煤层气藏气体产出路径研究 ——以沁水盆地南部马必东区块为例

为明确排采过程中煤层气的产出路径,以沁水盆地南部马必东区块3#煤层样品为研究对象,通过煤岩基质岩心与裂隙岩心的并联和串联实验,分析不同组合模式下气体体积流量、岩心渗透率与驱替压差的关系,探究压差作用下煤层气藏的产出机理。实验结果表明,煤层气在排采过程中存在由煤岩基质孔隙向天然微裂隙进而向人工裂隙运移的串联产出路径以及由煤岩基质孔隙+天然微裂隙+人工裂隙共同产出的并联产出路径。串联产出路径中气体产出主要受煤岩基质渗透率的影响,并联产出路径中气体产出主要受人工裂隙的影响。并联产出路径的等效渗透率远高于串联产出路径的等效渗透率。当岩心两端压差由4.5 MPa降至2 MPa时,并联产出路径的等效渗透率由串联等效渗透率的30倍降至16倍。因此,在煤层气井的排采过程中,需进一步考虑并联产出路径中煤层气的产出。     

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。     

页岩储层渗透率数学表征

为研究页岩储层渗透率表征方法中存在的问题,根据页岩储层独特的裂缝、孔隙分布特点,分别建立了裂缝渗透率理论计算模型和基质渗透率理论计算模型,定性分析了缝宽、孔隙直径、孔隙压力等参数对渗透率的影响。模型研究表明：裂缝内气体渗流满足立方定律,其渗流能力由缝宽决定;基质渗透率受气体滑脱效应和扩散效应影响,其渗流能力由孔隙压力和孔隙直径共同决定,且随孔隙压力和孔隙直径的变化发生动态变化;裂缝渗透率和基质渗透率极差较大,实际应用时须进行适当分类处理,以克服采用现有渗透率数学表征方法表征页岩气渗透率的不足。应用实例结果表明,该方法准确有效。     

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。     

基于分形理论的页岩基质表观渗透率研究

为了表征页岩基质表观渗透率,研究其动态变化规律,基于迂曲毛细管束分形理论及气体微观渗流机理,分别建立考虑吸附、滑脱、扩散及渗流的无机质和有机质表观渗透率模型,并通过面积系数加权得到页岩基质表观渗透率模型。结合实验数据及已有模型验证了新建模型的可靠性,定量分析了页岩基质微观孔隙结构(孔径、孔隙度、分形维数),外界环境(压力、含水饱和度、有效直径修正因子)及气体性质对页岩基质表观渗透率的影响。研究结果表明:随着储层压力的降低,无机质孔隙水膜厚度增大,有效直径减小,迂曲度分形维数增大,孔隙分形维数减小,气体滑脱效应增强,但仍以吸附影响为主,无机质表观渗透率总体呈下降趋势;有机质孔隙吸附气解吸使有效直径修正因子逐渐增大,迂曲度分形维数减小,孔隙分形维数增大,滑脱效应及努森扩散在低压小孔中增强,有机质表观渗透率总体呈上升趋势;有机质与无机质表观物性参数随压力、吸附层变化规律不同,渗透率差值较大,因此在页岩基质表观渗透率研究时应予以区分计算,避免其差异性所带来的误差。     

致密多孔介质气体运移机理

气体在致密多孔介质中的运移受多种因素的影响,如孔隙结构、气体的赋存方式、温度和压力等。地层压力大,气体密度高,应属于稠密气体|另外,在页岩、煤岩、致密砂岩等多孔介质中发育了丰富的纳米级孔隙,使气体的运移机制极为复杂。详细研究了气体在致密多孔介质中的运移机理,并引入稠密气体理论,通过计算分子平均自由程,发现直径大于2nm的孔隙中,压力大于1.135MPa时(76.85℃),气体不会发生Knudsen型扩散,Fick型扩散和表面扩散可能是主要的扩散方式|并得到Knudsen渗透率修正因子随压力增加而减小,随温度的升高而增加,随孔隙半径的减小而增加,在较小孔隙中温度的影响更显著;气体从小孔扩散至大孔和裂缝系统是多种扩散机制的结果,孔隙的大小、气体的赋存方式和压力直接关系到气体的运移机理。对比分析Klinkenberg渗透率和Knudsen渗透率修正因子,发现Knudsen渗透率模型是更精确的渗透率模型,Klinkenberg渗透率修正因子可以看作是Knudsen渗透率修正因子的一级修正。      

吸附性气体对煤岩基质变形和渗透率的影响

为了研究吸附性气体对煤岩基质变形和渗透率的影响,利用CT扫描技术刻画了煤岩吸附CO2后煤岩裂隙空间尺寸的展布特征;采用煤层气吸附/解吸系统,测试了CO2、N2和CH4的吸附/解吸参数;基于煤岩三轴渗流测试系统,测试了不同应力条件下气体渗流特征.研究结果表明:基于CT图像直接观察了煤岩吸附CO2后煤岩裂隙受到基质膨胀而压...     

页岩气藏三重介质模型压力动态分析及其应用

不同于常规气藏,页岩气藏储层及页岩气的储存、运移都具有十分复杂的特性,其气体渗流过程描述也相当困难。为了解页岩气储层气体的流动规律、井底压力动态及影响因素,进而有效地开发页岩气,文中对页岩气藏渗流规律进行了研究,并基于双重介质模型,建立了新的三重介质模型。新模型考虑了页岩气吸附机理,假设基质为双重孔隙介质,且带有微裂缝,微基质和裂缝之间有气体流动;对方程进行了离散化差分,通过Matlab编程进行求解,讨论了3个系统的窜流系数、弹性储容比,以及裂缝与基质渗透率比对井底压力的影响;最后通过对比现场实际数据,使建立的模型得到有效验证。     

液氮冷冲击作用对煤岩微纳米尺度孔隙结构及力学性质的影响

液氮压裂是提高煤层气储层改造效率的潜在可行性技术之一,而目前对于液氮冷冲击作用下煤岩孔喉连通性及微观渗流特征可视化的研究则较少,致使该作用对煤岩微纳米尺度渗流特征与力学性质的影响机制认识尚不明确。为了给液氮压裂提高煤层气储层改造效率技术提供理论依据,基于CT扫描和原子力显微镜研究了液氮冷浸前、后煤岩微纳米尺度孔隙结构及力学性质的变化,揭示了液氮冷冲击作用对煤岩渗流能力的影响机制。研究结果表明:(1)液氮冷浸后,煤岩孔隙数量和孔隙尺度均增大,本次实验条件下孔隙度增大2倍,微裂缝占主导,微裂缝体积占比由液氮冷浸前的7.7%增至90.0%;(2)基于CT三维孔隙结构重构模型,液氮冷浸后,煤岩喉道数量、总长度、总体积均显著增加,较之于液氮冷浸前,分别增加了1.7倍、1.4倍、1.3倍,煤岩孔隙连通性得以明显改善;(3)液氮冷浸后,煤岩的绝对渗透率显著提高,在实验条件下为液氮冷浸前的77倍,热应力形成的微裂缝成为液氮冷浸后煤岩的主要渗流通道;(4)液氮冷浸后,煤岩基质区域和矿物区域均有孔洞及裂缝形成,煤岩表面粗糙度增加,与此同时煤岩基质区域和矿物区域的弹性模量均有所下降,弹性模量平均值分别降低81%、91%。结论认为,液氮冷冲击作用使得煤岩微观缺陷增多、力学性质劣化;液氮压裂有望成为一种高效、绿色的新型煤层气储层改造技术。     

基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动模拟

页岩中的主要孔隙类型是纳米孔隙,气体在纳米孔隙中的流动不同于在常规孔隙中的流动,其存在微尺度效应,因此基于连续介质假设的达西方程不再适用。由于页岩气藏一般处于高压环境,气体比较稠密,理想气体状态方程也不再适用。而格子Boltzmann方法是一种介观流动模拟方法,其不基于连续介质假设,适用于从滑移区到过渡区的气体流动模拟,并且能够考虑气体稠密性和非理想气体状态方程的影响。基于考虑努森层影响和微尺度效应的非理想气体格子Boltzmann方法,结合镜面反射格式与反弹格式组合的滑移边界条件,采用二维平板模型,研究了孔隙尺寸、压力和温度等因素对微尺度效应的影响,并对影响机理进行了分析。结果表明:努森数是微尺度气体流动的控制参数;在滑移区和自由分子流区,各因素对微尺度效应的影响较小,而在过渡区,各因素对微尺度效应的影响较大;通过表观渗透率与固有渗透率比值随努森数的变化关系,并与常用的页岩气藏表观渗透率计算模型进行对比,验证了目前常用页岩气藏表观渗透率计算模型的准确性。