煤层气吸附解吸三维应力实验装置开发及应用

煤层气吸附解吸实验是煤层气实验测试的核心内容。针对目前煤层气吸附解吸测试技术存在破坏煤原始结构、不能模拟煤储层地质环境的缺陷,设计开发了新的实验装置,详细阐述了该实验装置的总体结构及各核心单元工作原理;该实验装置经实验测试运行稳定可靠,易操作,可分别在恒温和升温条件下,改变三维应力的不同组合进行煤层气吸附解吸实验。实验结果表明:恒温条件下,煤样吸附甲烷量随孔隙压力升高而增大,煤体卸载及温度升高会大大提高煤体释放吸附气体量。     

煤层气单井开采数值模拟的研究

对煤层气的流动机理进行了分析。结果表明 ,煤层中的甲烷气主要以吸附的方式储集在煤基质中 ,煤层割理系统提供渗流通道。煤层气在煤基质中的吸附遵循朗格缪尔等温方程 ;煤层气由煤基质向割理系统的扩散遵循Fick第一定律 ;煤层气在割理系统的流动遵循达西定律。借鉴美国现有模型 ,结合我国现场实际情况 ,建立了二维煤层气垂直井的非平衡拟稳态井底渗流数学模型。现场实例模拟计算表明 ,该模型能够用于煤层气单井数值模拟。     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

清洁压裂液对煤岩储层伤害的实验评价

 压裂液进入煤层后会带来一定的伤害,影响煤层气的产量。通过实验研究了清洁压裂液对煤层气解吸扩散和渗流的伤害机制。以沁水盆地煤岩为实验样品,利用自主研究的煤岩解吸装置和全模拟流体模拟微观分布实验系统,测试了清洁压裂对煤岩解吸量和地层水渗透率的伤害程度。研究表明,清洁压裂液对煤岩渗透率的伤害为30%,对煤层气解吸量的伤害率为24%,并且推迟了煤层气开始解吸的时间,降低了解吸的速率。通过电镜扫描、润湿性等测试,明确了清洁压裂液对煤岩的伤害机制。     

电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响

为了探讨地电场对包含在煤层中的瓦斯气体的储存、运移的作用以及如何利用电场采促进煤层气的渗流从而达到提高中国低压低渗煤层的煤层气抽放率等问题，研究了电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响．研究表明：静电场对煤瓦斯吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面吸附势阱的深度2种因素竞争的结果，当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量增加，当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量减少；外加静电场促使煤中瓦斯的渗流；交变电场作用使煤对瓦斯的吸附量减少；交变电场作用促使煤中瓦斯的渗流．     

煤层气单井开采数值模拟的研究

对煤层气的流动机理进行了分析。结果表明,煤层中的甲烷气主要以吸附的方式储集在煤基质中,煤层割理系统提供渗流通道。煤层气在煤基质中的中吸附遵循朗格缪尔等温方程;煤层气由煤基质向割理系统的扩散遵循ＦＩｃｋ第一定律;煤层气在割理系统的流动循环达西定律。借鉴美国现有模型,结合我国现场实际情况,建立了二维煤层气垂直井的非平衡拟稳态井底渗流数学模型。现场实例模拟计算表明,该模型用于煤层单井数值模拟。     

单相煤层气井底瞬时压力

瞬时压力分析是煤层气勘探与开发过程中获得煤层参数及井筒参数的重要手段,是对煤层气井生产能力的一种测试试验.为了给煤层气勘探和开发提供理论依据,必须对煤层气井井底瞬时压力进行分析.根据煤层气的地质特征及煤层气的产出机理,以多孔介质定常渗流理论为基础,按垂直井、无限大煤层考虑,在一定的假设条件下,建立了平衡吸附单相煤层气的数学物理模型,研究了平衡吸附单相煤层气井底压力与煤层之间的关系,给出了煤层气井底瞬时压力分析方法和步骤,从而可获得有关煤层气参数和井筒参数,为煤层气的开发提供科学依据.     

煤层气运移产出气水固三相耦合模型

根据达西渗流理论,结合Langmuir等温吸附定律和Fick第一定律描述了煤层气由煤基质解吸经扩散进入煤层裂隙系统,由裂隙运移至生产井筒产出的气水二相渗流过程,又将其和由渗流作用引起的煤体变形场耦合起来,形成了煤层气运移产出的气水固三相耦合模型,并采用全隐式联立求解方法同时隐式求出了气、水产量和饱和度值,实现了模型求解的无条件稳定。在沁水盆地3^#煤层气井开采潜能的评价预测中,应用该方法分别预测了将该井的动液面置于3^#煤底和15^#煤底的气、水产量,效果良好。     

煤层气注气开采多组分流体扩散模型数值模拟

为了解决低渗透煤层气开发遇到挑战,依据双重介质扩散渗流和多组分吸附平衡理论,建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流模型,利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理．研究表明,注入二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压,加速了煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量,结果表明注气开采煤层气是提高我国低渗透煤层气产量的有效途径。     

间歇注气抽采煤层气井注气量与采收率分析研究

水力压裂煤层、注气提高煤层气采收率等生产工艺过程中,煤层中流体的运动是多相多组分流体的扩散渗流。假定煤层为孔隙裂隙二重介质,孔隙中只存在吸附状态气相,裂隙是气、水共存空间,孔隙与裂隙之间气体的交换量是渗流场中的质量源。试验研究了质量源与时间和煤层结构的关系,测定了吸附置换速率的衰减系数。应用多孔介质中扩散渗流理论,再运用质量连续方程,导出了多相多组分流体的扩散渗流微分方程。忽略占煤层中气体总量百分比很小的游离状态气体在微分方程中随时间变化,从而求出了单井间歇注气抽采煤层气井在注气过程注气量的近似表达式。分析解表明注入气体流量与注入气体压力和煤层气初始压力之差、竞争吸附置换速率成正比;煤层渗透率越大、煤层气和注入气体的混合粘性越小,吸附竞争置换速率越小和注气抽采煤层气效果越差;注气抽采煤层气工艺适合低透气性煤层。     

煤体基质吸附(解吸)变形规律试验研究

为了更好的掌握煤体吸附(解吸)过程中变形规律,以晋城天地王坡煤矿为例,利用实验室模拟方法,在恒压、环境温度(室温20℃)一定的条件下,研究煤岩基质吸附(解吸)变形规律。实测了不同有效应力及加压方式下煤体的变形量,分析了煤基质吸附(解吸)后的变形规律,得到了弹性阶段煤体变形值与吸附(解吸)量的变化关系,并拟合得出了两者之间的函数关系。通过分析得出以下基本规律:①吸附(解吸)量与煤样应变(解吸过程为收缩变形)随时间的增加而增大,并逐渐趋于稳定,呈现指数分布规律;②吸附(解吸)变形可大致分为三个阶段,即第一阶段吸附(解吸)速度较快,变形量也较大,曲线斜率较大;第二阶段,随解吸量的增加,两者变化幅度相当,曲线斜率接近为1.0;第三阶段,当煤体收缩变形接近原始孔隙体积时,变形量不再增加,曲线斜率接近于零。试验结果为煤矿瓦斯合理抽采及防止煤与瓦斯突出提供了一定的理论依据。     

一种石灰窑煤气流量检测及在线补偿的新方法

研究了梅钢石灰窑供气系统不能准确检测煤气流量等实际问题和超声波流量计的计量特点,提出了一种基于WZ-2188超声波流量计和孔板流量计双重检测技术,实现煤气流量精确检测和煤气流量在线补偿的新方法。经过采用煤气流量双重检测和在线补偿技术对石灰窑供气系统的改造,减小了煤气流量检测的误差,提高了活性石灰的质量,为企业带来了较大的经济效益和社会效益。     

压降及储层压力与煤变形的相关性研究

为了进一步完善解吸瓦斯煤体变形机理,探讨压降和储层压力对煤解吸瓦斯的影响,采用原煤试件,进行了不同储层压力和压降的煤解吸瓦斯变形实验。实验结果表明,解吸达到平衡所需时间与储层压力及压降呈正相关关系;降压0.3 MPa时,收缩应变随储层压力的增加而减小;降压至大气压时,收缩应变随储层压力的增大而增大,储层压力0.9 MPa的大于储层压力0.6 MPa的大于储层压力0.3 MPa的;当储层压力相同时,收缩应变随压降的增大而增加;当储层压力较小时,大压降储层瓦斯解吸量大于小压降储层瓦斯解吸量。     

煤层气有限导流压裂井的压力动态分析

针对煤层气产出过程中的降压、解吸、扩散、渗流等特点,应用非稳态解吸模型;研究了煤层气在基质和割理中的单相流动;建立了新的有限导流压裂井评价模型;讨论了裂缝壁面表皮系数、吸附系数、裂缝储容系数和窜流系数对压力动态的影响;分析了煤层气压裂井的压降典型曲线特征和参数估计方法,从而为煤层气藏开发提供了可靠的数据。     

人工裂缝宽度对页岩气渗流规律的影响

针对人工裂缝宽度是水力压裂后产生的评价气田开发效果的重要参数,为研究人工裂缝宽度对页岩气渗流规律的影响,建立了基质—裂缝系统双重介质气体渗流数学模型,采用有限元方法对页岩气在储层渗流过程中的压力进行求解,揭示在定产量条件下定性和定量的描述人工裂缝宽度对储层压力及井底压力的影响及其渗流规律,并优化人工裂缝宽度。结果表明:人工裂缝宽度对储层压力影响较小,增加人工裂缝宽度,基质和裂缝系统的压降未产生明显差异,但提高了压力波及范围。当人工裂缝宽度为7 mm时,页岩气的泄气面积最大,基质系统吸附气解吸量最大,压力波及范围最广且传播到井底的速度最快,气体渗流效果最佳;人工裂缝宽度增加对井底压力影响较小,但井底压力有小幅上升趋势且下降速度逐渐减慢。当人工裂缝宽度为7 mm时,井底压力最高,基质向裂缝方向压力波传播速度最快,基质系统吸附气解吸量最大,裂缝与基质沟通效果最优。综上,在裂缝宽度研究范围内,人工裂缝宽度为7 mm时为最优裂缝宽度。因此,压裂时应充分考虑人工裂缝宽度对页岩气渗流规律的影响,通过储层压力展布及井底压力变化有效指导压裂开采。     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

大倾角储层煤层气多层合采产量控制地质与工程因素

针对大倾角储层煤层气多层合采的特点，以库拜煤田煤层气井的实际排采动态资料为基础，通过分析排采动态典型指标与地质要素和工程要素之间的关系，剖析了库拜煤田大倾角储层多层合采煤层气井产能的控制因素，并用灰色关联分析定量评价了各影响因素的重要性。结果表明：（1）大倾角储层煤层气合层排采产量与单井动用资源丰度、储层压力梯度、煤体结构、临界解吸压力、初始排水速度、压裂效果、初始见气时间具有较好的相关性，但与渗透率、吸附时间相关性较差。储层压力梯度和储层压力是影响该研究区产能的主控因素；（2）新疆库拜煤田大倾角储层靶点压力特征、含气量、渗透率基本处于同一水平，同埋深不同煤层物性非均质性较小，层间干扰作用小，较适合合层排采。论文研究成果可作为大倾角储层煤层气合层排采提供指导。     

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。