浅谈沁水盆地郑庄区块陷落柱形成机理及分布规律

陷落柱的存在使煤层的连续性受到破坏,并且沟通了相邻富水层,已成为制约煤层气勘探开发成效的重要因素之一。为了提高勘探成效,规避风险,对沁水盆地郑庄区块煤系地层陷落柱的成因机理和条件、剖面形态及其地震反射特征、分布规律和影响因素等方面进行了系统分析与研究,认为该区在由南西向北东倾伏的大型鼻状构造背景控制下,陷落柱分布呈现北东向带状分布、东西成群出现的特点,主要是受奥陶系石灰岩沉积的不均质性、该区地下水强径流方向和区域构造背景控制,而与局部褶皱走向无关。     

沁水盆地北端煤层气储层特征及富集机制

煤层气的富集与储层特征密切相关,并受地质条件的制约。在详细研究煤储层特征及煤层气富集机制的基础上,对沁水盆地北端煤层气的开发前景进行了初步评价。煤岩、煤质、煤体结构及孔渗性、吸附性的观察和测试显示,该区煤层厚度大,热演化程度高,局部发育构造煤,裂隙较发育,吸附性能力强,含气量高,含气饱和度偏低,适合煤层气的开发。该区煤层气的富集主要受控于热演化史和埋藏史。在区域变质的背景上,叠加了岩浆热变质作用,生气强度大。另外,煤层的埋深、顶底板封闭性及水文地质条件都会影响煤层含气量的大小,煤层气富集是多因素有效配置的结果。     

页岩储层水力压裂支撑裂缝导流能力影响因素

支撑裂缝的导流能力是评价页岩储层水力压裂施工效果的一项重要参数,其大小受到多种因素影响。文中开展了支撑剂类型、颗粒大小、铺砂浓度等对支撑裂缝导流能力影响的室内实验研究。结果表明:陶粒的导流能力明显高于石英砂和覆膜砂,在低闭合压力条件下,20~40目陶粒的导流能力最大,在高闭合压力条件下,组合支撑剂的导流能力明显高于单一支撑剂;铺砂浓度越大,裂缝导流能力越大;循环应力加载模式下,裂缝导流能力比稳载时下降了31.7%,经过滑溜水和胍胶压裂返排液污染后,裂缝导流能力分别下降了33.9%和76.5%。研究成果指导了X-4井的现场压裂施工,该井措施后产气量较高且稳定生产,压裂增产效果较好。     

压裂参数对煤储层水力压裂裂缝的影响

以沁水盆地南部为研究对象,以流体连续性方程和裂缝内的压降方程为依据,以有限元软件ANSYS为平台,模拟了注入压力和压裂液黏度等压裂施工参数对煤储层水力压裂起裂压力和裂缝扩展的影响。模拟发现,裂缝起裂瞬间,射孔尖端受到的张应力等于煤岩的抗拉强度,且随着远离裂尖而逐渐减小;最大缝长和最大缝宽都随着注入压力的增大而近似线性增大;随着压裂液黏度的增大,最大缝长逐渐减小,最大缝宽逐渐增大,裂缝的起裂压力不变化。     

沁水盆地煤储层应力敏感分析及工艺对策

随着山西沁水盆地煤层气开发规模的不断扩大,在开发中暴露出来的问题也越来越多。从研究最基础的储层伤害机理着手,对沁水3#煤岩开展了应力敏感性、驱替压差实验,结果表明每口井有一个压降临界值,不同井的临界值不同。生产压差的控制非常关键,超过临界值以后生产压差越大渗透率越低。针对影响煤层气解吸的关键参数,开展了排采控制技术研究,应用自动闭环控制技术实现了井底流压的智能控制,为煤层气田平稳、长期、高效地开发提供了新的技术支撑。     

沁水盆地郑庄—樊庄区块煤系储层共生成藏微观输导体系

基于沁水盆地郑庄—樊庄区块煤层气藏与顶板致密砂岩气藏之间存在共生性与不对称性迁移的现象,提出了共生成藏微观输导体系的概念。以煤系储层微观输导体系为研究对象,采用高压压汞实验、低温液氮吸附测试和核磁共振分析等方法,对静态微观输导体系的特征和动态输导机制研究后发现,研究区煤岩静态微观输导体系由过渡孔—微孔为主导的孔隙型输导要素与高密度、高角度的裂隙型输导要素构成;构造抬升引起的降压是煤层气微观输导的动力。古近纪末期至现今,由于构造抬升引起压力变化使得煤岩吸附气解吸,每吨煤解析出14.29 m~3的甲烷。古近纪末期(距今约30 Ma),甲烷分子在煤岩孔径范围内发生Fick型扩散;现今在孔径为5~15 nm的煤岩中发生过渡型扩散,在孔径为15~100 nm的煤岩内发生Fick型扩散。     

致密砂岩储层水平井水力压裂裂缝参数影响因素数值模拟

在大规模压裂开发过程中,水力压裂裂缝扩展形态及空间展布是致密砂岩储层改造效果定量描述和评价的难点。为了研究水平井水力压裂裂缝扩展形态及空间展布规律,通过落实岩石力学参数,建立油藏地质、岩石力学及地应力模型,利用kinetix水力压裂模拟模块,模拟泊松比、弹性模量、水平应力差、加砂量、压裂液排量以及压裂液总量等参数对复杂缝网形成规律的影响,分析了裂缝起裂和扩展的规律。结果表明：随着泊松比、弹性模量、加液量的增加,裂缝缝长呈减小的趋势,加砂量、主次应力差对裂缝缝长影响较弱;裂缝导流能力随泊松比、单段加液量、加砂量、压裂液排量的增加而增大,主次应力差在6 MPa左右时,裂缝导流能力最高,弹性模量对水力裂缝的导流能力影响相对较小;主次应力差较小时,裂缝展布方向与主应力方向夹角较大;主次应力差较大时,裂缝沿主应力方向延伸。研究结果可为致密油藏储层水平井大规模压裂参数优化和压后定量评价提供技术支撑。     

沁水盆地和顺地区煤层气储层物性特征

在对沁水盆地和顺地区煤层气有利区带的地质资料进行相关分析基础上,采集了不同煤矿井下煤样和顶板盖层样品并进行了超声波测试,初步形成了在地层温度与压力条件下的煤样采集、样品制备及测试分析等基本岩石物理参数测试技术。应用MTS岩石物理参数测试系统对该区煤样进行岩石物理参数测试,获得该区煤层气有利区带储层岩石物理参数测试数据及其分布范围,表明煤层纵横波速度之间具有良好的线性关系,煤样及盖层样在纵横波衰减方面存在-定的差异。煤层的弹性特征与盖层存在明显差异,并具有较强的各向异性和非线性特征,可为岩石物理模型、实际模型的数值模拟和波场特征分析提供依据,也为煤层气的预测提供了-种途径。     

沁水盆地成庄区块煤层气成藏优势及富集高产主控地质因素

成庄区块是沁水盆地煤层气开发最为成功的区块之一。为了指导相似地质条件的煤层气区块的勘探开发,基于大量的勘探开发实践数据,利用数理统计、室内实验、测井解释、构造解析、数值模拟及递减分析等方法,系统开展了该区块煤层气成因、成藏条件及产气规律等方面的研究。研究表明：该区具备构造简单、煤层展布稳定、埋藏深度浅、有机热成因气、含气量高、渗透率高等优越的成藏条件;该区高产井比例高（占总井数47%）,具有单井平均产量高（介于4 000~7 000 m³/d）、采收率高（预计采收率为55.1%）等产气特征。进一步分析了富集、高产主控因素的控气作用机理,结果认为：构造热事件提高生气能力,改善了物性,封盖条件与水动力优势配置,利于煤层气富集;张性水平应力分布区及煤矿卸压应力释放区的煤储层渗透率高,利于储层高产。     

弹塑性储层水力压裂裂缝扩展研究

随着水力压裂技术在非常规油气资源开发中的大量应用,越来越多的学者发现传统的线弹性断裂力学不能对弹塑性储层中水力裂缝扩展进行准确预测。鉴于此,基于Mohr-Coulomb塑性理论,在考虑储层岩石塑性变形、压裂液流动与水力裂缝扩展非线性耦合的基础上,通过插入Cohesive单元的方法,建立三维多孔介质弹塑性土体模型,以此来研究弹塑性地层不同工况下水力压裂裂缝扩展规律。研究结果表明：水力裂缝在扩展过程中会在尖端产生明显的塑性应变,阻碍裂缝扩展;地层的抗拉强度越大,裂缝尖端的塑性应变越大,岩石的破裂压力越高,裂缝呈现出“短宽缝”的形态;增大压裂液的排量,会明显改变水力裂缝的形态,容易形成“长宽缝”,与此同时会使裂缝的扩展压力显著升高,给压裂作业带来困难。研究成果可为该地区现场压裂施工提供参考。     

高阶煤层气储层非均质性及其定量评价——以沁水盆地南部郑庄区块为例

煤储层非均质性影响煤层气开采。以沁水盆地南部郑庄区块3#煤层为例,开展高阶煤层气储层非均质性研究。采用变异系数定量评价了煤储层物性参数（含气量、吸附时间、宏观和显微裂隙密度）和煤岩学参数（显微组分和最大镜质体反射率）在储层纵向上的非均质发育特征。结果表明：煤储层参数层内非均质程度由强至弱依次为吸附时间（平均变异系数0.5246）、矿物质含量（0.4665）、总显微裂隙密度（0.4381）、总宏观裂隙密度（0.3143）、惰质组含量（0.2473）、镜质组含量（0.1125）、含气量（0.0877）和最大镜质组反射率（0.0135）。其中,吸附时间、矿物质含量和裂隙密度层内非均质性较强,是需要重点评价的储层参数。研究成果为煤层气储层非均质性的精细刻画以及定量评价提供了新的思路。     

沁水盆地南部郑庄区块高煤阶煤层气成藏模式

为指导沁水盆地南部郑庄区块煤层气高效开发,通过综合运用钻井、地震、试井、煤岩测试及生产数据等资料,分析了研究区煤层气成藏条件和主控因素,并在此基础上研究了高煤阶煤层气成藏模式.研究发现,煤层气成藏主要受到构造、水文地质、地应力及煤变质作用控制.依据构造形态、煤层围岩和地下水动力等特征,把研究区煤层气藏划分为浅层单斜、鼻...     

柿庄北深煤层区块压裂工艺对比研究

深层煤层气井压裂没有成熟的经验可以借鉴,对比研究了柿庄北深煤层区块已成功施工的11口活性水压裂井、5口水力波及压裂井及2口水力喷砂分段压裂水平井,总结分析了这些井的工艺参数及施工效果。活性水加砂压裂井和水力波及压裂井施工风险低,成功率高;水平井水力喷砂分段压裂施工压力高,风险大,需进一步优化工艺参数,保障施工安全。该分析结果可为该区块后续煤层气压裂增产提供参考依据。     

深煤层水力波及压裂技术及其在沁南地区的应用

为提高深部煤层的煤层气产能,针对其地质特征提出了在深煤层实施多口直井同步水力波及压裂的技术思路。首先基于边界元位移不连续法建立了多裂缝诱导应力数学模型,模拟深煤层诱导应力场分布,分析水力波及压裂复杂缝网形成的可能性,然后采用离散元方法研究应力干扰的裂缝网络延伸情况及其影响因素,最后通过三轴压裂实验和现场应用效果验证了其可行性。结果表明:(1)水力波及压裂技术能增大应力干扰面积和应力干扰强度,促使水平主应力差的减小甚至诱导局部区域的地应力方向发生改变,有利于沟通煤岩中发育的面、端割理,从而形成大规模高效复杂的裂缝网络;(2)水力波及压裂有利于复杂缝网形成的条件包括较小的初始水平主应力差、低泊松比、较小井距、低压裂液黏度、高缝内净压力等;(3)真三轴物理模拟实验结果显示,水力波及压裂技术能够充分沟通煤岩天然裂隙,形成由人工裂缝、面割理和端割理组成的复杂裂缝网络。进而提出了一套深煤层多井同步水力波及压裂工艺优化设计方法,在沁水盆地南部柿庄北地区深煤层选取了5口直井进行先导性试验,裂缝监测及排采数据表明,水力波及压裂井产生的波及体积较大,裂缝网络复杂;较之于常规压裂井,水力波及压裂井不仅见气更早,产量、套压较高且稳定,而且所形成的区域压力降波及邻井,可大幅增加实施井及邻井产量。     

沁水盆地煤岩储层特征及有利区预测

沁水盆地是世界上储量较大的高煤阶煤层气田之一，由于该区煤岩储层的研究仍相对薄弱，煤层气的商业性开发至今未取得实质性的突破。重点描述了该区煤岩储层的宏观煤岩类型、显微组分含量、割理发育特征、孔隙结构类型、物性特征、吸附与解吸性能等，分析了对煤层气井产能的主要影响因素。采用模糊物元分析方法，对沁水盆地煤层气高产富集区进行了预测，优选出阳泉-寿阳、长子-屯留、沁水北-安泽和阳城北4个最具潜力的高产有利区，为沁水盆地煤层气后续大规模的开发指明了方向。     

高温深井裂缝性泥灰岩压裂技术

华北束鹿凹陷泥灰岩的主要特点有：①深井（4237．5m）、高温（146℃）、高压（42MPa）；②高泥质含量（占岩石的15％～22％），黏土矿物中运移矿物含量高（占黏土的54％～71％）；③水平层理异常发育，并伴随高角度缝洞；④基质特低渗（0．0087-0．022mD），可动流体饱和度特低（12．3％～18．3％）。针对泥灰岩储集层特点，提出了水力压裂技术系统：①新型的“超级”瓜尔胶体系；②不同粒径组合的高强度陶粒；③新型的小型测试压裂技术；④新型的压裂工艺参数优化及施工技术，如压裂工艺参数的多级优化技术、多裂缝控制技术等；⑤新型的压裂后放喷及排液技术。将上述技术应用于晋古13井，压裂取得了理想的效果，初步形成了泥灰岩储集层的水力压裂技术体系。图11表2参12     

沁南地区高煤阶煤储层水敏效应及其控制因素

在煤层气开发过程中,工作液与煤储层不匹配时会造成水敏效应,导致煤储层渗透率降低,影响煤层气井产能。对煤储层进行水敏效应评价并探讨其主控因素,对提高煤层气开发效率具有重要意义。沁南地区高煤阶煤储层具有低孔低渗透特征,常规水敏实验方法已不适用,因此研究提出了煤储层水敏评价的新方法,采用气测渗透率取代传统的水测渗透率来表征煤岩水敏损害程度,并对沁南地区典型煤岩样品进行了测试。结果表明:沁南地区煤储层水敏损害率介于弱敏感到中等偏强之间,且以弱敏感为主;制约水敏效应的因素有煤储层渗透率、粘土矿物含量和粘土矿物赋存方式;煤储层渗透率越低,粘土矿物含量越高,水敏损害率越大。煤储层中粘土矿物的赋存方式有2种:煤岩裂隙填充与煤岩基质中植物细胞腔填充,且粘土矿物填充于煤岩裂隙的水敏损害程度高于填充于煤岩基质的水敏损害程度。     

煤层气井用压裂液研究及应用

根据煤岩储层的特点,介绍了煤层压裂液添加剂的优选和压裂液的常规分析方法,并推荐了两种压裂液,即活性水压裂液和冻胶压裂液,现场应用表明,活性水压裂液对煤层污染较小,适合较低温度（小于30℃）及压裂工艺所要求裂缝较短的情况,冻胶压皮具有一定的耐剪切性,较好的流变性,滤失性及破胶性等,这两种压裂液加砂量均达到了设计要求,满足了工艺需要,施工成功率达100％,压裂后提高了产气量和产液量。     

页岩储层超临界二氧化碳压裂裂缝形态研究

目前超临界CO₂压裂技术尚不成熟，裂缝形成与扩展机理尚不明确。为深入认识超临界CO₂压裂裂缝延伸规律及空间形态，基于位移间断边界元方法，通过引入Pen-Robinson方程来实现超临界CO₂压裂过程的模拟。结合室内物理模拟实验，初步探讨了页岩储层水力压裂与超临界CO₂压裂裂缝扩展形态的差异。研究结果表明，由于超临界CO₂的扩散性及良好的渗透能力，通过增加围岩孔隙压力，从而减少了地应力对裂缝扩展的约束，使裂缝起裂压力低于水力压裂。超临界CO₂压裂时产生的体积应变增量与压后裂缝破坏程度比水力压裂更高，使得在裂缝形态复杂程度高于水基压裂液。同时，超临界CO₂压裂裂缝断面复杂、不平整，裂缝表面粗糙度比水力压裂更大。     

沁水盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开采中的问题及对策

沁水盆地煤储层热演化程度高且具有渗透率低、储层压力低、含气饱和度较低、非均质性强的特点,煤层气开发难度大。为此,基于该盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开发实践,从地质和工程两个方面进行了分析,厘清了影响多分支水平井产能的因素、适应地质条件及挖潜对策。研究结果表明,导致多分支水平井低效的原因有3类:(1)地质因素,钻遇低含气量区或断层;(2)工程因素,钻井液污染、钻井垮塌、排采垮塌及煤粉堵塞等;(3)地质因素与工程因素的共同影响。结论认为,钻遇低含气量区与断层、垮塌与堵塞是造成樊庄、郑庄区块多分支水平井低产的主要原因,其中含气量大于20 m~3/t、临储比大于0.7、R_o大于3.8,并且处于拉张应力区是该区煤层气裸眼水平井获得高产的必要条件。进而提出了针对部分低效井的挖潜技术对策:(1)对煤粉堵塞或后期垮塌的低效井进行分类改造;(2)探索新型水平井,采用顶板仿树形水平井、套管或筛管完井的单支水平井及鱼骨状水平井来解决井眼坍塌及后期无法作业的问题。