考虑应力作用的煤岩水相自吸实验研究

我国煤层气储层渗透率普遍偏低,为达到合理产能需进行压裂改造。煤层气储层裂隙发育导致压裂液滤失严重,强吸附能力使流体得不到有效返排,造成储层损害降低了渗流能力,大大削弱了增产改造的效果。开展了煤岩水相自吸实验,系统研究了煤岩水相自吸特性及应力状态的影响。结果表明,煤样渗透率越高自吸速率越大,自吸曲线可以分为自吸和扩散吸附2段,考虑应力作用自吸速率降低近一个数量级,揭示了煤岩物性和应力条件是煤岩水相自吸的影响因素。通过煤吸附水机理和煤岩孔隙结构分析指出,煤表面与水的相互作用和毛细管压力决定了水的自吸特性。研究获得的认识对煤岩气藏水相圈闭评价、压裂方式优选和压裂液设计具有借鉴意义。     

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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。     

煤层气复杂结构井可降解钻井完井液实验

为了解决煤层气复杂结构井钻井过程中钻井安全与煤层保护的矛盾,研制了可降解的钻井完井液,分析了其常规性能和降解性能,并分别采用解吸率法和渗透率恢复率法评价了钻井完井液对煤层解吸能力和渗流能力的保护效果.通过室内实验优选了适用于复杂结构井的可降解钻井完井液中的增黏剂、降失水剂和降解剂,并确定了钻井完井液的配方.钻井完井液各项常规性能良好,可有效携岩和保护井壁.钻井完井液具有良好的降解性能:加入浓度为2.0%~4.0%的降解剂后,3 h内降解率可达85%以上;降解完成后固相残渣少.钻井完井液可以有效保护煤层解吸能力和渗流能力:具有和清水一样良好的煤层解吸能力保护效果;煤样在不同返排压差下的渗透率恢复率均在60%以上,最高可达100%左右,且渗透率恢复率随着返排压差的增大而增大.图2表7参11     

煤岩气层损害机理与评价方法

目前国内外煤岩气层损害评价尚缺少统一的评价标准与指标。基于煤岩气层特点,分析了煤岩气层损害类型与机理,归纳了国内外分别从煤岩气层解吸性能、扩散性能和渗流性能进行评价的单一环节损害评价方法,分析各评价方法的优缺点及其适用条件。应力敏感、固相侵入与堵塞、聚合物吸附滞留、碱敏、煤粉运移堵塞是煤岩气层主要损害类型;煤岩气层损害既影响煤层排水,也影响煤层气产出,而煤层排水能力也影响煤层气产出;煤层气单一传质过程储层损害评价不全面,亟待建立单一传质过程结合多尺度传质过程的煤岩储层损害评价方法,但渗透能力评价仍然是关键,同时要考虑具有吸附气条件下水相渗流能力的损害评价。      

压裂液对煤岩气藏渗流性能的影响

水力压裂是实现煤岩气藏工业开采的主要增产措施,但煤岩气藏压裂过程中压裂液滤失严重、返排率低,将直接影响排水采气过程中地层水以及煤层气的渗流性能。为此,选用沁水盆地上石炭统—下二叠统太原组15号煤为研究对象,开展了低伤害活性水压裂液对煤岩气藏渗流性能的损害评价实验,并结合红外光谱和扫描电镜等微观分析手段对比了压裂液作用前后的煤岩表面特征和孔隙结构特征,进而深入分析了压裂液影响煤岩气藏渗流性能的微观机理。结果表明:无论宏观裂隙煤样还是显微裂隙煤样,气体渗透率损害率均明显大于液体渗透率损害率且宏观裂隙煤样渗流性能损害程度略大于显微裂隙煤样;压裂液作用后煤岩表面游离态羟基和羧基官能团增多,亲水性增加,压裂液吸附滞留现象严重,煤岩孔径及裂缝宽度变小,从微观角度揭示了煤岩气藏渗流性能下降的原因。该研究成果可为煤岩气藏压裂液配方优化和产能预测提供基础参数。     

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.     

钻井液侵入引起煤岩膨胀对煤储层的伤害

在分析了煤层气储层岩性特征和煤层水特征的基础上,通过室内静态实验测定了沁水盆地郑庄3号主力煤层煤样分别在蒸馏水、煤层水和1%KCl盐水中的线性膨胀率;并测定了煤样的水敏性。研究结果表明,煤岩遇水膨胀程度直接受煤中黏土矿物的影响,煤粉膨胀主要发生在开始与水接触的1h时间内,配制钻井液的地表水进入煤层后将造成煤岩膨胀,降低煤储层渗透率,对煤储层造成损害。     

钻井液损害煤层评价方法探讨

针对国内尚缺少统一有效的钻井液损害煤层评价方法的现状,基于煤层气产出及损害机理,提出了解吸量比值法和渗透率恢复率法联合评价钻井液对煤层损害效果的评价方法和指标,并对煤样解吸量比和渗透率恢复率的概念进行了定义。在此基础上,重点阐述实验评价方法以及煤层气自降解钻井液（CBMD）和常规无固相聚合物钻井液（WGJH）对煤层的保护和损害能力。实验结果表明：①CBMD降解后,渗透率恢复率较高,可达100%,对煤储层基本不伤害,而WGJH钻井液渗透率恢复率最高不超过30%;②CBMD污染过的煤样解吸量比达95.89%与清水接近,WGJH钻井液污染过的煤样解吸量比为20.11%。实验结果同时也解释了现场应用WGJH后煤层产气量低甚至不产气的原因,即煤层渗流通道恢复能力变差、煤层气解吸能力降低。结论认为,该方法实用、有效,可作为钻井液损害及保护煤层效果的评价方法。     

煤层气藏应力—渗流流固耦合模型及SPH求解

数值模拟是研究煤层气渗流的重要手段。将煤层气储层视为双孔双渗的多孔介质,同时考虑煤层的变形对瓦斯渗流的影响,建立煤层气藏应力—渗流流固耦合模型。综合考虑了煤层气的吸附与解吸效应、应力与渗流耦合作用等因素对煤层气开采的影响。采用SPH(Smoothed Particles Hydrodynamics)法求解控制方程,编制计算机程序。利用该模型求解并分析了煤层气的解吸—渗流过程以及煤层渗透率的变化情况。结果表明,SPH方法能够应用于煤层气解吸—渗流过程的数值模拟研究中来;煤层基质渗透率与裂缝渗透率与有效应力变化有密切关系,煤层气的渗透过程需要考虑煤层基质与裂隙受到的变形影响;考虑煤层气的吸附与解吸效应更加符合实际的煤层气渗流过程,能够更合理地估算实际采气过程中瓦斯涌出量。     

水饱和煤岩储层甲烷运移动态特征

为了获取低渗煤层两相流动参数,系统分析了水饱和煤层甲烷运移动态特征。通过水饱和煤样气体运移实验明确了两相流体流动行为,获取了气相渗透率、排驱压力和吸附速率等参数。结果表明:水饱和煤岩中甲烷运移需克服毛细管排驱压力,渗透率越小其值越大;基于压差与排驱压力的大小关系,水饱和煤层中甲烷运移可分为毛细管力控制和扩散控制两个阶段;气体存在损失现象,毛细管力控制阶段甲烷滞留于煤岩孔隙,扩散控制阶段甲烷吸附于煤岩表面;水相降低了气体扩散能力,渗透率越高吸附速率越小。研究成果有助于原地条件下低渗水饱和煤层两相流动参数测试方法的改进,有利于水饱和煤层气藏排采制度优化。     

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。     

生物产气对煤层气可采性指标的影响

煤层气开发受多种因素的影响,为了研究生物甲烷代谢对煤层气开采指标的影响,选择不同煤阶的煤样进行了生物代谢模拟实验。通过生物产气数据、代谢前后煤样等温吸附和孔隙结构等参数测试,计算煤层气的采收率、含气饱和度、临储比等开采性指标并分析其变化规律。结果表明:1煤层生物产气能提高煤层气资源量,但随着煤变质程度的增加,生物产气量逐渐下降,同时煤的亲甲烷能力也降低;2生物产气对煤储层孔隙结构有明显的改善,其大孔数量和总孔容两个指标显著增加,从而提高了煤储层的孔渗性;3生物产气后煤储层的临界解吸压力、含气饱和度与采收率等开采指标也都有不同程度的提高,河南义马千秋矿和山西柳林沙曲矿煤样的含气饱和度提高的幅度较大,山西西山官地矿煤样的变化幅度次之,但总体的变化趋势具有一致性。结论认为,煤层生物产气不但能增加煤层气资源量,而且还有助于提高煤层的可采性。该研究成果可以为我国煤层气生物工程现场实施提供参考。     

煤岩吸附曲线在煤层气勘探开发中的应用

煤岩吸附曲线是描述在一定条件下煤对气体的吸附（解吸）的性质,是煤层地质评价、试采措施及评估的重要资料。综合国内外几种不同类型的解吸曲线,阐述其在煤层气勘探开发中的参考价值,并提出了以下看法：①有利于煤层气开发的解吸曲线应该具有含气饱和度高、地解压差小、曲线斜率大的特点;②煤层渗透率是实现煤层降压,煤层气脱附和产出的重要因素;③鉴于实验求得的煤岩吸附曲线条件的限制,应使其更接近于实际。     

煤层气储层应力敏感性定量表征及影响因素研究

煤层气储层应力敏感性较强,对煤层气开发具有重要影响。采用不同区块天然煤样开展应力敏感性室内实验,应用应力敏感性系数和渗透率伤害系数2个参数评价了各煤样应力敏感性程度,并研究了煤阶、渗透率和储层气体压力等参数对煤岩应力敏感性的影响。结果表明：镜质组反射率R_o<1.7%时,煤阶越低,应力敏感性程度越大,渗透率伤害程度越高;而镜质组反射率R_o>1.7%时,煤阶越高,应力敏感性程度越大,渗透率损害程度越高;煤岩初始渗透率越高,应力敏感性系数越低,应力敏感性越弱,利用初始渗透率与其应力敏感性系数之间的经验公式可以估算煤岩应力敏感性,方便现场应用;储层气体压力越低,渗透率越高,越有利于煤层气开发,而煤岩应力敏感性系数和渗透率伤害系数也略高,需预防应力敏感性造成的渗透率伤害。     

关于煤层气甲烷碳同位素值对比的探讨

煤层气甲烷碳同位素值有别于常规天然气,具有总体偏轻的特征,其δ13C1分布比较分散,与煤岩成熟度存在一定联系,低煤阶偏轻程度较大。煤层气解吸过程发生同位素分馏,导致δ13C1存在不确定性,给对比分析带来干扰。通过研究不同采集方式(密闭解吸、密闭粉碎解吸和井口采集)下δ13C1的变化特征,结合不同的煤层气成因类型和煤岩成熟度,建立不同尺度解吸之间δ13C1的联系。研究表明:δ13C1随解吸程度增加而升高,孔隙游离气影响早期解吸气特征,低煤阶影响表现更明显。采集方式和解吸时间对δ13C1对比结果影响很大,晚期解吸气或较长时间的井口采集气能够代表原地煤层气的特征。对比δ13C1对认识煤层气的运移和富集成藏规律具有重要意义。     

基于等温吸附曲线的煤储层产气潜力定量评价——以黔北地区长岗矿区为例

含气饱和度、临储比等指标在用于煤层气选区选层评价时,未考虑煤层气解吸能力以及解吸过程中储层压力对气体解吸的影响,因而难以全面反映煤储层的产气潜力。为此,以煤样等温吸附实验为基础,提取临储压差、临废压差、有效解吸量、解吸效率等指标,建立了煤层气产出潜力的定量评价方法,并基于黔北地区长岗矿区煤层气井排采历史进行了分析验证。研究结果表明:(1)长岗矿区7号煤层的临储压差为2.35 MPa,0.2~1.0 MPa废弃压力下的临废压差介于2.06~2.86 MPa,煤层气有效解吸量介于9.32~18.9m3/t,具备较高的产气潜力;(2)研究区煤层气解吸过程只经历敏感解吸阶段,解吸效率高,煤层吸附时间短,见气后短时间内可获得较高产的气流;(3) FX2井煤层气产出潜力定量评价及排采历史验证了该区的煤储层具有煤层气开发产气潜力。结论认为:(1)研究区煤层气井排采初期应缓慢排采,尽可能减小降压速度、扩大降压漏斗波及范围和有效解吸半径;(2)优选相对高渗区及开展高质量的压裂,以扩大有效渗流半径,充分释放煤层气产能。     

煤储层含煤粉流体流固耦合渗流数学模型

通过考虑储层煤岩变形、骨架煤粉剥离、煤粉在孔隙中的运移沉积和喉道处的堵塞对煤岩物性参数（如孔隙度、渗透率、孔隙压缩系数及煤岩密度等）的影响,并考虑气溶于水及流体的源汇相的情况,建立了煤储层含煤粉流体流固耦合渗流的数学模型,为煤层气开发数值模拟提供理论基础。