基于煤岩割理正交各向异性的煤层气渗流模型研究

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了煤岩割理正交各向异性数学模型,通过引入煤岩弹性模量折减系数有效地解决了渗透率模型中煤岩割理刚度较难确定的问题。基于该模型对鄂尔多斯盆地东部煤层单井产能进行了模拟计算,分析了割理渗透率正交各向异性系数、煤层厚度、煤层孔隙度和含气量等参数对煤层单井产能的影响规律。计算结果表明：煤层气单井产能随着渗透率正交各向异性系数、煤层厚度和含气量增加而增大,随着煤层孔隙度的增加而减小。     

基于煤岩割理正交各向异性的煤层气产能预测

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了煤岩割理正交各向异性数学模型,通过引入煤岩弹性模量折减系数解决了煤岩割理刚度较难测定的问题。基于该模型对鄂尔多斯盆地东部煤层单井产能进行了模拟计算,分析了割理渗透率正交各向异性系数、煤层厚度、煤层孔隙度和含气量等参数对煤层单井产能的影响规律。计算结果表明:煤层气单井产能随着渗透率正交各向异性系数、煤层厚度和含气量增加而增大,随着煤层孔隙度的增加而减小。     

结构异性煤体渗透率特性

 煤渗透率是研究瓦斯渗流特性及运移规律的关键参数, 而煤体结构各向异性导致渗透率具有明显的方向性。利用煤岩瓦斯渗流试验系统, 对不同变质程度煤样试件在面割理和端割理方向上, 进行不同瓦斯压力下的渗透率测试, 并根据等效驱替原理, 建立各向异性煤体渗透率的计算模型, 数值分析了煤体渗流的定向性特征。结果表明:在煤体面割理和端割理方向, 渗透率均随瓦斯压力增大成负指数减小;面割理方向的瓦斯渗透率与端割理方向相差可超过1 个量级, 且煤的变质程度越高, 差别越明显。随瓦斯压力增大, 煤的瓦斯渗流定向性系数峰值增大, 煤层瓦斯渗透定向性增强。在相同瓦斯压力下, 煤的变质程度越低, 煤层瓦斯渗透定向性越弱。     

间接压裂技术提高煤层气采收率的探讨

探讨提高煤层气采收率的间接压裂新方法。根据煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律,以及常规水力压裂又很难适应煤层的特殊地质特性,提出在煤层相邻的砂岩部位进行压裂构想。其机理是煤岩的裂缝传导率差,易被压碎产生煤粉且有突出的各项异性、应力集中的特点,煤层中的面割理垂直于煤层,垂向渗透率通常高于水平渗透率,面割理的方向性使煤层与间接压裂诱导水力裂缝自动沟通,形成高传导渗流通道,从而促进煤层气的解吸和渗流。     

煤岩力学非均质性对孔渗性质的影响规律

煤岩是由有机质和无机矿物组成的复杂不均匀多孔介质,非均质性较强,目前研究鲜有考虑煤岩力学非均质性对煤岩渗透率与孔隙度时空演化规律的影响.基于Weibull概率密度分布函数表征煤岩弹性模量的非均质性,建立了考虑煤岩内甲烷解吸引起的气压变化、线性热膨胀效应和煤岩骨架收缩变形的热流固耦合三维有限元模型,通过煤岩渗透率与孔隙度与温度场、应力场和压力场间的交叉耦合关联式,分析了非均质度下煤岩表征单元体内渗透率与孔隙度参数的变化规律.结果表明:煤岩力学非均质性是影响煤岩渗透率与孔隙度分布的重要因素之一,非均质煤层的渗透率与孔隙度分布呈现出明显的波动震荡特征,在不同位置处的孔渗参数大小不等;随着井眼距离增加,渗透率和孔隙度可能呈现与均质煤岩情况恰好相反的变化趋势.因此,煤岩的孔隙度与渗透率演化是一个复杂的热流固耦合过程.研究结果对指导煤层气高效开采具有重要的理论意义.     

煤层气藏强化开采各向异性力学性质分析

针对煤层多重孔隙系统空间非连续分布、力学属性各向异性的特点,综合考虑注气强化开采过程中多组份多过程物质运移特征,构建了正交各向异性等效连续煤层流固耦合模型,据此进一步剖析了煤层各向异性力学性质及其对孔渗参数与注采能力的影响。煤层各向异性的力学属性,导致开发过程中储层水平应力与应变的动态变化存在明显的方向性特征,沿力学强度或杨氏模量大的方向变化相对较大,进而带来裂缝宽度、渗透率及其变化的方向性差异,同时致使孔隙度、渗透率以及气体吸附浓度空间分布的非均质性,最终造成与横观各向同性介质不同的煤层气生产与CO2注入预测结果。研究成果对煤层气开发过程中孔渗参数及注采能力的准确预测具有重要意义。     

鄂尔多斯东缘煤储层渗透性主控因素分析与高渗区预测

在煤层气储层渗透性影响因素的分析基础上,通过煤层地应力、热演化程度、埋藏深度与渗透率的相关性分析,探讨渗透率的发育机理,认为煤储层渗透率是煤阶与地应力联合作用的结果,地应力控制煤储层割理开启程度和方向,改变储层的孔隙结构;煤岩热演化通过改变岩石力学性质来控制割理发育,二者共同控制煤储层割理的大小,进而影响煤储层渗透率的发育,而埋藏深度与渗透率相关性不强.选取煤层渗透率主控因素进行研究,以鄂尔多斯盆地东缘二叠系煤层气储层为例,利用多元回归分析的方法建立了“煤阶与地应力”渗透性二元预测模型,对研究区渗透率的发育情况进行了预测.研究表明,地应力控制了渗透率的分布,而煤岩热演化程度对渗透率分布起到一定的调节作用,煤层气储层高渗区主要分布在研究区斜坡带地应力松弛部位,而在应力相对集中深部煤储层为低渗区.     

不同压裂液对煤层气解吸影响的实验研究

煤层气主要以水力压裂的方式来提高产量,压裂过程中入井液与煤岩的接触对煤层气的生产具有较大的影响。与常规气藏不同,煤层气的产出分为解吸—扩散—渗流三个步骤,仅研究压裂液对储层渗透率的伤害不能完全反应压裂液对煤层气生产能力的伤害程度。本文利用自主研制的煤岩解吸分析实验装置,通过逐级降压测试,实时记录不同阶段下压降与解吸速率、解吸量的关系,评价了不同压裂液及添加剂对煤层气解吸扩散过程的影响。结果表明:液体进入煤基质和微割理中,阻碍了煤层气的解吸和运移;由于各种液体表面张力和润湿性的不同,对煤层气解吸伤害最小的是水源水,伤害最大的是微乳剂溶液;与干煤样解吸相比,在压裂液的作用下煤层气的解吸量主要集中在1 MPa以下,解吸速率随着压力的降低不断增大。     

煤层气井排采过程中储层渗透率动态变化简析

煤储层渗透率为动态渗透率,是煤层气开发过程中需要重点考虑的储层参数之一.该文从煤储层渗透率变化的控制机制出发,采用数学模型,模拟分析了煤层气井排采过程中原位储层条件下煤渗透率动态变化特征.并探讨了初始割理压缩系数、割理压缩系数降低率、基质收缩系数、初始割理孔隙度以及临界解吸压力对煤储层渗透率变化的影响.模拟结果对于认识煤储层渗透率动态变化具有一定参考价值.     

考虑有效应力和煤基质收缩效应的渗透率模型

针对煤层气的生产过程中所存在的两个相反的效应：（1） 储层压力下降,有效应力增加,煤层裂隙压缩闭合,渗透率降低;（2） 煤层气解吸,煤基质收缩,煤层气流动路径张开,渗透率升高;建立了包含煤基质收缩效应的煤层孔隙度和渗透率理论模型,模型与已有的一些研究结果反映的规律一致。根据模型得出在体积应力恒定条件下,渗透率随孔隙压力变化存在一临界压力,孔隙压力小于临界压力时,渗透系数随孔隙压力的增加而减少,孔隙压力大于临界压力时,渗透系数随孔隙压力的增加而增大,给出了该临界压力的计算式。对不同情形下渗透率对孔隙压力的变化响应进行了讨论,结果表明,临界压力的存在与否与影响渗透率的多种因素有关,应对影响煤层渗透性的众多因素进行动态耦合研究。     

基于瓦斯渗透异性的煤层抽采钻孔合理布置

基于煤层瓦斯渗透各向异性特征,在九里山煤矿煤层进行了180d井下瓦斯抽采有效影响半径测试,同时,建立煤层瓦斯各向渗透异性的气-固耦合渗流模型,数值模拟了瓦斯抽采有效半径的时变规律,分析了抽采钻孔的合理布置方式。研究结果表明:煤层平行层理方向的渗透率是垂直层理方向的渗透率的2.6倍左右。煤层钻孔不同方向有效抽采半径均随抽采时间增加而增大,且与预抽时间满足幂指数关系,数值模拟结果与井下现场测量一致。有效抽采距离在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,有效抽采区域为椭圆形。据此确定了不同预抽时间煤层抽采钻孔的合理间距,并针对九里山煤矿二1煤层计算分析了预抽时间与百米钻孔数的关系。     

含氮气煤体超声各向异性特征实验研究

探讨含气煤体超声响应特征可为利用超声技术在煤岩物性特征测试中的应用提供依据。利用自主研发的煤储层物性特征实验系统,选取平煤八矿己_16-17煤层煤样,制备平行层理与面割理（x）、平行层理垂直面割理（y）和垂直层理（z）等3类煤样,对含氮气煤体在不同气体压力及不同吸附时间下的超声特征进行测试。实验结果表明：（1）轴压恒定时,随着围压增加,煤的弹性波速度不断增加,煤体抽真空状态下的纵、横波速度略大于常压下的波速;（2）煤柱从负压状态到注气吸附状态,随着注气时间的延长,波速先下降,然后缓慢升高;（3）轴压和围压不变时,随着气体压力的变化,纵波和横波速度均有所增加;（4）平行层理与面割理、平行层理垂直面割理和垂直层理方向各向异性明显,但超声响应规律基本一致;（5）煤样纵波和横波垂直、平行层理方向各向异性程度与吸附时间的关系差异明显,纵波各向异性程度对吸附时间更加敏感。     

基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性

为了准确了解煤岩井壁稳定性及坍塌规律,基于3DEC离散元软件,完成了对煤层井壁稳定的仿真模拟分析,验证了3DEC离散元软件应用于煤岩井壁稳定研究的可行性和相对于弹性力学连续性介质理论的优越性。考虑到简化计算和边界效应,物理模型采用内外双重建模;为更好地反映煤岩井周割理情况,内层模型采用离散型裂隙网络(discrete fracture network,DFN)技术。通过与不考虑割理面的弹性力学连续介质模型对比,验证了割理发育对煤岩井壁稳定的影响;通过位移云图来评价煤岩直井和水平井的井壁稳定性和垮塌掉落情况,且三维模型直观地展示了井壁失稳过程;完成了有效液柱压力、割理和井眼走向对煤岩井壁稳定的影响分析,得出结论:随着有效液柱压力的增大,井壁稳定性越来越强;割理尺寸、密度和产状的情况对井壁稳定仿真模拟影响巨大,模拟前应充分统计割理分布情况;在所设条件下,沿最大水平主地应力方向的水平井较直井更加稳定。     

煤的瓦斯渗透性影响因素的探讨

对南桐煤田煤样的渗透率进行了实验室研究，探讨了瓦斯的解吸特性、温度、煤中水分对瓦斯渗透的影响，结果表明，在瓦斯无解吸的情况下，瓦斯压力降低，煤的渗透率也降低，然而在解析瓦斯压力作用下，煤对瓦斯的渗透率会增加，煤样瓦斯的渗透率的对数与温度成线性关系。含水煤样的渗透率明显低于干煤样的渗透率，随着含水量的增加，煤样瓦斯的渗透率减小。     

沁水盆地煤储层渗透率实验和模拟研究

作为中国煤储层开发的一个关键参数,割理的可压缩性一直没有得到充分的研究。在本次研究中,从山西省沁水盆地选取了一些有代表性的煤样,并对这些煤样进行了包括He,N2,CH4和CO2四种气体在不同有效应力和温度下的实验研究。在实验数据的基础上,计算了兰氏常数并绘制出了兰氏曲线,并且也分别绘制了吸附和渗透率的曲线。实验结果表明:有效应力对煤储层的渗透率有重要的影响。在恒温35℃下,对于同一孔隙压力下的四种不同气体,随着有效应力的增加,渗透率是降低的。在实验结果的基础上,通过拟合数据计算出了割理的压缩系数。计算结果显示:对于四种测试气体,在恒温35℃下,随着孔隙压力的增加,割理的压缩系数呈现降低的趋势。此外,随着温度的增加,割理的压缩系数仅仅略微地增长。通过对实验结果的分析和资料研究,有效应力被认为是影响割理压缩性的重要参数。     

Analysis of the visible fracture system of coalseam in Chengzhuang Coalmine of Jincheng City,Shanxi Province

In No. 3 coalseam of Chengzhuang Coalmine of Jincheng City, there exists the visible fracture system consisting of joints, gas-expanding fractures and cleats. The gas-expanding fractures develop mainly in the bright coal sub-layer and cleats, in the vitrain and bright coal. The joints fall into two types, one developing in the coalseam and the other cutting through the whole coalseam and entering into the top and bottom rock layer. The development direction of joints is basically similar to that of gas-expanding fractures: NNE and NNW. The formation of the visible fracture system is classified as the stage of the development of cleat fissures in the coalification period, the stage of the full development of cleats and the formation of gas-expanding fractures in the second coalification period and the stage of the formation of joints by structural function. There is the spatial unhomoge-neity in three dimensions for the visible fracture system of the coal seam in Chengzhuang Coalmine: the regular distribution of the visible fractures as groups in the plane and the coal sub-layer with high permeability rate in profile. The research findings of the visible fracture system of coal seam can be applied to the drilling of the coalbed methane and to heightening the let-off efficiency of coalseam gas.     

艾维尔沟矿区碎软难解吸煤层瓦斯运移规律

为了掌握艾维尔沟矿区主采煤层的瓦斯运移规律、指导瓦斯抽采工作，实测了煤层多元物性参数、建立了含瓦斯煤体多场耦合模型，通过数值模拟分析了瓦斯运移特性。研究表明：矿区主采的4号、5号和6号煤层存在煤层碎软、瓦斯含量高、透气性差等不利因素，抽采难度大。随着抽采时间增加，钻孔周围基质瓦斯压力和裂隙瓦斯压力均按照一元二次函数关系规律性减小。基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力在抽采初期降低速度基本一致，但随抽采时间增加，裂隙瓦斯压力下降速度明显快于基质瓦斯压力，二者之间的压力差也越来越大。5号煤层裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力的降低速度、裂隙中渗流速度及基质中瓦斯解吸扩散速度较4号和6号煤层慢。为提高矿区抽采效果，应采取强化瓦斯抽采措施改善煤层透气性等物理性质，以提高煤层裂隙瓦斯渗流速度，促进基质瓦斯解吸扩散，5号煤层应采取相对更加有效的增透措施。     

有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异性分析

 通过不同阶煤储层渗透率应力敏感性实验,对比分析了有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异。结果显示,在相同有效应力变化范围内,低阶煤渗透率下降幅度大于中、高阶煤;低、高阶煤渗透率变化较中阶煤更符合指数函数变化规律;低有效应力阶段,低阶煤渗透率损害系数、应力敏感系数大于中、高阶煤;相同有效应力下,低阶煤割理压缩系数大于中、高阶煤;不同煤阶割理压缩系数随有效应力增加呈现下降趋势,不应将其视为常数。应力敏感性评价参数拟合结果显示,中、低阶煤渗透率损害系数、割理压缩系数符合指数函数变化规律,高阶煤渗透损害系数、割理压缩系数符合线性函数变化规律;不同阶煤渗透率应力敏感系数均符合指数变化规律。