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%。     

中间主应力对砂岩扩容及强度特性影响

基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了真三轴应力(σ1﹥σ2﹥σ3)条件下,保持体应力不变、改变中主应力系数的砂岩强度试验,探讨了不同中主应力系数条件下砂岩的变形、强度及剪切破坏特性。试验结果表明:在真三轴应力条件下,扩容起点随中主应力系数b的增大而呈递减趋势。应力加载过程中扩容存在明显的阶段性:随最大主应力的增加,稳定压缩段,体应变近似呈线性递增趋势;加速扩容段,体应变近似呈二次函数增大,且应变速率呈线性增大。保持体应力不变条件下,砂岩峰值强度随中主应力系数b的增大而逐渐降低,符合修正Lade准则。试验应力条件下,岩样主要发生双斜面对称剪切破坏,剪切破坏面倾角随b的增加呈线性增大。     

滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征研究

地应力特征是煤层气勘探开发,尤其是压裂设计的基础研究内容。为了探明滇东老厂矿区地应力分布特征,基于测井资料、岩石力学试验及水力压裂曲线,利用带附加构造应力项的Anderson模型,计算了滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征参数,分析了地应力分布规律及对储层渗透率的影响。结果表明:滇东老厂矿区煤储层地应力整体为10～30 MPa,属中高应力区。最大水平主应力σ_H,最小水平主应力σ_h和垂直主应力σ_V随埋深增加而增加,并且垂向上应力场随埋深增加逐渐由水平主应力主导变为垂直主应力主导,800 m为应力转换点,800 m以浅以σ_Hσ_Vσ_h为主,表明有利于走滑断层应力场活动,煤层处于压缩状态; 800 m以深以正断层应力场(σ_Vσ_Hσ_h)为主,垂直主应力σ_V为主控应力,煤层处于拉张应力状态。侧压系数整体上位于中国和Hoek-Brown内外包络线之内,且随埋深增加逐渐由大于1为主,减小到应力转换带深度下的普遍小于1。地应力通过埋深对渗透率起控制作用,煤层埋深在800 m内,孔隙在挤压应力作用下逐渐闭合,渗透率随埋深增加呈负指数减小,800 m以深垂直主应力为渗透率主控因素,储层处于拉张应力状态,且天然裂缝近乎垂直发育,天然裂缝在垂直主应力作用下开启,渗透率随埋深增加而增加,渗透率变化点与应力场变化点基本一致。     

应力环境对层面区域水压裂缝扩展的影响

无论是传统的煤炭、石油、天然气资源开采,还是新兴的非常规天然气开采,控制水压裂缝尽量在指定的资源储层中横向延伸、限制储层外垂向水压裂缝的数目和扩展长度是提高水压致裂效率和保护地层环境的有效途径。层面所处的应力环境是影响水压裂缝扩展的关键因素。采用RFPA2D-Flow,对不同应力环境下,水压裂缝初至层面的扩展行为、沿层面水压裂缝最大开裂长度和水压裂缝的破坏形态进行了模拟。模拟结果表明:1应力环境对水压裂缝初至层面时的扩展行为没有影响;2沿层面水压裂缝扩展的最大长度随主应力比的增加呈双曲线降低;3双向等压时,水压致裂沿层面方向的影响范围最大;4随着主应力比的增加,层面对水压裂缝扩展的影响逐渐减小,应力的作用逐渐增加,水压裂缝沿垂直于最小主应力方向穿层面扩展。     

煤储层应力敏感性及影响因素的试验分析

采用鄂尔多斯盆地东南缘高煤级煤储层样品,通过煤样的应力敏感性试验,分析了煤储层应力敏感性及有效围压、煤中裂隙和含水情况等对煤储层应力敏感性的影响。研究结果表明：煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,当有效应力从2.5 MPa增加到10 MPa时,煤样无因次渗透率为0.10～0.28,平均低于0.15,渗透率损害率为71.92%～90.14%,平均为84.59%。在有效应力小于5 MPa时,煤储层渗透率随有效应力增加快速下降,应力敏感性最强;有效应力在5~10 MPa时,渗透率随有效应力增加而较快下降,应力敏感性较强;而当有效应力大于10 MPa后,渗透率随有效应力的增加下降速度减缓,应力敏感性减弱。含裂隙煤样初始渗透率较高,且应力敏感性相对较小;但在升压过程中产生不可恢复的塑性变形大,导致降压后不可逆损害率相对较高。同样,含水煤样的渗透率随有效应力的增加而快速下降,含水条件下的应力敏感性也更明显。     

各向异性表征技术在页岩气储层探测中的应用

为了更好地辅助页岩气储层探测工作,研究各向异性表征技术在页岩气储层探测中的应用,以某省西部主体构造为侏罗山式隔档式褶皱地形区域为研究对象,利用各向异性表征技术预测页岩裂缝,通过分析地震波在页岩介质内的传播变化特征,得到页岩内气储层裂缝位置,获得页岩气储层区。实验结果表明,当裂纹密度增加时,裂缝随着法向方向形状逐渐变平,此时页岩气储层的纵波速度各向异性较为明显,表明当前页岩气储层区域的含气量较多;页岩的裂纹密度增加时,其饱含水裂缝的水平面速度分量分布显著,在其水平面速度分量区域中部形成横波波纹,说明页岩饱含水层的气储层内气含量较低;P波振幅与其入射角成反比例关系,表明页岩气储层介质的各向异性特征明显。     

不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响

通过开展鄂尔多斯盆地东缘高中低煤阶不同含水饱和度煤储层应力敏感性实验,研究了煤储层渗透率动态变化规律及其对煤层气产出的影响。实验结果证实:不同煤阶煤储层渗透率随有效应力的增加均呈现负指数函数降低的规律。在有效应力小于5 MPa时,煤储层渗透率随有效应力增加快速下降73%~95%,平均87%,煤储层应力敏感性最强;有效应力在5~10 MPa时,渗透率随有效应力增加而较快下降5%~18%,平均10.4%,煤储层应力敏感性较强;而当有效应力大于10 MPa后,渗透率随有效应力的增加下降速度减缓,应力敏感性减弱。实验结果表明中高煤阶煤储层应力敏感性随有效应力增加要弱于低煤阶。随着煤样含水饱和度的增加,煤储层应力敏感性也逐渐增强。根据煤储层渗透率动态变化规律提出了煤层气井排采过程中应遵循缓慢—保压—持续的排采工作制度,才能获得煤层气最大产出量。     

正交各向异性裂隙煤层地震波波速响应特征研究

煤层中常发育近似正交裂隙,正交裂隙近似为正交各向异性介质,地震波各向异性响应特征与裂缝介质关系可以利用作为地震波进行裂隙预测,为了研究煤层中地震波传播速度受裂缝介质的影响,选取正交各向异性裂隙煤层(称OA煤层)为研究对象,根据正交各向异性介质弹性矩阵,结合Schoenberg线性滑动理论和Hudson理论,利用正交各向异性煤层裂隙等效方法,并用正交各向异性介质群、相速度公式,实现对正交各向异性煤层群、相速度分析,进一步研究了受正交裂隙参数影响下煤层地震波各向异性参数变化和速度响应规律。研究结果表明:在给定理论模型中,若煤层裂缝中充填不同流体,当裂缝纵横比或裂隙密度恒定时,各向异性参数也会随着充填流体体积模量的变化而变化; OA煤层干裂隙(气充填)和饱和水裂隙模型中纵波都表现出较强的各向异性,P波对OA煤层裂隙中干裂隙(气充填)、饱水都比较敏感,SV波对OA煤层含水裂隙更敏感,而对含气裂隙却不敏感。     

温度和应力对砂岩渗透率影响规律研究

岩石的渗透率反映了其通过流体的能力,为了解决砂岩气、页岩气等油气藏开采过程中储层岩石渗透率低,资源开采量少的问题,在太原理工大学自主研发的高温高压真三轴试验机上,模拟研究了页岩气藏储层砂岩在地下深部实际高压状态,探究了真三轴试验状态下砂岩在100～400℃下的渗透率演化规律。研究结果表明:砂岩的渗透率在100～280℃内的渗透率变化为缓慢下降,渗透率为10~(-16)～10~(-17)m~2数量级,渗透率在阈值温度280℃后,砂岩渗透率增大数倍到数10倍,最高增幅达46倍,在温度340℃后渗透率趋于平稳,处于10~(-15)m~2数量级。同时也表明岩石的应力状态对渗透率有直接的影响,相同围压条件下的砂岩,最大主应力大多试件其最大主应力方向上的渗透率在阈值温度前后的增幅越大。     

覆压下煤的孔渗性实验及其应力敏感性研究

采用沁水盆地南部煤样,通过覆压下煤的孔隙度和渗透率实验分析,建立了高煤级煤样孔隙度、渗透性与有效应力之间的相关关系和模型;采用渗透率损害率和应力敏感系数分析了高煤级煤储层的应力敏感性。研究结果表明:煤样孔隙度和渗透率随着有效应力的增加按负指数函数规律降低。在有效应力小于5或6 MPa,煤储层应力敏感系数变化较大,且煤储层应力敏感系数随有效应力增加而快速下降;渗透率损害率随有效应力的增加而快速增大,应力敏感性强;而在有效应力大于5或6 MPa时,煤储层应力敏感系数随有效应力的增加下降速度整体减缓,且存在一定波动变化,应力敏感性减弱,同时渗透率损害率随有效应力的增大而增加较为缓慢。     

Acoustic velocity changes during shear enhanced compaction of sandstone

A series of triaxial compression experiments have been conducted on dry Berea Sandstone at confining pressures of 20, 40, 60, 80, 100, and 138 MPa to examine the stress-induced compressional and shear wave anisotropies. The results indicate that a significant compressional wave anisotropy and a marked lateral shear wave birefringence develop during both dilatant brittle shear failure and during shear-enhanced compaction. These anisotropies decrease in tests at successively higher confining pressures. Compressional wave velocity anisotropy continues to increase with increasing strain during shear-enhanced compaction, an effect not observed after brittle shear failure. Polarized shear wavess parallel to the principal stress axis do not exhibit birefringence until after brittle shear failure.     

Evaluation of the 2-D permeability tensor for fractured rock masses

An approach is established to evaluate the 2-D permeability tensor of naturally fractured rock masses by using modified UDEC 5. Based on the superposition principle, directional flow-rates through a unit square of fractured rock under head gradients in two orthogonal directions can be calculated with UDEC. Then the flow-rates are transformed into flow-rates through a field rock mass for evaluating the permeability tensor. Two kinds of fractured rock models, fixed hydraulic fracture aperture and variable hydraulic fracture aperture under stress, were studied by using this approach. For the first model, the permeability tensor of a fractured rock mass only depends upon the statistical features of fracture pattern geometry, including orientation, trace length, density of fractures. For the second model, the permeability tensor strongly depends upon both the geometry of the fracture pattern and the applied stress, such as the direction and magnitude of principal stress as well as the ratio of major principal stress to minor principal stress.     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

煤储层裂隙参数正演分析

以TTI煤层的二维三分量各向异性弹性波方程为基础,推导Lebedev网格的有限差分格式,对不同裂隙参数的TTI介质进行数值模拟,分析裂隙参数对地震波场的影响,建立3层介质模型,获得不同裂隙密度和裂隙填充物的理论模型,正演得到煤层的AVO记录。通过对模拟结果的分析可知:(1)当煤层介质为干裂隙时,纵波的速度各向异性对裂隙反应敏感,当煤层介质为含流体裂隙时,横波的速度各向异性对裂隙反应敏感;(2)煤层顶板的反射系数为负值,底板为正值,煤层顶底板反射系数受多种因素的影响;(3)在煤层裂隙介质为干裂隙时,裂隙密度的变化对于反射系数曲线的截距影响较大,而对斜率的影响较小,在煤层裂隙介质为含饱和流体时,裂隙密度对于煤层反射系数基本无影响;(4)随着裂隙密度的增大,裂隙填充物对于反射系数的影响也相对增大。     

低煤阶厚煤层水平井方位及选层——以吉尔嘎朗图地区为例

为解决低煤阶厚煤层水平井钻井方位及层位优选难题,基于低阶煤应力敏感性机理和多斜交裂缝水平井产气模型,定量研究了水平应力差、裂缝对水平井方位的影响。通过弱面理论、断裂力学建立起煤层气井井壁稳定计算模型,提出针对厚煤层的测(录)井-脆性指数综合选层方法。研究表明:① 沁南煤岩压缩系数为0.038~0.077,鄂东煤岩压缩系数为0.025~0.074;低阶煤比高阶煤的压缩系数大,含水湿样比干样的压缩系数大;升压时的煤岩压缩系数比降压时大,裂缝样压缩系数降幅大于自然样;② 水平应力差会导致渗透率各向异性,压缩系数和水平应力差是影响水平井方位的两个最重要因素,低煤阶水平应力差大于8 MPa或高煤阶水平应力差大于14 MPa后,最优方位近似平行于最小水平主应力方向。裂缝与井眼夹角大于60°后产气最优,缝宽大于3 mm后产气量对缝宽的敏感度明显降低;③ 面割理倾角小于25°时,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口最大,沿面割理走向的安全钻井液密度窗口最小;倾角大于25°后,沿面割理倾向的安全钻井液密度窗口仍最大,走向与倾向之间的安全钻井液密度窗口最小;④ 吉尔嘎朗图地区水平井优选方位为NE90°~114°,JM-X井生产实践表明该选层方法能有效指导厚煤层选层。     

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。     

高陡倾斜煤层沿煤层钻井研究——以准南昌吉地区为例

针对准噶尔盆地南缘煤层倾角大、地应力复杂的煤层气井钻探难题,基于弱面理论研究了煤层倾角、地应力、造(降)斜对井壁安全的影响,建立起多目标约束的沿煤层钻井轨迹优化模型。研究表明:(1)昌吉地区煤层倾角为10°~25°,局部达到25°~40°,属于高陡倾斜煤层,具有渗透率各向异性强、地应力各向异性强、岩体力学性质各向异性强的特点。(2)钻水平井时,根据倾角对井壁稳定影响分为作用区、过渡区和反转区,倾角在5°~25°时为作用区,沿倾向钻井最安全,沿走向钻井最危险;倾角大于65°后进入反转区,沿倾向、走向都成为安全钻井方位。地应力各向异性越大,坍塌压力越高、安全钻井方位的范围越小。(3)沿煤层倾向钻井时,倾角小于35°时建议沿煤层上倾方向钻井;倾角大于65°时建议沿煤层下倾方向钻井;倾角在35°~65°范围内井壁安全性最低,建议沿煤层走向钻井;井斜角在45°~65°时是最危险造(降)斜段,应尽量避免在此井斜范围对煤层造(降)斜。(4)为降低煤层着陆点到首靶点的坍塌压力,提出S型、J型两种沿煤层钻井轨迹类型,从对比结果看出本文方法比常规方法设计的井眼进尺更短、摩阻扭矩更小。     

微生物诱导碳酸钙沉淀填充裂隙岩体渗流规律试验研究

利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)填充裂隙岩体,采用自主研发的三轴压缩渗流试验装置,进行了不同裂隙宽度、充填率、围压条件下MICP充填裂隙岩体渗流试验,同时测量岩体横波波速。研究结果表明: MICP充填裂隙岩体试样渗透系数受裂隙宽度的影响,也受填充率影响。不同宽度的MICP充填裂隙岩体渗透系数随围压升高呈下降趋势,最高可下降58.03%; 当围压较小时,渗透系数下降较快,随着围压增大,渗透系数下降速度逐渐减慢; 同一岩性MICP充填裂隙岩体渗透系数随波速增加而减小。MICP充填裂隙岩体渗透系数计算公式可拟合为自然对数横波波速与负指数围压之和形式。研究结果对于MICP充填技术在裂隙岩体注浆应用具有重要意义。     

初始地应力作用下岩石爆破裂纹扩展研究

为了研究初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,本文分析了不同初始地应力情况下的裂纹扩展机理,并考虑了具有初始损伤的岩体在地应力作用下的裂隙区半径。鉴于初始地应力作用下裂隙区公式计算的复杂性,对于等向围压的岩体,引入了强度折减系数用于计算裂隙区半径,并通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟出不同初始地应力作用下的岩体在爆破时的裂纹扩展规律,并验证公式的适用性。得出如下结论：初始地应力作用下的岩体产生的爆破压碎区呈现类椭圆状,且随着初始地应力的增大其压碎区半径有着一定的增大趋势。单向初始地应力作用下对于爆破产生的主裂纹扩展起导向作用,裂纹的长度随着初始地应力的增大而逐渐减小,表现为抑制作用;双向等压地应力作用下主裂纹的扩展趋势为沿着最大主应力方向成大致成45°角,强度折减系数的引入有效的考虑了初始地应力作用下的岩体裂隙区半径;不等向初始地应力的裂纹扩展方向为沿着岩体最大主应力方向成一定角度,当一侧围压固定不变时,该角度会随着另一侧围压的改变而逐渐增大或者减小。