沁水盆地煤储层渗透性影响因素研究

渗透率是评价煤储层渗透性的重要参数,通过对沁水盆地煤储层渗透性影响因素的研究,认为渗透率取决于煤层裂隙特别是煤层割理的发育情况,同时煤级控制了煤层割理的发育,后期方解石等地下流体的充填作用对煤储层割理渗透性产生严重的负面影响,而煤岩成分、煤相、矿物质等因素对割理渗透性的作用有限;有效应力、煤层埋深与渗透率呈负指数关系;随着煤层气的开采煤基质的收缩作用增大了煤层渗透性。     

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。     

页岩渗透性影响因素分析

为了研究页岩渗透性,探究影响页岩渗透率的主控因素,从页岩储层的裂隙、温度、有效应力及滑脱效应4个方面分析了页岩的渗透性。分析表明,页岩的渗透率与其裂隙宽度、裂隙的密度及其连通性有密切的关系,渗透率随裂隙的宽度和密度的增大而变大,裂隙的连通性越好,渗透率越高;页岩渗透率随温度的增加而下降;页岩储层的渗透率随有效应力增大而减小;流体的运移随滑脱效应的增强而升高。     

赵庄井田煤层气水平井产能影响因素敏感性分析

以赵庄井田3#煤为例,参考X-01井的储层参数,利用数值模拟软件,研究了煤层厚度、煤层气含量、储层渗透率、吸附性、储层压力、压裂段数等因素对煤层气水平井产量的影响。研究结果显示:产气量与煤层厚度、煤层气含量、储层渗透率和压裂段数呈正相关关系,随其增大而增大;随Langmuir体积的增大而减小,呈负相关关系;储层压力对产气量大小无影响,只影响煤层气井的产气时间。     

重复荷载下不同饱水压力中阶煤应力敏感性研究

为了查明煤层气开发中有效应力变化对含水中阶煤储层渗透性的影响,对黔西松河区块1+3号煤层的同一煤柱重复开展了应力敏感性试验,分析了重复荷载作用与饱水压力对煤储层渗透率及应力敏感性的影响机理,并探讨了煤层气井储层改造与排采优化措施。研究表明:重复荷载作用与煤样饱水压力共同影响着中阶煤储层气测渗透率及应力敏感性。随着重复荷载次数增加,煤体发生塑性-弹性变形演化,应力敏感性逐渐减弱,渗透率不可逆损害率降低。与10 MPa饱水压力相比,20MPa饱水煤样初始气测渗透率显著降低,应力敏感性减弱并逐渐趋于稳定。中阶煤储层微观孔裂隙发育,渗透率应力敏感性强,煤层气开发工程中应重视煤储层保护。     

地应力和储层压力对煤层气地面预抽影响的 数值模拟研究

为分析煤层气地面预抽效果影响规律,采用Comsol数值模拟软件,对在不同工况的地应力和储层压力条件下煤层气地面预抽进行数值模拟研究,结果表明:随着煤层中地应力增大,煤层基质孔隙率下降、裂隙趋于闭合,致使煤层渗透率降低,减小了气体在孔隙和裂隙中的渗流速率,最终导致瓦斯产出速率和产气量的下降;储层压力与煤层气产出速率呈正相关关系,储层压力越大,瓦斯产出率越高同时累计产气量也越高;随着瓦斯抽采时间增加,煤层渗透率逐渐增大,且储层压力越大煤层渗透率变化越明显。     

中国煤储层渗透性及其主要影响因素

利用９０年代以来全国煤层气钻井的大部分试井渗透率资料,客观地评价了我国主要煤层气聚集区、带煤储层渗透性状况,研究了中国煤层渗透率的主要影响因素．我国煤层渗透率普遍低于美国煤盆地．区域上具有一定的分布规律．华北聚气区东部渗透率相对较低,而西部渗透率相对较高．东北聚气区、华南聚气区煤储层的渗透率较低．地应力是影响中国煤层渗透率的主要因素,渗透率随深度的变化趋势是应力的函数．     

煤基质收缩效应和有效应力对煤层渗透率影响的新数学模型

在煤层气开发过程中,由于受到煤基质收缩效应和有效应力作用的影响,煤层渗透率将随煤储层压力的下降而变化。基于Bangham固体变形理论和有效应力应变理论,建立了煤基质收缩效应和有效应力耦合作用影响下煤层渗透率的数学模型。分析结果表明,自煤层气开始生产起,随着煤储层压力的降低,煤层渗透率变化将可能出现3种情况。经过对已有的现场试验结果与模型结论的对比,证明了该模型与现场实际相符。     

煤矿区煤层气抽采的多物理场耦合模型及应用

基于考虑煤岩膨胀应力作用的有效应力原理,建立了考虑由瓦斯压力引起的煤基质变形和有效应力耦合效应下的煤储层渗透率动态变化模型,以煤岩变形的应力场方程和煤层瓦斯渗流方程为桥梁,构建了煤层气抽采的多物理场耦合模型。以沁水盆地南部二叠系山西组3#煤层为地质模型进行应用分析,运用Comsol Multiphysics多物理场数值模拟软件,对不同煤层参数及不同工况条件下煤矿区煤层气抽采的孔隙压力场变化规律进行分析,研究发现:煤层气抽采主要受煤层埋藏深度、煤层孔隙度和渗透率影响较为明显,而受抽采负压大小的影响较小。     

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...     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为 1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在 1 000 m 以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin ,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0 为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0 =0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax ≥σv≥σhmin ,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73~0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。     

沁水盆地南部地应力场特征及其研究意义

采用水压致裂测量地应力方法,测得了沁水盆地南部45口煤层气井主采煤层地应力分布,通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,分析了地应力在煤储层渗透性及压裂研究中的意义。研究结果表明：沁水盆地南部最大水平主应力为642~4186 MPa,平均为1721 MPa;最大水平主应力梯度为117~479 MPa/100 m,平均为264 MPa/100 m;最小水平主应力330~2640 MPa,平均为11391 MPa;最小水平主应力梯度为099~285 MPa/100 m,平均为177 MPa/100 m。主应力均随着煤层埋藏深度的增大而增高,呈线性关系。在650 m以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin,最小水平主应力小于12 MPa,现今地应力状态处于伸张带;在650~1 000 m煤储层地应力状态转化为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力为12~20 MPa,现今地应力状态由伸张带转化为压缩带的过渡;在1 000~1 500 m煤储层地应力状态为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力大于20 MPa,现今地应力状态转化为压缩带。在地应力的作用下,裂缝逐渐趋于闭合,煤储层渗透率急剧下降。同时,地应力对煤储层水力压裂裂缝扩展产生重要影响,水力压裂裂缝均沿着最大主应力方向扩展。     

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭...     

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。     

抽采瓦斯过程中煤层瓦斯压力演化规律的物理模拟试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了不同地应力水平下抽采瓦斯的物理模拟试验,对抽采瓦斯过程中煤层瓦斯压力演化规律进行了探讨。结果表明：① 在抽采瓦斯过程中,煤层瓦斯压力在初期降低较快后期降低缓慢,并且距钻孔越近,瓦斯压力下降速度越快,而与距钻孔出口的距离无关;② 在与抽采钻孔垂直的断面瓦斯压力场中,等压线以钻孔为中心呈现圆环形分布,在与抽采钻孔平行的纵面和层面瓦斯压力场中,等压线则以钻孔为对称轴呈现漏斗形分布,且距钻孔及钻孔出口越近瓦斯流速越大;③ 地应力的增加降低了煤层渗透率,阻碍了瓦斯的运移,使抽采过程中瓦斯压力的降低速度变慢,瓦斯流速减小。     

煤层压裂开采与治理区域瓦斯的基本问题

由于煤层的矿物成分、结构体系、瓦斯的吸附解吸效应等导致含瓦斯煤层水压致裂复杂,煤层压裂治理区域瓦斯技术目前整体上还处于起步阶段。提出了煤层水压(流压)致裂治理区域瓦斯的理论、技术与装备等基本问题框架。在分析煤层物理化学特性的基础上,初步给出了煤层压裂的力学机制与裂缝基本空间形态。分析了含瓦斯煤层水压致裂的物理化学作用、结构改造增透、应力扰动效应、驱赶瓦斯效应、水锁效应等作用。以孔隙压力梯度作用机制为切入点,深入研究煤岩层压裂的细观破裂机理、应力扰动效应与评价方法、体积致裂机制、驱赶瓦斯效应、支撑剂在裂缝网络的运移规律与压嵌特性、排采规律等理论问题。针对驱赶瓦斯效应扬长避短,使含瓦斯煤层压裂上升至压裂驱赶层次。提出了需要深入研究的技术安全性评价、工艺技术、合理泵注排量、压裂裂缝扩展及其效应监测、适用条件与规范等技术问题。研制了井下压裂治理区域瓦斯的致裂封孔系统、分析软件与测控系统等成套装备。     

煤层气水力致裂试验方法研究

根据水力致裂试验经典曲线和理论分析得出煤层水力致裂试验的典型分析曲线;以沁水盆地南部测试井为试验对象,对煤层的原地应力进行测定。利用平方根法和双对数法对水力致裂试验数据进行分析和研究,得出沁水盆地南部煤层原地应力的实验数值以及2种方法的相互验证准确可信。煤层水力致裂测试结果为煤层勘探、测试和后期排采作业过程提供了基础。     

砂煤岩互层水力裂缝扩展规律的数值模拟研究

砂煤岩互层中都含气的情况下,采取多层联合压裂工艺进行煤层气和致密砂岩气的合采,但是地层垂向上岩石性质差异很大,地应力状态不同,从煤岩层起裂和从砂岩层起裂裂缝的形态可能会有很大的差别。采用有限元方法对砂煤岩互层中的裂缝进行了模拟研究,依据室内试验及现场数据,考虑了分层地应力、岩性差异、地层界面、施工条件的影响。采用全三维的裂缝扩展模型,分别模拟了砂岩层射孔起裂和煤层射孔起裂2种情况。结果表明,从砂岩层起裂的裂缝会在缝高方向上迅速突破煤岩层,在模型范围内,缝高大致是缝长的2倍,达不到压裂深穿透储层的目的。从煤岩层起裂的裂缝缝高方向受到砂岩层的遮挡作用,缝长较长,采取合理的施工参数裂缝可以扩展至砂岩层,推荐采取从煤层起裂的方式。并对煤层为起裂层这一情况下裂缝形态的影响因素进行了探讨,5 MPa左右的最小水平主应力差可以将裂缝限制在煤层中,地应力差为4 MPa时,存在7 m³/min的临界排量,推荐采取不小于7 m³/min的排量施工,低弹性模量、高抗拉强度、高渗透率的砂岩层有效限制了裂缝缝高方向的扩展,高黏度的压裂液有助于裂缝的穿层行为,但影响程度较弱,煤层推荐采取清水压裂液。     

煤层甲烷碳同位素与含气性关系

煤层气甲烷碳同位素值是反映煤层气成因及赋存条件的有效参数。通过对沁水盆地沁南东区块煤层甲烷碳同位素和煤储层含气性测试资料分析,剖析了3号煤层甲烷碳同位素分布特征,建立了煤层甲烷碳同位素与镜质组反射率、煤层埋藏深度和煤储层含气性之间的相关关系和模型,揭示了煤层甲烷碳同位素分布的控制机理。研究结果表明:本区3号煤层自然解吸气甲烷碳同位素为-28.89‰~-53.27‰,平均-36.48‰。与全国其他地区同等演化程度的煤层气相比总体偏重,表现出煤层具有较好的保存条件;3号煤层甲烷碳同位素与镜质组反射率和煤层埋藏深度之间呈对数函数关系,且随着镜质组反射率和煤层埋藏深度增加而变重,与全国煤层甲烷碳同位素统计规律一致,主要受控于煤层气形成的热动力学机制之下的同位素分异效应和煤层气解吸—扩散—运移过程中甲烷碳同位素的分馏效应;煤层甲烷碳同位素与煤储层含气性之间存在相关性,且随着煤层气含量、煤储层压力和含气饱和度增加,3号煤层甲烷碳同位素也相应变重,且呈对数函数关系,反映控制煤储层含气性的因素与控制煤层甲烷碳同位素的因素存在一致性。