与压裂液设计的关系研究

为了更直观和量化分析煤岩微观结构,以指导压裂液设计,提高压裂液效率和降低煤储层伤害,采用显微光度计、环境扫描电子显微镜和CT扫描等微观结构分析方法,得到了不同维度和角度的煤样裂隙结构图,并定量分析了煤样裂隙参数。结果表明:不同区块煤样的主裂隙长度、主裂隙宽度有很大不同;割理有明显的同向性,容易产生沟通的裂缝;裂缝的排布在微观尺寸上很复杂,使得裂缝对复杂的应力剖面和压裂过程中应力场的变化很敏感;裂缝具有各向异性和非均质性,提高了压裂液伤害的概率。通过定量分析可知:不同区块煤样的成分不同,其源于不同的地质作用,同时也导致了不同的压力液作用效果;CT软件可以通过统计计算受测样品的孔隙度和渗透率,试验样品的孔隙度为2.68%,渗透率为6.65×10~(-3)μm~2,与孔隙度-渗透率试验结果数值相近,印证了煤层低孔低渗的显著特点。润湿-吸附试验等数据证明不同的煤结构和成分是导致压裂液作用性能不同的原因,通过对煤岩微观结构分析能够指导压裂液的研究,为压裂液设计提供依据。     

煤样加载过程声发射响应特征试验研究

为了探究不同裂隙发育程度、分布非均匀程度的煤样在加载过程中声发射响应规律,利用RMT-150B岩石力学伺服试验系统和声发射监测系统对寺河矿不同裂隙发育程度、分布非均匀程度的煤样进行原始渗透率和加载过程中声发射参数测试。结果表明:裂隙分布较均匀的煤样加载时,声发射能量在塑性变形阶段前期或弹性变形阶段后期快速增至最大值,后略有减小并维持在一定水平;裂隙分布非均匀性强且裂隙发育的煤样加载时,声发射能量在弹性变形初期就达较高值,后逐渐增加至最大值,随后稳定在一定值。试验结果对采煤过程中煤岩变形规律具有较好的预测作用。