煤层气藏强化采收全流固耦合模型

为了准确表征煤层注气强化采收过程中复杂的地质力学效应,同时考虑多孔介质、多相、多组分、多过程物质运移特征,构建了适用于强化煤层气采收(ECBM)与CO2地质埋存的全流固耦合数学模型,开发了基于全隐式有限差分的数值模拟算法,进而应用该模型与目前常用煤层气模拟软件进行了系统对比和剖析,并对加拿大FBV 4 A井注烟道气强化采收矿场试验开展了历史拟合。结果表明,所构建的全流固耦合模型能够更加准确地表征煤层注气强化采收过程中复杂的流固耦合作用及流体多组分、多过程运移规律,可准确预测储层孔渗等物性参数变化及煤层气产能,具有较高的矿场应用价值。     

考虑孔隙压缩及煤基质收缩效应的煤层气井产能预测模型及影响因素

煤层气井产能预测中仅考虑应力敏感效应而忽略基质孔隙收缩效应导致产能评价误差较大。在分析非达西作用、煤基质收缩作用的基础上，建立了考虑孔隙压缩及煤基质收缩效应的煤层气产能预测模型。结果表明：考虑非达西效应的煤层气井产量明显低于不考虑非达西效应的产量，并且随着生产压差的增大，二者之间的产量差异逐渐扩大；煤层气井井底流压的减小会导致生产压差增加，相应煤层气井的产量增大幅度下降；无论考虑非达西效应与否，随着生产压差的增大，产量差值逐渐增大；随着孔隙压缩系数的增大，煤层相对渗透率逐渐降低，并且相对渗透率与生产压差呈线性关系。实例验证表明，新的产能预测模型比Eclipse模型更接近实际产气量。研究成果可为煤层气井产能预测影响因素分析提供理论指导与技术参考。     

高煤阶煤层气井不同排采阶段渗透率 动态变化特征与控制机理

煤层渗透率动态变化规律是煤层气开发地质领域的研究热点之一。根据无因次产量分析方法,基于沁南地区15口高煤阶煤层气井排采数据,采用无因次产气率指标,将排采阶段定量划分为排水阶段、不稳定产气阶段、稳定产气阶段和衰减阶段;引用物质平衡方法,利用生产数据,计算并分析了各井不同排采阶段渗透率变化值。从渗透率变化趋势、主导机制、体系能量、相态构成和产能动态5个方面,阐释了高煤阶煤层气井不同排采阶段煤层渗透率动态变化特征与控制机理。研究结果表明,在高煤阶煤层气井排采过程中,煤层渗透率呈现降低—恢复—升高的特征;有效应力效应和基质收缩效应直接控制了煤层渗透率的变化特征;吸附与解吸特征从根本上控制了基质收缩效应的作用时间与强度。     

一种快速准确预测煤层气井生产动态的解析模型

为快速准确地预测煤层气井生产动态,结合物质平衡方程、产能方程及气水相渗曲线,建立了煤层气井全过程生产动态解析模型,并将所建模型预测结果与数值模拟预测结果进行对比,在此基础上,分析了煤层气井产能的影响因素。研究结果表明：①应用所建立的解析模型与数值模拟软件Eclipse预测的煤层气井产气量平均误差仅为 3.3%,验证了所建解析模型的可靠性,能满足工程应用的要求;②相比于高渗煤层,提升低渗煤层的渗透率,煤层气井的增产效果更显著;③煤层原始含水饱和度越低、煤层厚度越小,煤层气井产气高峰出现得越早,而渗透率和临界解吸压力对煤层气井产气高峰出现的时间早晚几乎没有影响;④煤层厚度越大、渗透率越高、临界解吸压力越高,产气量峰值越高;⑤原始含水饱和度、煤层厚度及临界解吸压力与煤层气井累计产气量呈近线性关系,累计产气量随临界解吸压力和煤层厚度的增大而增大,随原始含水饱和度的增大而减小。     

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。     

煤基质自调节效应实验

煤储层渗透率是决定煤层气开采成败的关键参数之一。以煤基质为研究对象,根据应力来源的不同,提出了煤基质内外应力的概念。分析认为:煤储层渗透率随煤层气开采而动态变化正是煤基质内外应力综合作用的结果。随着煤层气的采动,有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,煤储层渗透率降低;而流体压力降低,煤层气解吸,煤基质发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大,煤储层渗透率增高。为了探讨煤基质内外应力与煤基质变形特性的关系,开展了三轴力学实验和吸附膨胀实验,根据实验结果的分析和总结,提出了煤基质自调节效应的新观点,构建了煤基质内外应力耦合作用下的自调节模式。研究成果为煤层气的有效开采提供了理论基础。     

考虑岩石变形的页岩气藏双重介质数值模拟

为了准确预测页岩气产能,指导实际生产,通过考虑岩石变形所造成的渗透率变化以及页岩气黏性流、表面扩散、Knudsen扩散等渗流机理,将地质力学效应与流体流动进行耦合,建立综合考虑应力敏感和页岩气多种渗流机理的数学模型,采用离散裂缝模型对地层微裂缝和水力裂缝进行描述,利用有限元方法进行求解。结果表明,在表面扩散与Knudsen扩散的作用下,页岩基质渗透率增加,使页岩气累积产气量增加,而应力敏感效应使得基质渗透率降低,从而导致累积产气量降低。表面扩散系数和Langmuir体积越大或井底压力越低,页岩气累积产气量越高。对于Langmuir体积越高的页岩气藏,通过降低井底压力进行开采,更有开发潜力。新建模型的模拟结果与实际历史生产数据拟合效果较好,验证了所建模型的准确性。     

煤岩储层渗透率动态变化模型

煤层气开采过程中,煤岩储层渗透率随压力降低不断变化。在考虑有效应力、基质收缩以及滑脱效应对渗透率影响的基础上,建立煤储层渗透率动态变化模型。研究结果表明：开采初期,储层压力降低,有效应力增大,渗透率降低;煤层气解吸,煤岩基质收缩,渗透率回弹;开采后期,有效应力与基质收缩的影响逐渐减弱,滑脱效应占主导地位,渗透率明显增加。     

沁水盆地柿庄南区块煤层气藏自改造动态分析

不同于常规气藏,煤层气藏开采过程中存在自改造效应,即随着地层压力的降低,储层渗透率会发生复杂变化。大量研究表明:有效应力、煤基质收缩、Klinkenberg效应是自改造效应的三大控制因素,改进的SD模型更能准确描述欠饱和煤层气藏渗透率动态变化规律,结合实际数据,计算分析表明,杨氏模量对自改造效应影响最大,泊松比对自改造效应影响最小。     

煤层气三孔介质渗透率动态变化规律研究及分析

煤层气开采过程中,由于孔隙压力降低和吸附解吸作用的影响,储层孔隙度和渗透率会发生复杂变化。研究煤层气储层结构特征、赋存机理及渗流规律时,将煤层气储层表征为存在基质微孔、基质孔隙和裂缝孔隙系统的三孔介质。煤层气吸附在基质微孔表面,流体在基质孔隙和裂缝系统中渗流。利用多孔介质弹性力学理论,对煤层气基质孔隙及裂缝系统的孔渗动态变化和影响因素研究分析,在考虑孔隙压缩作用及基质微孔中气体在解吸作用影响下基质孔隙和裂缝系统动态变化,以及基质及裂缝之间的耦合应变特征条件下建立了煤层气基质孔隙及裂缝系统的三孔孔渗动态变化模型。     

煤层渗透率敏感性及其对煤层气开发效果的影响

煤层由裂隙和基质组成，为双重孔隙系统。前者由割理和后生裂隙组成，为煤层气的渗流通道；后者是煤层气的主要储集空间。煤层渗透率是进行煤层气商业开发的重要评价参数，而渗透率变化规律及其对煤层气动态开发效果的影响情况则亟待进一步研究和验证。在总结分析前人研究的基础上，对煤层气有效应力变化模型进行了研究和验证，进而分析了渗透率动态变化对煤层气开发效果的影响。结果表明：在煤层气开发过程中，煤层渗透率受裂隙压缩和基质收缩的双重影响，渗透率呈现先降低后升高的特点；基质收缩起到改善煤层气渗透率的效果，能够有效地提高煤层气开发效果，故在煤层气开发中不能忽视其影响。     

低渗透气藏整体压裂流-固耦合渗流数学模拟

整体压裂会导致低渗透储集层发生固体应变,进而导致对气体渗流的影响。假设气藏开发生产过程为等温、单相气体渗流,并假设储集层为小变形弹性多孔介质,考虑岩石变形、地应力变化、人工裂缝、流体渗流与岩石应变耦合、储集层渗流与裂缝渗流耦合、非达西效应等因素,建立低渗透气藏整体压裂流固耦合渗流数学模型。首先推导出考虑固体应力应变的气藏整体压裂渗流模型控制方程;然后基于线弹性理论和有效应力概念,建立了孔隙含有气体的岩石的应力应变控制方程。由于这两组非线性控制方程互含应力、应变和压力项,因此用有限差分、块中心网格剖分方法,将方程组离散为主对角占优的七对角矩阵,采用隐式迭代方法求解,数值稳定性较好。通过示例分析,揭示了应力、应变、孔隙度和渗透率等参数的动态变化规律,而且模拟结果比其它模型更接近实际情况。图4参11(范学平摘)     

低渗煤储层背景下高渗带主控地质因素及模式

沁水盆地南部郑庄区块相邻煤层气井地质条件和开发工艺基本相同,但产气量却有巨大差异。针对这一现象,利用构造裂隙填图、煤体结构测井解释、裂隙特征压裂曲线反演、构造曲率分析等技术,分析了煤储层裂隙系统的发育特征;从古地应力场演化、原地应力测试入手,讨论了煤储层裂隙优势方向上有效应力对渗透率的控制作用。研究认为,煤储层裂隙系统的发育特征和优势裂隙方向的有效应力,是低渗背景下高渗带的主控地质因素。建立了3种渗透率发育地质模式：一是裂隙系统发育适中与有效应力匹配型,煤储层渗透率高,煤层气井产量高;二是煤储层裂隙系统过度发育型,无论有效应力适中或者过高,两者条件均不匹配,储层渗透率较低,产气量低;三是有效应力过高型,无论裂隙发育程度如何,均会导致煤储层渗透率较低,产气量低。研究成果对于相似地质条件的煤层气区块内高渗带预测具有借鉴意义。     

Characteristics and control mechanisms of coalbed permeability change in various gas production stages

According to dimensionless analysis of the coalbed methane (CBM) production data of Fanzhuang block in southern Qinshui basin, the dimensionless gas production rate is calculated to quantitatively divide the CBM well production process into four stages, i.e., drainage stage, unstable gas production stage, stable gas production stage, and gas production decline stage. By the material balance method, the coal reservoir permeability change in different stages is quantitatively characterized. The characteristics and control mechanisms of change in coalbed permeability (CICP) during different production stages are concluded on five aspects, i.e., permeability trend variation, controlling mechanism, system energy, phase state compositions, and production performance. The study reveals that CICP is characterized by first decline, then recovery, and finally by increase and is controlled directly by effective stress and matrix shrinkage effects. Further, the duration and intensity of the matrix shrinkage effect are inherently controlled by adsorption and desorption features.     

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煤层储集具有双重孔隙介质特征,由煤的基质微孔和割理（裂缝）系统组成，因而传统的评价常规天然气储层的方法不能适合于评价煤层气储层，如何研究煤层气测井评价技术有十分重要的意义。文章在大量文献调研的基础上，基于国内外煤层气测井技术的发展现状，综合评述了测井评价煤层气储层领域的新进展，包括测井系列选择、煤层划分和岩性,煤质参数计算、孔隙度、渗透率、饱和度、含气量等煤层气储层参数计算，煤层力学参数和地应力分析、煤层对比、沉积环境分析等等，重点论述了煤质参数、煤层孔隙度、含气量的计算方法理论，并分析了煤层气储层测井评价当前面临的技术问题、难题及今后努力的方向。     

华北地区煤储层渗透率的外在影响因素分析

通过对华北地区16个目标区60层次的试井渗透率的统计发现，在我国华北地区复杂的地质背景下，原地应力等外在因素对于煤储层渗透率的影响是很显著的。研究表明，煤层渗透率的决定因素是原地应力，煤层埋藏深度对渗透率的影响是第二位的。渗透率随地应力增大而减小；渗透率与埋藏深度之间的关系受原地应力的影响。只有区别不同应力环境，才能分析渗透率随深度变化的趋势。通过分析煤储层渗透率的外在影响因素，对于与预测煤层气的解吸特征，为下一步做好压裂设计，达到增产效果起到了积极的作用。     

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煤基质收缩使储层裂隙孔隙度和渗透率发生很大变化，目前的研究方法普遍存在测量费用昂贵和计算误差大的问题。文章基于固体变形理论与固体表面能理论，建立了一个新的煤基质收缩变形对煤裂隙渗透率和孔隙度影响的数学模型，消除了直接用煤体收缩系数来计算煤裂隙孔隙度和渗透率所引起的误差。研究结果表明，煤基质收缩引起裂隙渗透率变化经历了一个先降低后升高的趋势；裂隙的渗透率增大与储层压力的降低呈对数变化关系；煤层气中Langmuir体积大的气体所占的相对密度越大，解吸后煤储层裂隙的孔隙度和渗透率的变化越大。最后，通过实例计算分析对比，模型能准确合理地反映煤基质收缩变形对煤裂隙渗透率和孔隙度变化的影响。     

钻井液对高煤阶煤层气解吸率损害评价方法研究

高煤阶煤层气储层渗透率极低,孔隙空间小,在钻井液侵入后极易改变煤层孔隙结构或孔隙分布,直接影响煤层气的产出。因此,高煤阶煤层气储层受钻井液影响后的解吸率损害评价成为煤层气储层损害评价的一个重要指标。结合煤层气储层特点和钻开储层后钻井液侵入方式,建立了钻井液对煤层气解吸率损害的评价方法,以便深入研究煤层气储层损害规律,形成煤层气储层保护技术。     

煤层气单井开采数模研究

建立了煤层气单井开采的数学模型和数值模型,包括双重介质中气水两相流动方程、煤层裂缝孔隙度和渗透率的压力敏感性模型,并提出了相应的数值模型及其解法．为进一步研究煤层气产出机理提供了理论依据。