煤层气井排采阶段煤粉运移条件研究

出煤粉是煤层气井钻探开发过程中普遍存在的现象,煤粉的产生和运移会堵塞气体运移通道,降低渗透率,频繁的检泵和洗井作业破坏了排采的连续性和稳定性。 针对裸眼完井、射孔压裂 ２ 种煤层气井常见的完井方式,分析了排采过程中煤粉的受力情况及运移条件,建立起煤粉临界运移速度计算方法,对影响临界运移速度的煤层物性参数进行了讨论。 研究表明：排采过程中排液速度大于临界运移速度时煤粉才能有效排出;临界运移速度与煤粉堆积方式、流动状态、煤层物性等有密切联系,最大静摩擦系数越大、液体黏度越小时煤粉临界运移速度越大;在高渗煤层应适当增加排液速度以便有效排出煤粉。     

页岩气藏压裂支撑剂沉降及运移规律实验研究

页岩气资源储量巨大,但由于页岩渗透率低,往往需要压裂才能有效开采。滑溜水压裂有利于形成复杂的裂缝网络,是中外页岩储层压裂改造首选的压裂液体系。由于滑溜水粘度低,携砂能力差,增加了滑溜水压裂的风险。中国在该领域的研究尚处于起步阶段,尤其对滑溜水携砂支撑剂沉降及运移规律的研究更少,同时缺乏必要的实验手段。为此,设计了裂缝模拟装置,通过实验模拟了施工排量、缝宽、支撑剂粒径、压裂液粘度和砂比等参数对裂缝内支撑剂沉降和运移规律的影响,获得不同参数下支撑剂的沉降速度和水平运移速度,分析了各因素的影响规律,并求解了各因素对支撑剂沉降速度和水平运移速度的修正系数。结果表明,随着缝内流速和压裂液粘度的增大,支撑剂沉降速度减小,水平运移速度增大;随着支撑剂粒径与缝宽比值和砂比的增大,支撑剂沉降速度和水平运移速度均减小。     

裂缝性油藏注气多相流动机理与气窜数学模型分析

气驱是一种重要的提高油藏采收率的方法,然而注入气会沿着油藏中的裂缝发生气窜,影响气驱效果。在裂缝和基质中,对注气过程中油气水三相的运移过程进行力学分析,分别构建了适用于裂缝和基质的油气水三相运移力学模型,推导得到了在裂缝和基质中的油气水三相运移速度和位移表达式。基于所构建的力学模型,分别研究了在裂缝和基质中不同的注入条件、油藏和流体物性对油气水三相的运移规律的影响。研究结果表明：裂缝与基质渗透率极差是气窜的主控因素。当裂缝渗透率与基质渗透率存在较大差异时,在裂缝中油气水三相的运移速度明显快于基质,且裂缝与基质中的运移速度的比值,与裂缝与基质的渗透率极差几乎成正比。油气水三相的运移速度随着注气压力梯度的增加而增加,随着油水黏度比的增加而减小。裂缝与基质渗透率极差越大,注气压差越大,油水黏度比越小,越容易发生气窜。     

薄煤层水力裂缝宽度变化对支撑剂运移的影响

水力压裂仍是低渗透性储层提高渗透性且获得经济产能的主要途径,尤其针对薄煤层,不同裂缝宽度裂缝内支撑剂运移规律受多个因素影响。文中采用数据建模、数值模拟和工程试验的方式,研究了压裂液参数、支撑剂参数对不同裂缝宽度支撑剂的铺砂面积和有效支撑裂缝长度的影响。结果表明：裂缝宽度影响和制约了支撑剂的运移,对于裂缝较发育且缝宽较宽储层,提高施工排量、压裂液黏度和优化支撑剂粒径与砂比,能有效地增大裂缝内支撑剂的铺置面积和有效裂缝长度。针对裂缝不发育且裂缝宽度较小储层,优化支撑剂的粒径和砂比,有利于增大裂缝的有效支撑裂缝长度。针对薄—中厚煤层,采用“高前置液占比、小粒径支撑剂、低砂比、短段塞式加砂方式”,能够有效提高其压裂波及范围和有效支撑效果,研究成果成功应用于贵州薄煤层煤层气开发。     

单相水流诱发裂缝内煤粉启动机理与防控对策

煤层气井排水阶段是产煤粉的关键时期,煤粉运移不但会降低煤层渗透率,而且还会堵塞井筒和损坏设备。基于水动力学原理、扩展DLVO理论和JKR接触理论,开展了单相水流阶段裂缝面黏附煤粉的受力分析,建立了以"压力梯度"为判决条件的煤粉启动力学模型,分析了颗粒尺寸、颗粒类型、裂缝缝宽和离子强度对煤粉启动的影响,并围绕"适度出煤粉"和"阻止煤粉运移"两大思路提出了相应的防控对策。结果表明:煤粉启动压力梯度随着粒径的增加,先减小、后增大;裂缝缝宽越大,煤粉启动压力梯度越小;在不利化学黏附条件下有机质颗粒的启动压力梯度小于黏土矿物微粒,但在有利条件下却大于黏土矿物微粒;有利条件下的煤粉启动压力梯度远大于不利条件下的启动压力梯度。基于"适度出煤粉理论"设计煤层合理压力梯度区间时,应以优先改善最大缝宽裂缝的渗透性为原则,向煤层中注入煤粉稳定剂可提高煤粉-裂缝面间的黏附力,从而有效阻止煤粉运移。     

架桥粒子粒径与裂缝有效流动宽度匹配关系的试验研究

使用基质渗透率为零的天然致密露头岩石制备裂缝性岩心,通过岩心流动试验,研究了架桥粒子的粒径与裂缝有效流动宽度之间的匹配关系。结果表明,架桥粒子粒径与裂缝有效流动宽度之间的匹配关系为(0．5—1),1,架桥粒子浓度不小于3％时可达到较好的暂堵效果;按照上述匹配关系选用粒子进行暂堵时,多级粒子的暂堵效果比单级粒子的暂堵效果好。     

基于格子—玻尔兹曼方法的裂缝导流能力流固耦合

为了定量研究不同类型支撑剂填充裂缝的导流能力及其影响因素,借助离散元方法构建了不同粒径范围内支撑剂在不同缝宽裂缝中的堆积模型,利用耦合的固体力学和格子—玻尔兹曼方法,分析了在闭合压力作用下支撑剂在水力裂缝中的嵌入程度及缝宽变化,并以此为基础研究了支撑剂粒径和裂缝缝宽对水力裂缝渗透率和导流能力的影响。通过与实验数据进行对比验证了模型的准确性。模拟结果表明,随着初始缝宽的减小和支撑剂粒径的增大裂缝缝宽的减小程度不断增大,最大减小了31.95%,且初始缝宽对其影响较支撑剂粒径更为显著;水力裂缝的渗透率随着缝宽的减小和支撑剂粒径的增大而增大,但是随之应力敏感性更强,闭合压力作用下裂缝渗透率最大减小了93.37%;具有较高渗透率的窄裂缝,其导流能力相对于宽裂缝反而更小,说明相对于裂缝渗透率,裂缝宽度是影响裂缝导流能力的主要因素。     

基于CFD-DEM方法的迂曲裂缝中支撑剂运移关键影响因素分析

裂缝中支撑剂的运移和铺置是维持裂缝开放和增强裂缝导流能力的关键,但支撑剂在迂曲裂缝中的运移机理尚不明确。为此,基于计算流体力学原理,利用离散单元法建立支撑剂在迂曲裂缝中运移的数值模型,研究携砂液注入速度、压裂液砂比、支撑剂粒径等因素对迂曲裂缝中支撑剂运移铺置规律的影响。结果表明：裂缝迂曲度越大、支撑剂铺置距离越短,流速损失越大;在距裂缝入口20 mm处,与迂曲度为1.0的裂缝相比,迂曲度为1.2、1.5、2.0的裂缝中的流速损失率增大2.2、3.7、4.5倍;迂曲裂缝内支撑剂铺置距离随支撑剂注入速度的增大而增大,随压裂液砂比、支撑剂粒径的增大而缩短。该研究可为支撑剂在迂曲裂缝中运移的相关研究提供理论指导。     

裂缝性碳酸盐岩油藏流体流动新模型

裂缝性碳酸盐岩储层主要靠裂缝连通,流体流动规律复杂,不符合常规砂岩油藏的流体流动规律及达西定律。由于裂缝性储层取心难度大,导致针对此类油藏已建立的流体流动数学模型,室内难以验证。根据裂缝性碳酸盐岩基质渗透率与裂缝宽度的特点,使用一定比例的碳酸盐岩粉末与不锈钢粉末研制了裂缝性碳酸盐岩储层模拟岩心,以煤油为介质．进行了室内岩心流动实验,研究了流量与压差、裂缝宽度、裂缝长度等因素之间的规律。根据因次分析理论,在考虑影响裂缝性碳酸盐岩油藏流体流动诸因素的基础上,推导出裂缝性碳酸盐岩油藏流体流动的准则方程．并通过对实验数据的多元线性回归处理,建立了裂缝性碳酸盐岩油藏回归流动经验模型,得出新的裂缝性碳酸盐岩油藏流体流动规律．为其储层损害评价的建立及储层保护技术提供理论指导．     

预交联凝胶封堵性实验研究

定性研究了预交联凝胶颗粒对裂缝性低渗透油藏的封堵性能.通过裂缝岩心流动实验,明确了颗粒的强度、韧性、颗粒粒径与裂缝宽度的匹配关系、颗粒的悬浮性、粘弹性对裂缝性低渗透油藏封堵效率的影响,提出运移临界压力梯度和破裂临界压力梯度的大小是颗粒使深部液流转向的重要因素.     

正交裂缝网络单相流动试验研究

为了分析正交裂缝网络模型中单相渗流规律和模型结构对渗透率的影响,利用大理石和不锈钢垫片组建了不同结构的正交裂缝网络模型,并在自行研制的物理模拟试验装置上对这些模型进行了一系列单相流动试验。结果表明:低渗流速度下裂缝网络模型中的渗流服从线性渗流规律,随着渗流速度的不断增大,渗流曲线向压力梯度轴弯曲,呈现出非线性渗流特征;平行于流动方向的裂缝数越多,模型渗透率越大。采用达西定律和Forchheimer方程相结合的方法,得出了线性渗流向非线性渗流转换的临界速度公式,裂缝网络模型中垂直于渗流方向的裂缝数越多,临界速度越大。      

玛湖凹陷乌尔禾组砾岩储集层裂缝支撑剂运移规律

玛湖凹陷乌尔禾组致密砾岩油藏水力压裂裂缝形态复杂,支撑剂运移铺置规律尚不清楚,影响了储集层压裂效果.通过对不同形态迂曲裂缝进行重构,利用Fluent中的两相流模型,在考虑支撑剂与粗糙缝面相互作用的基础上,分析了砾石粒径、砾石数量以及砾石处缝宽衰减等对支撑剂运移铺置的影响.研究结果表明,砾石粒径对支撑剂运移的影响较为明显...     

非分配性示踪剂在多孔介质中运移扩散规律研究

通过天然岩心驱替实验,分别测定了不同条件下示踪剂的岩心传质扩散混和系数和混和常数,计算得到了示踪剂及水的运移速度;并通过理论推导得出在水驱油藏示踪剂测试中水的运移速度要快于示踪剂运移速度的规律。研究结果表明:注入速度接近的情况下,随着渗透率的减小,混和系数增大,混和常数增大;相同渗透率情况下,随着注入速度的增加,混和系数增大,混合常数稍有减小;水的真实孔隙渗流速度要大于示踪剂的孔隙渗流速度,示踪剂存在明显的滞后效应。     

纳米纤维高稳泡沫在裂缝中的生成和运移规律

致密油藏水平井（井周/井间）裂缝窜流导致开发中、后期能量补充不"均衡"甚至无法补充。通过实验设计研发了基于纳米纤维（NCF）的高稳泡沫体系，并系统研究了高稳泡沫的宏观/微观性质；通过实验室构建的裂缝模型，研究了高稳泡沫在裂缝中的生成和运移规律。研究结果表明，起泡液在质量分数为4.2%的盐水中高度分散，与地层水配伍性好，NCF可以有效抑制泡沫液膜脱水，减缓泡沫失稳过程，泡沫半衰期提高4.5倍；高稳泡沫可以在裂缝中快速生成然后运移至裂缝深部，从而降低裂缝的渗流能力，防止气窜，气液比为2∶1的高稳泡沫产生的流动阻力最大；裂缝开度越小，泡沫生成的速度越快，流动阻力越高，产生高渗流阻力的区域越宽；高稳泡沫在裂缝中的流动阻力和裂缝渗透率呈现良好的线性关系。基于NCF高稳泡沫在裂缝中的流动特征，进一步构建了泡沫流动阻力与气液线速度关系图版。     

页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律

为了研究页岩储层体积压裂复杂裂缝支撑剂的运移与展布规律,构建了大尺度复杂裂缝支撑剂运移与展布评价实验系统,测试了次裂缝角度、注入排量、加砂浓度、支撑剂粒径、压裂液黏度等对支撑剂运移与展布的影响,研究了主/次裂缝中支撑剂的运移与展布规律。结果表明:(1)裂缝中流体流态随裂缝支撑高度增加逐步由层流向紊流转变;(2)支撑剂在裂缝中的运移方式主要包括悬浮运移和滑移运动;(3)分支前主裂缝的支撑剂展布形态与次裂缝角度、注入排量、加砂浓度和支撑剂粒径等参数相关,其中注入排量为最主要的影响因素;(4)分支后主裂缝的支撑剂质量比与次裂缝角度、注入排量、液体黏度、加砂浓度和支撑剂粒径呈正比,同次裂缝与主裂缝的流量比呈反比;(5)分支后次裂缝的支撑剂质量比与注入排量、次裂缝与主裂缝的流量比、压裂液黏度呈正比,与次裂缝角度、加砂浓度和支撑剂粒径呈反比;(6)分支后主裂缝的砂堤前缘角度同加砂浓度、支撑剂粒径、次裂缝与主裂缝的流量比呈正比,与次裂缝角度、注入排量和压裂液黏度呈反比;(7)次裂缝的砂堤前缘角度同次裂缝角度、加砂浓度与支撑剂粒径呈正比,和注入排量、压裂液黏度、次裂缝与主裂缝的流量比呈反比。结论认为,该研究成果可以为页岩储层体积压裂支撑剂的优选和压裂方案设计提供理论支撑。     

页岩油藏多重孔隙介质耦合流动数值模拟

页岩孔隙类型多样，微纳米尺度孔隙发育，借助分段压裂水平井技术能够实商业化开采。原油分子与孔隙壁面作用较甲烷分子更加复杂，目前页岩油在无机和有机纳米孔中的运移机制尚不清楚。准确模拟页岩油微观运移机制和多重孔隙介质间耦合流动对页岩油藏产能评价和生产预测具有重要意义。结合润湿特性，考虑液体吸附、速度滑移及物性变化等机制，引入复杂结构参数（迂曲度、孔隙度和有机孔含量），建立了微纳米多孔介质液体表观渗透率模型，研究了不同运移机制对微纳米多孔介质表观渗透率影响。在此基础上，建立了基质-天然裂缝-人工裂缝耦合的页岩油藏分段压裂水平井数学模型，利用有限元方法求解，进行产能影响因素分析。结果表明，孔隙半径小于10 nm时，微纳米孔隙速度滑移影响明显，而孔隙半径大于100 nm时，微观运移机制作用可以忽略；有机孔隙含量越小、裂缝条数越多则分段压裂水平井产能越大；最优的缝网模式为缝网无间距且不重叠。本研究的重点是丰富微纳米孔隙内油气运移理论，为页岩油藏开发模拟研究提供理论方法。     

裂缝对致密储层渗流能力影响实验研究

针对低渗透气藏开发技术需求,以气藏工程为理论指导,采用物理模拟技术,结合致密气藏地质特征和裂缝分布特点,开展了裂缝对储层渗流能力改善作用机理及其影响因素研究。结果表明：裂缝-孔隙双重介质岩心渗透率理论值高于实测值,原因在于实际裂缝壁面粗糙增加了气体流动阻力,导致实测渗透率值较小;裂缝全贯穿时,裂缝宽度和数量对岩心渗透率影响较大,裂缝未贯穿时,裂缝贯穿程度和分布位置对岩心渗透率影响较小;裂缝分布位置对岩心产气能力影响较小;裂缝-孔隙双重介质岩心渗透率受基质渗透率影响程度较大,随裂缝宽度、贯穿程度和数量增加,岩心产气能力增大;在其他条件相同情况下,裂缝距离底水越远,岩心受水侵影响程度越小,产气量越大,产气时间越长。研究认为,裂缝能改善储层渗流能力,量化评价裂缝对储层渗流能力影响有利于提高气藏开发效果。     

不同人造裂缝对渗透率影响的室内研究

为了研究不同人造裂缝对渗透率的影响,介绍了不同岩心造缝方法及其特点,并开展了室内物模实验,测定不同人造裂缝的渗透率。结果表明:裂缝的克氏渗透率随裂缝平均宽度的增加而增大,随围压的增大而减小,且存在一定的线性关系。通过总结不同人造裂缝渗透率的变化规律,加深了对裂缝的认识,为更好地开采裂缝性储层提供一定的理论依据。     

天然气沿断裂运移规律的物理及数值模拟

利用自行设计组装的模拟实验装置,对原油沿断裂运移的规律进行了物理模拟,结果表明,原油沿断裂运移速度具有与断裂带倾角成正比、与断裂带填充物粒度和泥质含量成反比的规律。利用模拟实验研究了原油和天然气通过岩样运移速度之间的函数关系,结果查明其比值大小与砂岩孔隙度成直线反比关系、与渗透率成指数反比关系。在此基础上,利用原油沿断裂运移规律对天然气沿断裂运移规律进行了数值模拟,在相同条件下发现了天然气沿断裂运移速度较原油大两个数量级以上和天然气沿断裂运移速度与断裂带倾角也成正比、与断裂带填充物粒度和泥质含量也成反比的规律。     

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本文应用流体力学、渗流力学、输砂力学和流体热力学等理论,通过分析混砂液在裂缝中的流动运移规律,建立了预测水力压裂造缝大小的数值模型及方法和液体渗滤模型,建立了一套压裂裂缝中的速度场、压力场和温度场(包括井筒温度场)以及混砂液在裂缝中运移分布的数值计算模型和方法,并通过实例计算验证其实用性。