多因素叠加作用下煤储层渗透率的动态变化规律

分析了煤储层渗透率的主要影响因素,讨论了有关黏性渗流的基本理论问题。在不同轴压、围压和气体压力梯度下,对山西晋城矿区原状无烟煤煤样进行了三维应力场的CH 4渗流实验,计算并分析了有效应力、煤基质收缩、气体滑脱效应等因素对渗透率的影响及其叠加作用的表现。认为吸附态的CH 4分子组成了煤储层孔-裂隙气体渗流的边界层,滑脱效应存在于边界层以外,煤储层渗透率的动态变化是有效应力、煤基质收缩效应和滑脱效应叠加作用的结果,渗透率在压力梯度0～0.1 MPa阶段衰减最为显著,滑脱效应对渗透率的贡献远小于基质收缩效应,且随着压力梯度的增大而几乎可以忽略。     

煤层气井排采中煤储层稳定性分析方法与应用——以郑庄区块为例

煤层气井排采过程中,煤储层原始地应力场发生调整,易导致储层失稳破坏,影响煤层气井抽采效率。基于单轴应变模型,考虑基质收缩效应,推导了排采过程中煤储层地应力动态模型,揭示了地应力动态变化规律。此外,建立了排采过程中煤储层稳定性分析模型,提出了煤储层峰值强度与最大主应力的差值(H)作为煤储层稳定评价基本参数,讨论了不同应力机制下地应力动态变化对煤储层稳定性的影响。研究表明：水平主应力在排水降压阶段呈线性降低,在产气阶段受基质收缩效应的影响呈非线性下降,解吸作用越强,下降速率越快。不同应力机制煤储层失稳破坏规律不同。正断层应力机制,排水降压和产气阶段,莫尔圆半径增大,圆心右移,接近破坏包络线,煤储层可能失稳破坏,解吸作用越强,莫尔圆半径增大速率越快,越容易破坏;走滑断层应力机制,排水降压和初始产气阶段,莫尔圆半径不变,向右平移,远离破坏包络线,煤储层稳定性增强,不发生破坏,而稳定产气及衰减阶段,莫尔圆向左平移,靠近破坏包络线,煤储层稳定性减弱,可能失稳破坏;逆断层应力机制,整个排采过程莫尔圆半径不断减小,远离破坏包络线,煤储层稳定性增强,不发生破坏。结合郑庄区块地应力测试井数据,对煤储层稳定...     

煤中气体解吸收缩有效应力变化特征

煤基质中气体解吸导致的基体体积收缩对应力场有显著影响.测试了4种不同气体(甲烷、氮气、二氧化碳、氦气)解吸导致的煤基质体积变化,分析了煤基质的收缩变化规律.研究结果表明,煤基质的总收缩系数对于甲烷解吸为1.2×10-3 MPa-1,对于二氧化碳解吸为5.2×10-3 MPa-1.采用太沙基方程,建立了有效应力和气体压力之间的关系式,可用于估算煤的渗透率.     

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。     

煤层气排采过程中煤储层孔隙度模型及变化规律

为准确表征开发过程中欠饱和煤储层孔隙度变化,以临界解吸压力为界,在煤基质收缩及有效应力耦合作用下建立煤储层孔隙度模型,以此分析了排采过程中孔隙度随孔隙压力的变化规律。研究结果表明,开发过程中孔隙度变化一般经历4个阶段:排水降压段、缓慢降压段、弥补反弹段、快速增长段,分别与生产过程中气、水产出变化阶段相对应;孔隙度变化程度主要受控于反弹压力点与临界解吸压力点之间的配置关系,反弹压力越接近临界解吸压力,基质收缩强度越大,孔隙度反弹能力越强;在生产过程形成的压降漏斗内,各点孔隙度变化可以反映该点储层压力的变化,扩大压降漏斗内孔隙度反弹压力面和等孔隙度压力面,有利于提高煤层气井产能。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

煤层气升温解吸特征分析与应用

为了探讨煤层气储层升温解吸效果,设计了高中低三种煤级不同温度吸附/解吸实验。通过对比分析认为,升温解吸在高阶煤中的解吸效果尤为明显,提高(高阶煤)储层温度有利于降低高阶煤储层排采过程中的煤基质收缩负效应,改善储层渗透率。揭示出相同的废弃压力和含气量下,升高温度有利于提高煤层气采收率,减少残余气,最终提升产气量。     

低阶煤气水两相渗流特征的数值模拟研究

以海拉尔盆地伊敏低阶煤为研究对象，建立了考虑煤体三维变形的煤储层气水两相流模型，运用COMSOL软件得到了与伊敏煤样气驱水实验结果吻合的气、水流量和进口气体压力变化曲线。进一步探讨了不同井底流压下降方案（0.005 MPa/d和0.01 MPa/d）的煤储层产气特征。研究表明：煤层气井排采需经历产量提升阶段，在井底流压达到最低值时，产气量达到峰值，然后产量降低进入稳产阶段；减缓井底流压的下降速率有利于保持稳产阶段的产气量。     

煤层气井单相水流拟稳态排采模型与应用效果分析

为实现煤层气井的定量化排采管控,有效提高单井产气量,以沁水盆地南部马必东试验区高阶煤为研究对象,依据裂缝储层饱和水单相渗流机理,分析了压裂返排后各级裂隙对排水效果的影响,结合压裂与排采数据,探讨了压裂改造范围内的压力传播特征,将排水区域划分为单相流弹性排水区与两相流弹性排水区,通过建立垂直裂缝线性流拟稳态模型,确定了与试验区地质条件相符的排采控制原则。研究表明:在饱和水单相流阶段,压裂裂缝是水相主要渗流通道,为水相强流动区,100μm级(渗透率1×10~(-15)～1. 2×10~(-15)m~2)外生及微型裂隙对煤层应力、压力传播及气体解吸最为敏感,为水相弱流动区,排采过程中应同时考虑低压力梯度造成的非线性渗流效应与应力敏感作用;排采模型显示:在垂直裂缝拟稳态渗流阶段,储层压力分布呈抛物线型,近井区域产水量高于边界区域,表现为更易发生解吸,单相水流期的渗流阻力主要由煤岩渗透率、排采时间、煤岩压缩系数、裂缝尺寸、压裂改造半径、驱替压力梯度、孔隙压力等多种因素影响,为保证解吸气的连续、高效产出,马必东试验区按照"快-慢-缓"的排采原则,存在合理的排采界限(0. 05～0. 10 MPa/d);针对高阶碎裂煤,在定流压降幅条件下,产水曲线形态可划分为稳定型、上升型与下降型,同时反映了不同煤储层的供水特性,高产能井解吸前通常出现气驱水尖峰。     

采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型及耦合效应分析

以弹塑性力学理论、渗流力学理论、气体扩散理论、固-气耦合理论等为研究基础,构建了采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型;以渝阳煤矿为研究背景,利用COMSOL Multiphysics数值分析软件开展了采动影响条件下固-气耦合效应数值模拟试验。试验结果表明,该耦合模型能全面地反应了采动含瓦斯煤岩体变形场中的骨架变形、应力变化和流动场中的瓦斯运移过程的耦合作用机制。     

Coal matrix deformation characteristics in the process of carbon dioxide displacing different gas saturation coal-bed methane

It is fundamental that changes in coal reservoir permeability are researched, in particular, the accurate determination of variations in the coal matrix caused by CO₂ replacing CH₄ at different gas saturation conditions. Based on the surface free energy, the extended Langmuir isothermal adsorption model, combined with CO₂ replacing CH₄ in experimental trials, and calling on the more general principles and characteristics of the field, mathematical models describing the coal matrix as it undergoes different processes such as CO₂ injection and desorption were established. Combined with laboratory data about CO₂ replacement under different methane saturation conditions, a law governing the variations in coal matrix CO₂ replacement under different methane gas saturation conditions was obtained. The results showed that: in the injection process, the coal matrix expansion rate caused by CO₂ or CH₄ was exponentially increased with the CO₂ pressure increase, the expansion caused by CO₂ was far greater than the expansion caused by CH₄ in the desorption process, the coal matrix shrinkage caused by CO₂ or CH₄ was exponentially increased with the pressure decrease, the shrinkage caused by CO₂ was larger than the shrinkage caused by CH₄ under the same pressure and different gas saturation, the total shrinkage in the desorption process in the coal matrix was greater than the total expansion in the injection process. At higher gas saturations, the total coal matrix shrinkage volume exceeded the total expansion corresponding to pressure points higher in the desorption process.     

Experimental study on effects of CBM temperature-rising desorption

To study the effects of CBM (coal bed methane) temperature-rising desorption, isothermal adsorption/desorption experiments on three ranks (anthracite, coking coal and lignite) of coal at different temperatures were designed based on the traditional CBM decompression desorption. The experimental results indicate that temperature-rising desorption is more effective in high-rank coal, and ever-increasing temperature of high-rank coal reservoir can reduce the negative effects of coal matrix shrinkage in the process of production and improve the permeability of the coal reservoir as well. It is also revealed that the technique of temperature-rising desorption applied in higher-rank coal reservoir can enhance CBM recovery ratio. This study provided theoretical support for the application of temperature-rising desorption technique in practical discharging and mining projects, which can effectively tackle the gas production bottleneck problem.     

顶板含水层对煤层气井网产能的影响

根据煤体的岩石力学性质和弹性本构关系推导出了考虑基质收缩效应的煤裂隙渗透率模型,并在此基础上建立了三维煤层气垂直井网的非平衡吸附拟稳态条件下的气-水两相流动数学模型.编制程序并利用沁水盆地南部某区的资料对五点式煤层气井网开采进行了模拟预测,结果表明：石炭系K₂灰岩层局部富水性较强,在煤层气开发实践中,尤其在压裂增产改造过程中可能对煤层气的开采造成直接不利影响,同时基质收缩对裂隙渗透率的影响也不容忽视.     

基于流-固-热耦合的CO_(2)-ECBM数值模拟研究北大核心

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。     

突出煤-瓦斯在巷道内的运移规律

以煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置进行了巷道中突出煤-瓦斯两相流试验研究,通过试验观察将煤颗粒的运动过程分为加速、平衡减速及沉降等运动阶段,并综合运用固体颗粒在气流中的悬浮运动机理和能量守恒定律,建立了一维情况下突出煤在巷道中的运移数学模型。通过模型计算分析得到,突出煤颗粒运移距离随初始气流速度的增大呈增大趋势,随颗粒粒径的分布规律由于其符合的流动状态不同而不同。     

煤层气开发过程中渗透率动态变化规律及对产能的影响

依据弹性形变理论,建立了开发过程中煤储层渗透率应力敏感模型。根据兰格缪尔方程,建立了煤基质在解吸过程中渗透率反弹模型。综合渗透应力敏感和基质解吸渗透率反弹的研究成果,建立了开发过程中渗透率随地层压力变化的动态综合模型。研究结果显示:早期,渗透率以应力敏感为主,随着储层压力的降低渗透率降低;后期,渗透率反弹占主导地位,随着甲烷解吸和排出量的增加,渗透逐渐增大。根据对大量实际生产资料的分析,应力敏感在排水期、稳产期表现强烈;渗透率反弹主要发生在递减期,并且具有阶段性和多周期性。     

穿层钻孔抽放煤层瓦斯数值模拟研究

矿井瓦斯抽放是解决煤矿瓦斯问题、提高资源使用效益、确保煤矿安全生产的一种有效方法。为合理安排矿井抽掘采接替关系,确定穿层钻孔抽放参数,根据煤层瓦斯流动理论、质量守恒方程、真实气体状态方程、气体压缩系数方程,并以朗格缪尔方程作为吸附瓦斯解吸的数学规律,建立了穿层钻孔抽放煤层瓦斯数学模型,采用有限差分数值方法编制了计算程序,以全隐式格式确保计算过程的稳定性,根据实测煤层瓦斯参数进行了数值模拟计算,获得了穿层钻孔抽放条件下钻孔周围瓦斯压力分布情况以及钻孔有效抽放半径等抽放参数。分析表明,低透气性煤层抽放钻孔周围容易形成较高的瓦斯压力梯度,且在有限的抽放时间内有效抽放半径较小。数值模拟结果与现场实践基本一致。     

松软煤层瓦斯抽采钻孔高压气体循环修复增透技术研究

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔煤粉堵塞煤层裂隙、煤渣堵塞抽采管路等瓦斯运移通道不畅问题,研究高压气体循环修复增透机理,合理确定循环修复增透气体压力,改造完善高压气体循环修复增透装置,并在赵家寨煤矿进行了现场试验。结果表明:高压气体作用下,煤体解吸收缩产生的拉伸应力是煤体新裂纹生成的主要原因;高压气体对煤体的破壁冲刷作用打通了瓦斯流动通道,实现了抽采钻孔的修复增透;确定了循环修复增透的气体压力的最小值,即解吸收缩产生的拉伸应力应大于煤体的最大抗拉强度;试验钻孔实施修复增透措施后,瓦斯抽采钻孔的瓦斯浓度为修复增透前的1.92倍,瓦斯纯流量为修复增透前的3.24倍,瓦斯抽采效果提升显著。