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。     

煤层应力对裂隙渗透率的影响

从各向同性线弹性材料应力应变关系出发,考虑气体解吸引起的基质收缩效应和孔隙压力对储层应力的影响,建立了包含基质压缩系数、裂隙体积压缩系数和流体压力项的渗透率动态变化方程,分析了储层力学参数对渗透率变化的影响.结果表明:排水降压初期,有效应力处于主导地位,裂隙发生压缩变形,渗透率降低;气体解吸后基质收缩占主导地位,裂隙张开幅度增大,渗透率升高;弹性模量、泊松比越大,基质变形程度越大,渗透率呈先降低后升高的回归趋势越明显,弹性模量较泊松比对回归趋势的影响更大;当孔隙压力较高时,低孔低渗煤层渗透率随孔隙压力降低变化的幅度不大;裂隙体积压缩系数变化的起始压力点可以根据不同起变压力下渗透率与储层压力的关系确定.     

考虑滑脱效应的欠饱和煤储层渗透率模型

 在多孔介质应力-应变本构公式基础上,考虑有效应力效应、基质收缩效应、滑脱效应对煤储层渗透率的影响,建立欠饱和煤储层的渗透率动态模型,以沁水盆地某煤层气田为例,模拟储层压力从初始值降至衰竭压力过程中煤储层渗透率变化,分析模型参数敏感性。结果显示：在开发初期,欠饱和煤储层储层渗透率持续下降,储层压力下降至临界解吸压力时,渗透率降至最低点,之后渗透率开始上升;储层压力由初始值下降至临界解吸压力3.80 MPa 时,渗透率下降至最低值0.186×10^-3 μm²,之后渗透率开始上升,当储层压力下降至2.77 MPa 时,渗透率恢复至初始值,储层压力下降至衰竭压力时,渗透率上升至初始值的3.182倍;兰氏体积应变、杨氏模量及滑脱系数参数值越高,储层最终渗透率改善幅度越大,泊松比值越高,储层最终渗透率改善幅度越小;与其他参数相比,兰氏体积应变对煤储层最终渗透率改善的影响最为重要。     

含水率对煤层瓦斯渗流特性影响的试验研究

针对煤层注水软化或水力增透技术造成的煤体含水率高,进而影响煤层瓦斯的渗流特性的问题,利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯渗流试验设备,对原煤试件进行了25℃、31 MPa恒定温压条件下含水率(质量分数)分别为0%,2%,4%,6%,8%的瓦斯渗透性试验。研究发现,在恒定温压条件下,煤样渗透率随渗透压的增加而增加,且含水率越高,渗透率随渗透压升高增加越快;瓦斯的启动压力随含水率的增加而增加,在不同的含水率条件下,可测到渗透率的最低瓦斯渗透压力为2 MPa,由于渗透压力较大,渗透过程中的Klinkenberg效应不明显;瓦斯渗透率随含水率的增加呈指数降低,当含水率低于6%时渗透率随含水率增加降低较快,当含水率高于6%时含水率对渗透率的影响程度减弱;在煤体注水过程中,煤体弹性模量会降低,使得煤体在轴向和径向的压缩应变增大,当含水率超过6%后,含水率对于煤体变形的影响减弱,且煤体变形过程中表现出各向异性,轴向应变始终大于径向应变。该结论对于煤层注水或水力压裂后,煤层中瓦斯运移规律变化研究有一定的指导意义。     

不同煤阶软硬煤粒瓦斯放散规律的实验研究

以焦煤中马村无烟煤、义煤新安矿贫瘦煤和平煤八矿气肥煤的同一煤层的软分层与硬分层煤样为研究对象,自主研制了煤粒瓦斯吸附-放散实验系统,对不同煤阶软硬煤瓦斯动态放散规律的差异进行研究分析。实验结果表明:在相同解吸时间内,瓦斯累积解吸量及解吸速度均随煤变质程度的加深而增大,而软煤的瓦斯解吸量和解吸速度明显大于硬煤;对6组煤样实验数据进行了经验公式回归分析,发现解吸时间120 min内无烟煤硬煤所用经验公式拟合效果均较好,但软煤只有乌斯基诺夫式、文特式和孙重旭式拟合结果理想;对于贫瘦煤和气肥煤,文特式和孙重旭式拟合效果最好。     

低温环境对煤的瓦斯解吸抑制效应试验

针对当前煤样取芯过程瓦斯漏失严重的问题,冷冻取样法成为未来瓦斯含量准确测定的一个新方向,而低温环境（0℃及以下）煤的瓦斯解吸特性研究是关键。为此,笔者采用自制高低温吸附／解吸装置,对低温环境煤的瓦斯解吸规律开展了试验研究。研究结果表明,温度对煤的解吸量影响明显,随温度的降低,煤的瓦斯吸附量有增大的趋势,而随着温度的降低,煤的瓦斯解吸量却有减小的趋势,即降低温度抑制了瓦斯解吸,而且温度越低,抑制解吸效果越明显。瓦斯压力增大,将会消弱低温环境煤的瓦斯解吸抑制效果。     

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。     

水锁抑制工作面瓦斯超限机理实验研究

在煤矿开采中,回采工作面落煤时的瓦斯大量涌出常常导致工作面瓦斯超限频繁,针对回采工作面的瓦斯超限问题,采取降压解吸的方法分别进行了无外液侵入、质量分数为0.0%渗透剂溶液(即纯水)和质量分数为0.025%JFC渗透剂溶液侵入条件下瓦斯解吸对比实验,获得了瓦斯解吸实验数据和曲线。结果表明:无论有无外液侵入,含瓦斯煤体的瓦斯压力越大,瓦斯解吸量越大;与无外液侵入煤样相比,有外液侵入煤样在不同压力点下的瓦斯解吸量都有不同程度的降低,特别是喷洒0.025%的JFC渗透剂的瓦斯解吸量降低效果更好;实验验证了渗透剂能在短时间内形成对煤瓦斯解吸的水锁封堵效果。可结合实际通过抽采+水锁或采前向煤体注液形成水锁的方法来抑制瓦斯释放量和瓦斯释放速度,进而解决回采工作面存在的瓦斯超限问题。     

应力加卸载作用下软硬原煤瓦斯渗透规律

使用自行改装的"瓦斯渗透模拟实验系统",在不同瓦斯压力条件下,对同一矿井的软硬原煤试件的瓦斯渗透特性进行研究。结果表明:应力加载阶段,随着应力的增加2种煤样试件的渗透率均呈减小趋势,且加载初期渗透率的降幅最大,当加载围压从0升到4 MPa时,硬煤与软煤的渗透率平均下降69.7%,73.3%;应力卸载阶段煤样渗透率随着应力的减小而增加,围压完全卸载后2种煤体的渗透率分别恢复到其初始值的22.6%,47.8%;同样的应力条件下,有效应力的增加对硬煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着其内部瓦斯压力的增大而增大,而对软煤则相反。实验结果可为煤体"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

沁水盆地南部煤储层渗透性与地应力之间关系和控制机理

通过对沁水盆地南部43口煤层气井渗透率和地应力统计分析,建立了煤储层渗透性与现今地应力之间的相关关系和模型．从煤储层的孔隙结构分析入手,建立了煤储层割理面压缩变形与裂隙渗流模型,分析地应力对煤储层渗透性影响的机理．研究结果表明,煤储层试井渗透率随着地应力的增加呈指数函数关系降低;随着煤层埋藏深度增大,其渗透率降低,煤储层渗透率随深度变化趋势的实质是应力的函数．在650m以浅煤储层地应力处于伸张带,最小水平主应力小于12MPa,煤储层渗透率平均大于1．0×10^-3μm^2;在650-1000m煤储层地应力由伸张带转化为压缩带的过渡带,最小水平主应力为12—20MPa,煤储层渗透率平均大于0．1×10^-3μm^2;在1000-1500m煤储层地应力转化为压缩带,最小水平主应力大于20MPa,煤储层渗透率平均大于0．01×10^-3μm^2．当割理面法向力σn为压应力时,割理产生法向压缩（压密）变形,开始先为点或线接触,经过挤压,局部破碎或劈裂,接触面增加,割理面压缩量呈指数曲线特征．煤储层渗透率随着割理面正应力的增加呈指数函数关系降低,其理论模型与试井渗透率统计模型完全一致．     

低渗透煤层气水两相非线性渗流数学模型及计算分析

 在考虑煤层气的解吸和扩散效应及启动压力梯度的基础上,对低渗透煤层气藏流体输运特性进行分析,建立了低渗透煤层气水两相非线性渗流数学模型,推导出非线性渗流阶段气水两相的控制方程组。通过实例计算表明,液相拟启动压力梯度从0.001MPa/m增加至0.007MPa/m,煤层产气峰值下降约15%;不考虑启动压力梯度时的产气峰值量要比液相拟启动压力梯度为0.001MPa/m的产气峰值提升约7%。因此启动压力梯度的存在阻碍了裂隙中流体的流动,对煤层气开发影响较大。     

井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行0.5和1.0 MPa煤层气渗流压力、0.5和1.0 MPa煤层气恒定压力条件下原煤样全应力-应变过程三轴压缩试验,研究井周煤层气渗流特征及煤层气渗流与恒压对煤岩力学性质的影响。结果表明:煤岩渗透系数和煤层气流量随轴向应变增加先降低,在屈服点减小到最低点后逐渐增大,最后趋于稳定;煤层气恒压下的煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力下的值;恒定煤层气压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小;煤层气渗流压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量越小;研究结果可为煤层气欠平衡钻井压力控制、固井及储层改造等设计与施工提供技术支持。     

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。     

沁水盆地南部煤层气藏特征

以油气、煤田和煤层气勘探阶段积累的资料为基础,系统探讨了沁南煤层气藏的特征。通过对气藏静态特征（包括煤层空间几何形态、煤层气成分和含量、储层物性、吸附特征、储层压力及封闭条件）和动态过程（包括煤层气形成、运移和聚集）的分析,指出晚古生代的煤层在经历了印支期和燕山期两次煤化作用生成的煤层气,在喜马拉雅期遭受了严重的调整与改造后逐渐形成现今的沁南煤层气藏。直接控制该煤层气藏中煤层气富集程度的因素为顶底板与边界断层。目前的高产煤层气井基本上都位于地下水滞流区。     

低阶煤煤体变形特征及渗流规律实验研究

为获取低阶煤煤体变形特征和渗透率变化规律,以焦坪矿区下石节煤矿3#煤原样为研究对象,利用煤岩体应力-渗流-温度多过程耦合试验系统开展了有效应力、基质收缩以及二者综合作用条件下的煤体变形和渗流实验.研究结果表明:在有效应力逐渐增加的过程中,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐减小;基质收缩过程中,随着孔压的逐渐下...     

煤储层物性对甲烷解吸及采出的影响

影响煤层气解吸采出的诸多因素作用于煤储层,体现为煤储层允许煤层气扩散渗流或导流的能力,所以在研究气体解吸特性时煤储层自身的物性值得重点探讨。基于这一点,对比研究了高低煤阶煤的物性差异,探讨了其对气体解吸采出的影响。研究表明,低煤阶煤分子结构较松散,孔隙度高,高煤阶煤分子结构紧密,孔隙度低,降压解吸过程中低煤阶煤物性变好,高煤阶煤物性变差。罐装煤样解吸和室内模拟实验揭示,物性是决定气体解吸的关键要素,这也是低煤阶煤储层含气量低但仍具有很大开发潜力的根本原因。低煤阶煤层孔渗较好,压降传播快,在开采过程中可形成自卸压效应。高煤阶煤层孔渗较差,压降传播慢,为了提高单井产量必须采用大型压裂或分支井技术等措施。     

流固耦合作用下注气开采煤层气增产规律研究

提高低渗透煤层气产量是我国煤层气开采中急需解决的关键问题,加速煤层甲烷解吸过程的注气增产方法是提高低渗透煤层气产量的有效途径。由于排采降压在孔隙流体压力变化的范围内会引起储层孔隙介质的应力和应变的变化,造成有效渗透率和孔隙度的降低,同时也影响注气和产气的动态参数。研究这些规律,首先建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流的流固耦合模型,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,同时必须重视耦合作用对注气增产造成的不利影响。     

中煤阶煤层气井排采阶段划分及渗透率变化

煤层渗透率动态变化规律是煤层气开发所面临的重点问题之一。根据无因次产气率划分煤层气井排采阶段,结合等温吸附实验下煤层气的解吸过程确定排采阶段分界点位置。通过物质能量动态平衡理论建立中煤阶煤储层渗透率评价模型,从渗透率变化趋势、主导机制、产能动态等方面,阐释了中煤阶煤层气井不同排采阶段煤储层渗透率动态变化特征与控制机理。结果表明,排采过程中,煤储层绝对渗透率发生“先降低-后回返-再上升”的动态变化。排水阶段水相有效渗透率迅速下降,气相有效渗透率为0。储层压力降低至临界解吸压力后进入产气阶段,气相有效渗透率迅速增加,水相有效渗透率缓慢降低。产气量衰减阶段绝对渗透率开始下降,在滑脱效应影响下,气相有效渗透率仍然保持缓慢上升,水相有效渗透率降低。     

不同变质变形煤特征对煤层气富集渗流的制约

煤岩是煤层气的主要储集层,其变质变形作用对煤层气的赋存、运移和开发都具有重要意义。本文以华北地区典型含煤区为研究区,基于现场资料分析、煤岩显微观测,孔渗测试及压汞实验分析,探讨了不同变质变形煤储层孔渗特征,并从裂隙、孔隙不同尺度探讨了不同变质变形煤储层特征及其孔、裂隙结构特征对煤层气富集渗流所起的作用。结果表明,首先,煤层气产出过程与煤储层变质变形特征密切相关;实验室测定的渗透率与试井渗透率具有可比性,一般碎斑煤大于碎裂煤;高变质弱变形煤储层和中变质弱变形煤储层煤层气的富气能力与渗流能力比较强,是煤层气富集高渗的有利储层。     

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。