浅议山西煤层气储层特征及含气性

本文根据煤田地质勘查资料和煤储层孔、裂隙及等温吸附测试结果,通过对不同煤级煤的等温吸附测试成果、含气性特征、储层压力特征及孔裂隙特征分析研究,阐述了煤的Langmuir体积、Langmuir压力受R_(o,max)密切相关;煤层含气量和含气饱和度随煤层埋藏深度增加而增加;煤中宏观裂隙与宏观煤岩类型相关,显微裂隙在低变质程度煤中发育优于高变质程度煤层;煤储层渗透率受煤层埋藏深度、应力状态等因素制约。     

寺河井田煤储层潜在敏感性伤害识别

为了研究寺河井田煤储层潜在的敏感性伤害,分析了煤储层孔渗性特征、敏感性矿物以及储层流体特征。结果表明:寺河井田3号煤的孔隙度和渗透率非常小,煤中孔隙以微孔为主,而且大多被黏土矿物充填,很容易造成贾敏效应和水锁伤害;煤中的矿物主要是伊利石、伊/蒙混层,存在潜在的速敏性和水敏性伤害。     

沁水盆地南部15号煤储层物性特征分析

为了探讨沁水盆地南部研究程度尚低的15号煤储层在煤岩煤质、孔-裂隙、渗透性、吸附性等方面的特征,运用矿物测试、宏观微观观察、压汞、低温液氮等温吸附测试等方法并结合煤层气井数据分析,对15号煤与3号煤进行对比研究。结果表明:15号煤显微组分特征有利于孔-裂隙发育和产气率,吸附性较好、含气量较高,裂隙较为发育;矿物种类多、含量高,矿物充填了孔-裂隙,严重降低了孔隙结构优度和渗透率。因此矿物充填,低渗透率和孔隙结构差是制约15号煤煤层气开发的主要因素。     

多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究

查明酸液对不同煤阶煤的酸化效果,能够为提高煤储层导流能力提供一种化学方法。通过对不同煤阶煤样酸化前后煤表面观察、矿物质含量和渗透率测试,得出不同煤阶煤酸化后表面变化特征、矿物质含量变化及渗透率变化规律。结果表明:多组分酸能与煤中的矿物质发生反应,提高煤储层的导流能力。煤中原始裂隙发育程度及矿物质的含量共同影响着增透效果;酸化使煤中的碳酸盐矿物和硫化物减少最多,其次是蒙脱石、绿泥石和伊利石,石英和高岭石减少最少;煤体裂隙越发育,与酸液反应的碳酸盐和硫化物含量越高,酸化增透效果越好。研究结果为多组分酸在煤储层水力压裂中的应用提供了实验支撑。     

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征

针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振(NMR)和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T_2谱的中大孔峰(T_220 ms)的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T_2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。     

CO_2注入煤层中煤储层渗透率变化规律研究

基于煤层渗透率变化对提高煤层气采收率的重要性,研究了煤中矿物质与CO2反应引起的煤层渗透率随时间变化以及渗透率的改善效果。结果表明:煤体渗透率随CO2注入时间的增加呈现出先增大后减小的趋势,渗透率变化量最大值出现在注入CO2后的1.75个月左右;煤储层中注入CO2对原始渗透率较低或较高的煤层改善效果都不理想,而对中等原始渗透率(0.303 6~3.099 0)×10-3μm2的煤层改善效果较好。最后通过分析渗透率与孔隙度随时间的关系,建立了R-R型、I-R型、I-I型3种孔隙度-渗透率关系模型,其中,I-I型对煤层气开发最为有利。     

左权宏远矿15~#煤层气储层特征分析

对研究区15#煤层气储层特征进行了分析和研究,结果得出:15#煤层厚度大、含气量高;煤储层压力以略欠饱和为主;煤的孔隙度低,孔隙以微孔和过渡孔为主;煤中裂隙相对发育,但被无机矿物充填较甚,渗透率低;煤对甲烷具有较强的吸附能力、吸附量较大、吸收时间较短。研究结果以期为本区煤层气开发提供可靠技术参数。     

煤层气井排采时储层渗透率变化特征研究

通过建立煤储层渗透率变化率与体积应变之间关系的数学模型,考察了煤储层的体积应变和渗透率变化率在煤层气开发过程中的变化.结果表明:煤层的体积应变在煤层气开发过程中分为2个阶段,初始阶段体积收缩,体积应变为负,随着有效应力的变化,体积应变逐渐变化为正并持续增加;而渗透率呈先减小后增大的不对称U型变化,最终增加到原来的1.5倍.     

沁水盆地典型煤矿区煤的流速敏感性实验及控制机理

采用沁水盆地3个典型煤矿中、高煤阶煤样,开展了实验室煤样流速敏感性实验,分析了不同流速条件下煤样渗透率的变化规律,建立了煤储层渗透性与流速之间的关系和模型,揭示了中、高煤阶煤储层流速敏感性的控制机理。研究结果表明,煤样渗透率随流速发生变化,且存在一个临界流速。在临界流速之前随着注入流量(或流速)的增加煤样渗透率增加,当流速超过临界流速后,煤样的渗透率随着流体流速的增加反而减少。煤储层流速敏感性主要受控于煤储层物性和煤中速敏矿物。随着煤储层孔隙度、渗透率和流体流量的增高,煤储层速敏损害率按对数函数关系增高。实验煤样黏土矿物占矿物质含量为66.63%~99.89%,主要以高岭石、伊利石为主,存在潜在的速敏伤害,速敏实验结果表明,本区实验煤样存在不同程度的速敏损害,煤样速敏损害程度由弱至中等偏强,临界流速低。随着煤中黏土矿物含量的增加,煤储层速敏损害率也增高。在煤层气井排采过程中,寺河煤矿和西山煤矿煤层气井排采降速应为赵庄煤矿的6倍左右。     

高煤阶煤样水力压裂前后应力-渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%～253.25%、171.88%～383...     

基于扫描电镜的寺河矿3号煤微孔裂隙精细定量表征

煤的微孔裂隙是控制煤层气赋存和运移最为关键的因素,为了实现对寺河矿3号煤的微孔裂隙精细定量表征,利用EVO MA15钨灯丝扫描电子显微镜对其进行了大量观测和分析。研究发现:寺河矿3号煤中可见气孔、摩擦孔、溶蚀孔、铸模孔4种不同成因类型微孔隙发育且孔隙的连通性较差,不同成因类型微孔隙的发育程度、形态、大小、充填情况及其连通性等有所不同;煤中张、剪裂隙较发育,裂隙多呈张开状态且部分被充填;剪裂隙仅发育于原生结构煤中,而碎裂煤中张、剪裂隙均有发育,它们的展布形态、裂隙面宽度、裂隙充填情况等各异。     

构造煤变形过程中矿物及元素响应——以朱仙庄矿8号煤为例

煤变形过程中矿物及元素的响应特征是构造煤研究的一个新领域,并可能为煤与瓦斯突出预测提供新的方法和手段。在淮北朱仙庄矿8号煤Ⅱ832工作面不同类型构造煤扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等实验测试的基础上,分析了煤构造变形过程中矿物及元素的响应特征,并探讨了其迁移聚集模式。结果显示,随着构造变形的增强,煤中矿物由完整的层片状破碎为残斑状,矿物薄膜甚至随煤体发生揉皱变形,同时由单矿物独立分布变为多矿物相互混杂,韧性变形煤中矿物种类及含量均有显著增加;煤中不同种元素对构造变形的敏感程度不同,可划分为脆性变形敏感型元素(主要包括Ca,Mg,Zn,Mn,Sb,Hg等元素)、韧性变形敏感型元素(主要包括Si,Al,K,Rb,Th,Cu,Th,Cu,Cr和REE元素等)和稳定或复杂变化型元素3类;结合不同类型构造煤结构及其应力应变环境的差异,将构造煤中矿物和元素迁移聚集概括为动力变质作用驱动、裂隙充填和韧性变形混合流变等3种模式。动力变质作用主要影响煤中有机元素及与有机质相关的元素类型;构造裂隙的发育及热液流体的充填导致了脆性变形煤中碳酸盐矿物、低温热液型硫化物矿物及相应元素的富集;韧性流变作用使得煤中黏土矿物及相应元素在韧性变形煤中相对富集。     

煤岩渗透率对酸化作用响应规律的试验研究

酸化手段是油气井提高产能的重要手段,较小的酸化规模有可能极大地提高油气井产量,这对具有低渗透性特点的煤层气井开发具有重要启示。通过室内试验测定了酸液作用前后煤粉的矿物成分极限反应率和煤岩芯的渗透率,分析了酸化作用后煤粉极限反应率和煤岩芯渗透率的变化规律。结果表明:煤层中原始的孔裂隙发育和矿物成分组成对渗透率的大小具有重要影响;酸化手段可有效提高煤层渗透率,对于试验煤样,渗透率最大提高了18.42倍,盐酸质量分数在12%~15%为最佳。酸化时间过长会造成渗透率小幅度降低,应控制反应时间在12 h左右。     

寺河井田3号煤层气成藏条件分析

煤层气成藏过程十分复杂且控制因素多,开展煤层气成藏条件分析是煤层气高产富集区预测,提高煤层气勘探开发成效的基本前提。从煤层气的生成、储集和封盖保存条件3方面对寺河井田3号煤层气成藏条件进行了分析研究。研究结果表明,寺河井田3号煤层气成藏条件良好;成煤过程中,煤中丰富的生烃物质在多期热变质作用下,促使了煤生烃,提高了生烃率和生烃量;煤化程度高,煤中微孔裂隙系统非常发育,为煤层气吸附储集成藏提供了大量空间,吸附动能强、吸附量大;围岩的低孔低渗性、适宜埋深、构造封闭性、地下水弱径流及水力封堵性为煤层气成藏提供了良好的封盖保存条件。     

韦二煤矿煤储层物性特征及煤层气资源前景

依据韦州矿区煤炭勘探煤层资料、煤层气参数井获取的储层资料,通过对煤层气开发地质信息的有效提取,对韦二煤矿煤储层物性进行深入分析、研究,对煤层气资源量进行了计算,并采用数模方法预测了煤层气抽采率,确定了地面煤层气抽采相对有利区。研究认为:区内煤层含气性整体偏低,煤层甲烷含量在0.20～11.73 m³/t,气含量高值区仅出现在部分煤层、局部区域。多期次构造运动致使裂隙发育复杂化,硬度变小,煤体结构多为碎粒—糜棱结构,渗透率降低。主要可采煤层煤层气资源量为5.55×10⁸ m³,资源丰度为1.51×10⁸ m³/km²,属中等丰度、小型煤层气藏。各煤层煤层气采收率较低,约为15%,可采潜力较差。资源量在煤层分布上相对集中,12、14、15煤层气含量4 m³/t以上重叠区域为煤层气地面抽采相对有利区块。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

气水两相流阶段煤基质收缩量预测方法

为了尽量避免实验室对煤中甲烷气体解吸时煤基质收缩量测试结果的局限性,综合考虑煤层气井排采时气、水两相流阶段煤储层中气、水产出时引起的煤基质压缩变形与解吸收缩,构建具有一定普适性的力学预测模型显得很有必要。基于有效应力、损伤等力学理论,结合煤储层孔隙结构特征,构建了有效应力压缩煤基质的压缩效应模型;根据吉布斯公式、Bangham理论和Langmuir方程,构建了气体解吸引起的煤基质收缩解吸效应模型;基于表面自由能和煤基质弹性能等能量理论、断裂力学理论,建立了压缩效应与解吸效应相互影响下煤基质收缩数理模型。以沁水盆地樊庄区块为实例对气、水两相流阶段的煤基质收缩量进行了计算。结果表明:对基质收缩量的贡献方面,压缩、解吸效应及2者相互影响的4种效应贡献能力处于同一数量级。其中解吸效应影响最大,解吸效应的收缩量计算结果与其他学者实验室的测试结果基本相符。所建煤基质收缩量数学模型能对不同储层地质条件下气、水两相流阶段煤基质收缩量做出较准确的预测。     

煤系地层注入CO2开采煤层气质交换的机理

论述了注CO2开采煤层气质交换机理和煤系地层封存CO2意义,建立了注CO2开采煤层气的物理数学模型。采用饱和食盐水集气方法测定了表征解吸阻力大小的综合参数--综合传质系数α随浓度、煤变质程度、放散时间的变化规律。试验结果表明：α随煤粒吸附基质浓度的增大而增大;变质程度相同时,CH4的α随时间的衰减较CO2的α随时间的衰减慢;基质浓度相同时,煤变质程度越高,α越小,且对不同变质程度的煤岩,CH4的α大于CO2的α,即不同变质程度的煤岩对CO2的吸附能力都大于CH4。说明注气增加储层压力促进气体解吸置换,各种煤岩对CH4的解吸量大于对CO2的解吸量这一现象与煤的变质程度无关。因此,在不同变质程度煤层,甚至煤系地层中,注气开采煤层气与储存CO2技术在理论上都是可行的。