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。     

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响具有显著差异。低煤阶煤层主要为基质型孔隙，高煤阶煤层主要为裂隙型孔隙。煤岩储集层原地受力分析表明，构造抬升使得基质承受的压力降低。构造抬升模拟实验及煤基质、裂隙渗透率应力敏感性实验表明，构造抬升后煤层压力传导加速，割理开启，渗透率变大；基质渗透率比裂隙渗透率的应力敏感性弱。分析认为：构造抬升对高煤阶煤储集层物性影响明显，地层压力降低，割理、裂缝开启，裂隙渗透率显著增强；高煤阶煤层强烈抬升会使其渗透率增大，造成气体大量散失，对煤层气聚集不利；低煤阶煤层储集层物性受构造抬升影响较弱，由于构造抬升，压力降低，煤层气运移速率增大，对煤层气开采有利。图4参19     

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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。     

基于卸压煤层气开发的构造煤储层孔渗特征与类型划分——以淮南矿区为例

在淮南矿区卸压煤层气地面开发取得积极进展的背景下,应用扫描电镜和汞注入法对淮南矿区构造煤样进行孔裂隙测试,结合井下煤层透气性和试井渗透率测试数据,探讨了构造煤储层孔渗特征。对比分析了卸压煤层气开采现场测试渗透率变化差异,揭示了构造煤卸压开采条件下影响煤层渗透率变化的影响因素及煤体结构差异对煤储层改造的控制作用,提出了构造煤储层类型划分方案。研究表明:随着构造变形的增强,煤中外生孔裂隙规模增大,孔容、中值孔径、孔隙度等参数增大,煤储层渗流孔含量与构造变形呈正相关,但地层条件下构造煤储层的渗流性受储层压力、煤体结构、地下水等因素控制。构造煤储层特性决定了当前原位煤层气开发技术的不可行性;而卸压煤层气开采有效解决了构造煤储层渗透率低、压力传递困难以及压裂改造效果差等技术难题,卸压开采对煤储层的改造导致的"卸压增透增流"效应主要受煤体结构控制。煤体变形越强,改造效果越好,基于不同煤体结构构造煤储层中渗流孔的含量与改造效果的一致性,认为糜棱煤是卸压煤层气开发的优质储层,碎粒煤是较优质储层,碎裂煤和鳞片状煤是一般储层,原生结构煤是不利储层。     

高煤阶煤层气储层动态渗透率特征及其对煤层气产量的影响

通过开展干样煤储层地质效应实验,结合数值模拟方法,研究了煤储层渗透率动态变化特征及其对煤层气井产能的影响。实验结果证明,煤储层渗透性在开发过程中呈不对称“U”型变化,初期以应力敏感性为主,随着开发进程深入,基质收缩效应逐步增强。当压力从2 MPa增加到10 MPa时,气相渗透率降低90%;应力降低后,渗透率不能恢复到原始水平。P&M渗透率模型模拟结果说明,渗透率初期减小,后期增大;压力降至临界解吸压力4.4 MPa时,渗透率降低了34%;继续降压至2.5MPa时,渗透率提高至初始水平,压力递减至0.7 MPa时,渗透率增至初始渗透率的2.8倍。同时,煤储层地质效应严重影响煤层气井产能。因此,煤层气生产应以渗透率动态变化为依据,不断进行调整和优化。     

有效应力对煤储层不同方向渗透率影响的差异性

为探究有效应力对煤储层不同方向渗透率的影响差异，以鄂尔多斯盆地东缘柳林矿区南部4号煤层为研究对象，运用脉冲衰减克式渗透率测试方法，分析了不同有效应力条件下顺层渗透率及垂层渗透率变化规律及两者之间的相互关系。研究表明：煤储层不同方向渗透率随有效应力的增加均呈现幂指数降低的趋势，当有效应力为10MPa时，顺层渗透率及垂层渗透率均处于渗透率变化临界点，而且两者随有效应力的增大呈现线性相关的降低趋势，顺层渗透率与垂层渗透率比值为4∶1。通过对顺层及垂层的储层应力敏感性差异性研究，发现顺层及垂层裂隙压缩系数随有效应力压差的增大而减小，渗透率应力敏感性随有效应力差的增大而增大，顺层裂隙压缩系数、应力敏感性均小于垂层方向。通过煤储层不同方向的裂隙应力敏感性、渗透率应力敏感性对比分析，认为有效应力对煤储层不同方向渗透率的控制主要是由有效应力对煤基质裂隙的压缩存在空间差异性所造成的。     

煤岩储层应力敏感性及其对气井开发的影响

以沁水盆地3#煤为研究对象,对煤岩储层渗透率应力敏感性进行了实验研究,建立了以储层原地有效应力为初始点的渗透率应力敏感性评价方法。结果表明,该方法能够真实反映储层岩石应力状态,有效应力和无因次渗透率之间较好的符合二项式关系。利用扫描电镜和恒速压汞实验,分析了煤岩储层应力敏感性机理。孔隙大小和形态的改变对渗透率应力敏感影响较小,而孔喉大小和形态的改变以及微裂隙的开度决定了渗透率应力敏感程度。结合二项式方程,从理论上计算了渗透率应力敏感性对煤层气井产能的影响。计算结果表明,在气井井底附近煤岩储层中存在渗透率漏斗,距离井筒越近的储层,渗透率变化越大;在远离井筒的区域,渗透率变化较小。渗透率应力敏感性影响煤层气井产能,且初始渗透率越小,产能降低越严重。     

构造对高煤级煤储层渗透率的系统控制效应—以沁水盆地为例

以我国目前极具煤层气勘探开发价值的高煤级煤盆地——沁水盆地为例，并基于丰富的煤储层试井渗透率资料和煤层气赋存的构造背景，采用定性分析和定量分析相结合的方法，探讨了构造对高煤级煤储层渗透率系统控制效应。研究结果表明：构造样式对煤储层渗透率起着重要的控制作用；中等构造曲率有利于煤储层渗透率的提高；煤储层渗透率随现代构造应力场主应力差的增大呈指数形式急剧增加，但当埋藏深度大于临界深度时，这种控制作用越来越弱，而垂向应力的控制作用将占据主导地位.     

沁南地区高煤阶煤储层水敏效应及其控制因素

在煤层气开发过程中,工作液与煤储层不匹配时会造成水敏效应,导致煤储层渗透率降低,影响煤层气井产能。对煤储层进行水敏效应评价并探讨其主控因素,对提高煤层气开发效率具有重要意义。沁南地区高煤阶煤储层具有低孔低渗透特征,常规水敏实验方法已不适用,因此研究提出了煤储层水敏评价的新方法,采用气测渗透率取代传统的水测渗透率来表征煤岩水敏损害程度,并对沁南地区典型煤岩样品进行了测试。结果表明:沁南地区煤储层水敏损害率介于弱敏感到中等偏强之间,且以弱敏感为主;制约水敏效应的因素有煤储层渗透率、粘土矿物含量和粘土矿物赋存方式;煤储层渗透率越低,粘土矿物含量越高,水敏损害率越大。煤储层中粘土矿物的赋存方式有2种:煤岩裂隙填充与煤岩基质中植物细胞腔填充,且粘土矿物填充于煤岩裂隙的水敏损害程度高于填充于煤岩基质的水敏损害程度。     

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。     

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。     

煤基质变形影响下含瓦斯煤渗透率动态变化规律

煤层渗透率不仅直接影响着煤层气(俗称瓦斯)抽采的效果,而且还是计算瓦斯涌出量的关键参数。为了明确不同压力条件下含瓦斯煤渗透率的变化规律,通过考虑有效应力和甲烷吸附/解吸对煤渗透率的综合影响,建立不同压力下含瓦斯煤渗透率动态演化模型;进而以山西晋煤集团岳城矿钻取的煤样为样品,开展了三轴应力状态下的渗透率测试实验,并将实验测试结果和模型计算结果进行对比,进而探讨不同压力下含瓦斯煤渗透率的动态变化规律。研究结果表明:①渗透率与压力的关系曲线呈不规则的"U"形,在相对低压阶段,随着压力增加,煤基质表面的甲烷吸附量增加,煤岩膨胀变形对渗透率的影响占主导地位,渗透率迅速减低,随着压力逐渐增加,甲烷吸附量达到饱和,有效应力对渗透率的影响占主导地位,渗透率小幅度回升;②实验结果和模型计算结果基本吻合,并且变化趋势也一致。结论认为,所建立的含瓦斯煤渗透率动态演化模型可靠,可以为煤与瓦斯突出防治及煤层气有效开采提供技术支撑。     

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。     

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。     

山西省柳林县杨家坪煤层气储集层物性及勘探开发潜力

为了证实山西省柳林县杨家坪煤层气试验区煤层气勘探开发潜力，对该区主要煤层的重要储集层物性参数（煤层割理、孔隙度、渗透率）进行观测和实验分析，对比实验与生产数据，并对影响煤层气开发潜力的重要参数（煤层含气量、含气饱和度、吸附与解吸时间）进行实验研究。结果表明：该区煤层气储集层以基质孔隙为主，煤层渗透率变化比较大，主要煤层渗透率偏低；但煤层割理较发育，割理主导方位受区域构造控制，以不规则网状为主，大部分处于开启状态，渗透能力较好。该区主要煤层的含气量都较高，接近于饱和含气，所以勘探潜力较好；由于解吸时间短，故具有良好的开采条件。煤层气井的生产状况也证实了其较为巨大的开发潜力。图10表10参15     

煤层气储层渗透率特征研究

采用煤岩渗流试验装置,研究了煤层气储层中气体的渗流规律,以及气体滑脱效应、有效应力对煤岩渗透率的影响。从理论上研究了煤岩孔隙系统特征。研究结果表明,由于煤岩特殊的双重孔隙介质特征,有效应力对渗透率影响非常严重。岩石总有效应力增大,煤岩渗透率下降。而卸压时渗透率只能得到一定程度的恢复,从而造成渗透率的损失。     

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.     

煤层气藏全流固耦合数学模型

为准确表征煤层复杂的地质力学效应,根据多重孔隙介质力学特征和多过程运移特点,来构建煤层气藏三孔双渗全流固耦合数学模型,并基于所研发的全隐式有限体积数值模拟器,进一步研究地质力学效应对孔渗参数和煤层气产能的影响。结果表明,有效应力效应与基质收缩作用均可影响裂缝渗透率,且作用方向相反：有效应力效应的作用强度在开发初期大于基质收缩作用,但在后期发生逆转,导致渗透率先减小后增大,最终值甚至可达初始值的数倍;随着煤岩杨氏模量增大,有效应力效应减弱,煤层气日产量增大,产气高峰出现时机提前,随着Langmuir体应变量增大,基质收缩作用增强,同样煤层气日产量增大,产气高峰出现时机提前。全流固耦合数学模型能够更准确地刻画煤层复杂流固耦合作用,这对煤层气产能预测具有重要意义。     

热处理提高煤岩渗透率的机理

为了探索煤岩渗透率与温度的关系及其机理,通过加热实验研究了二者在 200 ℃以内的关系,通过 X衍射分析、电镜扫描等手段,并从煤化学、煤地质学等角度对其机理进行了分析。结果表明:初始渗透率在 0.5 mD以内的煤岩,经加热处理后其渗透率可显著增至 15 mD以上。分析认为:煤岩热处理后渗透率提高的机理为:煤岩脱水以及部分挥发组分的逸散会产生新的渗流孔隙;甲烷分子的解吸以及基质凝胶化组分脱水,导致煤基质收缩;煤岩中碳氢原子发生氧化生成气态产物并逸散,形成了微小裂缝并降低了煤岩的致密程度;热应力作用下煤岩内部变形不均产生了微小裂缝。最后提出可以对煤层注入热 CO2提高采收率。