低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用

我国煤层普遍渗透率低、吸附强、解吸速度慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流,同时低渗透煤层甲烷运移过程表现出相互制约和非达西渗流及排采降压流固耦合作用的突出特点,低渗透煤层气开采遇到挑战。因此,进行低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用的研究,具有十分重要的理论意义和应用价值。在低渗透煤层气开采流固耦合方面完成的主要研究内容和结果如下:(1)根据煤层特性和煤层甲烷运移属性,将煤层抽象为双重介质模型,并建立了反应解吸、扩散、渗流过程的低渗透双重介质气、水两相流流固耦合模型和注气增产煤层气多组分流体流固耦合模型;详细推导了双重介质气、水两相流流固耦合模型和煤基质系统扩散项的数值解法,并开发了三维、双重介质气、水两相流、拟稳态非平衡吸附流固耦合模拟程序。(2)利用开发的模拟程序和现场试验井资料对煤层气生产动态参数进行模拟,模拟结果与现场试验井结果相吻合。得到如下结论:①通过单井开采过程中的储层压力下降幅度、气–水产能大小、压降漏斗、水饱和度和甲烷浓度变化范围和下降幅度的模拟结果表明:考虑耦合作用的模拟结果与实际更为吻合,耦合时的结果比不考虑耦合时的结果偏小。对导致其差异根源的耦合机理分析表明:煤层气开采尽可能保证由于耦合作用而导致储层渗透性受弱化程度最小;②井群间距对煤层气开采至关重要,井群间距对产能等参数的影响,与储层的渗透率密切相关,渗透率较高储层比渗透率较低储层井群干扰出现的时间早,开采初期小井群间距的气–水产能大于较大井群间距的气–水产能;③通过渗透率、扩散系数对产能影响的研究表明:煤储层渗透率的大小直接控制着煤层气产能的大小,拟稳态扩散系数越大,煤层气井的早期产量上升越快,产气量高峰期到来越早。这说明煤层气的开采运移过程同样受到扩散过程的影响,揭示了煤层瓦斯解吸、扩散和渗流互为条件、互相联系和互相约束的运移机制;④在低速低渗透情况下,通过对启动压力产生的机理分析和模拟结果表明:开发低渗透煤层气藏,应采用小井距、较大压差开发方案;考虑低渗透气体渗流的滑脱效应时,气–水产能比不考虑滑脱效应时高;⑤注气模拟结果表明:注气增产机理主要是注入的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,而且二氧化碳比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,大量的煤层甲烷解吸进入割理裂隙系统,从而提高了煤层气产量。因此,注气开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

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。     

CO2驱替煤层CH4试验研究

 通过对大煤样试件(100 mm×100 mm×200 mm)进行注CO2驱替煤层CH4试验,较真实地模拟在煤层中储存CO2以及驱替开采煤层气的过程。研究发现：CH4在煤体中渗透率与体积应力呈负指数相关规律;煤体对CO2的渗透率高于对CH4气体的渗透率2个数量级以上;随体积应力及驱替压力的不同,单位体积煤体可储存17.47～28.00体积CO2,CO2/CH4置换体积比可达7.03～13.91;在恒定体积应力及驱替压力条件下,CO2注入、CH4置换、产出均能够平稳进行;2种不同煤层CH4含量条件与驱替置换方式下,产出气体中初期CH4含量高达20%～50%,随时间延续产出气体中CH4含量有所下降,但仍能持续保持在10%～16%;驱替压力、驱替速度、注入倍数、煤层CH4含量、储层结构及其渗透性等因素共同决定着CO2/CH4驱替置换效果;在CO2注入煤体进行置换吸附期间,受气体吸附解吸、煤基质自身变形等因素影响,煤体会发生膨胀现象。该研究成果对CO2煤层处置及驱替置换开采煤层气实践具有重要理论意义与指导价值。     

二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯过程的数学模型

为了深入掌握二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯的本质物理过程,分析驱替过程中不同气体的流动机制及相应控制因素,以Langmuir模型、Langmuir吸附膨胀模型、PM渗透率模型和可变Klinkenberg系数模型为基础,建立混合气体在煤中的吸附方程和吸附膨胀方程,以及驱替过程的煤体绝对渗透率和视渗透率方程,并最终通过气体质量守恒定律推导二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯的耦合数学模型。该模型全面考虑混合气体的吸附解吸、扩散、Darcy流和由Klinkenberg效应产生的附加流量,可用于计算驱替过程中不同气体的含量、压力变化,注入和产出气体量,产出气体组分等,为二氧化碳/氮气驱替煤层瓦斯的工程设计提供了理论基础。     

地层条件下凝析气藏的多相渗流特性

 在进行凝析气藏的数值模拟、试井分析以及开发动态预测的过程中,需要获取具有代表性的凝析油气、油水和气水相对渗透率曲线。深层高温高压凝析气藏在开采过程中地层流体渗流伴随着复杂的相变,因此,不能用传统的油气相渗曲线来代替实际地层条件下凝析油气相对渗透率的变化规律。在地层常规物性和流体特性分析的基础上,以实际凝析气藏的凝析油、气和地层水为实验流体,用实际凝析气藏的岩石作为多孔介质,在地层温度和压力条件下研究了多相渗流特征,得到了油气、油水和气水多相渗流的相渗曲线,表明地层条件下低孔低渗岩石的油水、油气和气水两相共渗能力较弱,而对于含裂缝或孔洞的高孔高渗岩石,油水、油气和气水两相共渗区较宽,驱替效率较高。这些成果为高温高压凝析气藏的动态模拟与预测提供重要的数据和相渗曲线。     

基于孔隙网络模型的三相相对渗透率模拟计算方法

为准确获得注气驱、水气交替注入等提高采收率过程中的油、气、水3相的相对渗透率,基于孔隙网络模型,采用孔隙级流动模拟方法进行多相流动模拟。采用正交设计方法,优化网络模型参数拟合油、水2相实验数据,选取拟合程度最高的方案作为油、气、水3相渗流的模型参数。基于逾渗理论,采用优选出的模型,进行油气水3相渗流模拟,最终得到油、气、水3相相对渗透率,从而为油气田开发提供必要的基础数据。     

基于非平衡状态的煤层中气体运移规律研究

煤层气开采过程中,由于裂隙与基质渗透率性能差异性较大,导致储层在长时间内都将处于非平衡的动态调整阶段。然而,目前大多数的试验和渗透率模型只考虑某一固定气体压力的影响,这极大地限制了对非平衡状态下储层气体流动的研究。为此,基于储层为双重孔隙介质的概念,考虑开采过程中基质–裂隙不同的孔隙压力、解吸变形和力学作用对裂隙开度演化的影响,提出了一种预测气体在非平衡状态下的渗透率模型,并用现场数据进行了验证。进一步将渗透率模型代入气体流动方程,采用有限元软件分析了岩芯内基质–裂隙的孔隙压力和渗透率随时空的演变规律。研究结果表明：在岩芯解吸过程中,(1)岩芯内裂隙气体压力受扰动范围大于基质气体压力;(2)基质–裂隙气体压力和渗透率沿岩芯长度呈现非线性分布;(3)基质–裂隙渗透率变化趋势相同。     

煤层气–水微尺度段塞流动规律相似试验研究

煤层气–水段塞流动是制约煤层气井生产能力的重要因素,然而有关微尺度通道内两相段塞流动规律的研究较少。采用自主研发的微量流体注入–显微观测–微尺度模型试验系统开展气–水在不同湿润性、液速条件下的段塞流动试验,通过高速摄像机获取气–水微尺度相互作用形态,利用相场法分析段塞单元的压力分布,最终得到气–水段塞流动规律。结果表明：(1)段塞流状态下气–水界面的“阶跃压力”使气相流动能力显著降低,气相传导率在等流量注入时比单相流动低约3个数量级。(2)在两相段塞流动状态下,气相表观长度随着含水饱和度的增大呈负指数降低,气相相对渗透率随着含水饱和度的增大呈现强相关的负指数关系。(3)气塞引起的附加压力降是段塞流制约气–水流动的主要原因,压力降随着湿润性的增加而降低,气相渗透率在低含水饱和度时对湿润性的变化更为敏感。高液速产生了更大的惯性力,此时气相相对渗透率对含水饱和度变化的敏感性降低。该研究揭示了气–水两相在微尺度运移通道内段塞流状态的流动规律,为抑制段塞流、煤层气高效生产提供了理论基础。     

对鹤壁HL参-001井钻井技术的探讨

钻井的目的是获取可靠的目标煤层（山西组二，）煤层气评价参数，主要包括煤层厚度、埋深、煤岩煤质、割理和裂隙发育程度、煤体结构、等温吸附／解吸特征、含气量、含气饱和度、地层压力、煤岩力学性质等。获取煤层顶底板岩性、岩石节理／裂隙、结构／构造、成分、岩石力学性质等。另外，根据获得煤储层和围岩地层实测参数，指导该井和井网其它各井下一步施工。     

基于核磁共振的水平井开发孔隙动用机理研究

利用三维物理模拟大模型驱替实验,基于核磁共振成像技术及T2谱测量技术,建立了一套研究高含水后期水平井挖潜动用规律的实验技术。应用本技术对Ng5–6油层水平井开采后剩余油分布规律及不同孔喉尺寸孔隙动用规律进行了深入研究。结果表明:高含水期,小孔隙开发程度对于驱替程度较为敏感,而大、中孔隙随驱替程度变化较小。开发过程中,大–中孔隙的原油优先动用,当油藏开发至一定程度后,小孔隙中的原油开始动用;水驱开发后期,小孔隙的动用程度甚至大于大–中孔隙的动用程度,这是由于小孔隙的渗吸作用产生的。应用水平井可以有效开发小孔隙,对主流线区和水平井附近区域的剩余油控制尤其突出,水平井附近区域对采出程度的贡献最大,高含水期采出程度高。     

注入二氧化碳驱替煤层甲烷模拟实验研究

采用大型物理模拟试验装置模拟研究了往煤中注入CO2气体过程中对CH4气体的驱替过程,而进一步获得这一过程中相关物理作用特征。试验结果表明,在含瓦斯煤体内注入CO2之后CH4气体的解吸量显著增加。试验初始阶段获得的主要是游离态的 CH4成分。随着时间推移,驱替置换效应显著,先期注入的CH4解吸量大大增高;在CO2和CH4两种气体的各自注气阶段的煤体内压力变化速度方面也存在明显的差别,注入CO2时的煤体压力变化速度慢比煤吸附CH4气体时的变化速度快;实验同时表明,注气驱替过程中煤体温度有了显著提高,温度的提高。     

水驱油田采收率与注入孔隙体积的定量关系

采收率是评价油田开发效果的重要标准。通过对胜利油区不同油田多块岩心驱替试验结果的分析,发现采收率E_R与注入孔隙体积倍数n_(PV)存在定量关系,从丙型水驱曲线出发结合注采关系和驱替试验数据得出E_R-n_(PV)关系式,并分析E_R-n_(PV)关系式中系数的物理意义。对岩心驱替试验与现场生产数据回归曲线以及孤岛试验区聚合物驱前后E_R-n_(PV)回归曲线进行对比分析。结果表明:储层低含水阶段水驱采收率明显低于岩心试验的水驱采收率,而在中后期差距逐渐减小,计算值与实际生产数据吻合度高;注聚开发可有效地提高采收率,且注聚开发前计算的波及体积大于实际波及体积,证明聚合物驱有效提高了波及体积;E_R-n_(PV)关系式能应用于水驱油田采收率预测,并对提高采收率措施效果进行评价。     

双重介质煤层气-水两相不稳定试井模型

为了明确煤层气排采时的渗流过程,考虑煤层气在生产过程中的气-水两相分布,提出一种双重介质煤层气-水两相不稳定试井模型。利用基于Delaunay网格的有限体积法对模型进行求解,得到了双重介质煤层气-水两相试井理论曲线,并分析了模型在不同地质参数情况下的双对数曲线的特征。结果表明:基质储能系数越大,对生产越有利。含气饱和度越大,到达复合半径的时间越早,达到系统稳定所需的时间越长;解吸系数越大,表现为边界距离的增大,有利于煤层气长期稳定生产。     

CO2–水两相条件下砂岩致裂特征与有效应力模型的试验研究

 CO2–水两相条件下的岩石力学行为是CO2地质封存中的关键科学问题之一。利用自主研发的厚壁圆筒式两相致裂仪进行CO2–水两相条件下砂岩压裂试验,并研究CO2–水两相有效应力模型。通过向试样加载内压、围压和轴压形成与井壁围岩类似的最小主应力为负的真三轴应力状态,采用半透隔板法进行CO2驱水试验以精确控制试样孔隙中CO2–水两相流体的组分压力和饱和度,最后通过内压致裂试样获得致裂压力。还进行了不同有效围压下含单相水孔流试样的致裂试验,得到其致裂压与有效围压的拟合函数。为研究CO2–水两相有效应力模型,选用4种可应用于岩石的非饱和介质有效应力公式与拟合函数联立推导得到破裂压力预测模型,与试验结果对比以间接验证这4种有效应力公式对于表征CO2–水两相流体条件下有效应力的适用性。结果表明,考虑Biot系数的Bishop非饱和有效应力模型能够较好地描述CO2–水两相流体下所测试砂岩的张性开裂行为,可直接作为CO2–水两相有效应力模型使用。     

一种基于水淹影响的相渗曲线重构方法

针对储层水淹对地层流体渗流规律影响刻画较难的问题,基于渤海典型疏松砂岩稀油油藏LD油田和稠油油藏Q油田密闭取芯井岩芯样品,开展水淹程度对油水相渗曲线影响实验研究。基于水淹对相渗影响认识,提取不同水淹程度下相渗曲线特征参数并重新组合,建立两种类型油藏考虑水淹影响的"全寿命"油水相对渗透率曲线。实验结果表明,与采用未水淹、弱水淹层段岩石样品完成的油水相对渗透率曲线相比,中水淹、强水淹层段相渗曲线束缚水饱和度更高,残余油饱和度更低,等渗点更偏右,驱油效率更高。与不考虑水淹情况相比,考虑水淹影响的重构相对渗透率曲线,其残余油饱和度和束缚水饱和度更低,含水饱和度相同时,两相相对渗透率均呈现整体降低趋势,最终驱油效率增大。与不考虑水淹影响的方案相比,考虑水淹影响的重构相渗在Q油田矿场数值模拟中应用,在含水98%时的采出程度提高近1%。     

有效应力对煤层气解吸渗流影响试验研究

以阜新高瓦斯矿井孙家湾矿为例，将煤样放入自制的三轴瓦斯解吸渗透仪中，通过先加载后卸载、连续进行煤层气解吸渗流试验，模拟煤层气在复杂地应力条件下的赋存和运移开采过程，得到有效应力与煤层气解吸和渗流特性间的关系，并拟合了其关系表达式，揭示一些新的相互作用规律：（1）解吸量、解吸时间与有效应力变化规律均呈负指数递减关系，与受载方式无关；（2）有效应力存在一分界点，当小于此值时，解吸量和解吸时间随有效应力增加而迅速提高，而当有效应力大于此值时，两者随之增加幅度不大，对于孙家湾2^#煤样分界点所对应有效应力为3．0MPa左右；（3）存在一临界有效应力值（类似于临界解吸压力），有效应力大于此临界值则解吸量极少或几乎没有，解吸时间趋于0，而孙家2^#岁煤样临界有效应力值为10．0MPa左右；（4）在加载过程中，有效应力与渗透率、渗透系数关系曲线呈正指数减小，这表明煤体在较小的有效应力范围内、孔隙压力不断增加的加载过程中，吸附作用是影响渗透率和渗透系数的主控因素；（5）卸载过程中，有效应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系，这从试验角度证明了煤层气开采中三阶段主导作用的存在，即有效应力主导作用阶段、基质收缩效应主导作用阶段和滑脱效应主导作用阶段。     

流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟

针对深部煤层处在较高地应力和孔隙压力环境下，煤层渗透率降低和瓦斯运移表现出非达西渗流及受煤岩体变形耦合作用明显的特点，建立反映深部低渗透煤层特征和瓦斯流动特性的气水两相流流固耦合模型。以耦合模型为基础，通过数值模拟对深部低渗透井群开采煤层气进行较系统地研究，得到不同渗透率和不同井群间距条件下开采煤层气的储层压力、气和水产能大小、压降漏斗、水饱和度、甲烷浓度和井群干扰的变化规律，考虑较高地应力储层变形影响的流固耦合模型的模拟结果比不考虑耦合作用的结果偏小，对于深部煤层气开采必须重视耦合作用对产量造成的不利影响，制定合理的生产制度和布井方案，尽可能保证储层渗透特性受弱化的程度最小。研究成果对深部低渗透煤层气开采有重要意义。     

幂率型裂隙分布煤层渗流场与变形应力场耦合模型及数值模拟

煤体的微观结构对其产气量有着显著的影响,然而,现阶段的煤层气开采模型都未将此因素考虑在内。为了定量分析煤层微观结构对宏观渗流过程的影响,基于幂律分形渗透模型,构建一种能够同时考虑煤层微观结构与多物理场因素相互作用的裂隙–孔隙渗流模型。模型将多物理场效应(包括气体吸附–解吸效应、气体渗流诱导储层形变效应、煤层基质形变、裂隙–基质相互作用等)定义为储层有效应力的函数,进而作用于储层孔隙率与微观结构。分析煤体的主要结构参数对宏观渗透率的影响,包括：(1)裂隙长度幂律指数α;(2)裂隙长度最值比r;(3)最大裂隙长度l,并分析煤层形变及渗透率的时空演化趋势。模拟结果表明：煤体结构参数对煤体渗透率有着显著的影响。当孔隙率等其他煤体参数保持不变时,储层宏观渗透率与裂隙长度最值比r、最大裂隙长度l成正比,与裂隙长度幂律指数α成反比;此外,与裂隙长度幂律指数、裂隙长度最值比相比,煤层最大裂隙长度对煤层渗透率有着更为显著的影响。     

非均质多孔介质中剪切稀释流的非混相驱替研究

地下流体在一定温度压力条件下,会呈现剪切稀释性。剪切稀释性影响流体黏度场,从而改变流体被驱替时的特征。使用植入幂律流变模型的格子Boltzmann两相流模型,编写计算程序,模拟牛顿流体在非均质多孔介质中驱替剪切稀释流的过程。使用非牛顿泊肃叶流验证了数值模型,并从界面推进、驱替效率、速度场、黏度场等方面研究非均质多孔介质中被驱替液的剪切稀释性对驱替过程的影响。模拟结果显示:被驱替液剪切稀释性的增强造成驱替界面推进的加快和驱替效率的提升,使驱替液更能深入驱替非均质多孔介质中残余的被驱替液。该现象的机制为:被驱替液剪切稀释性的增强造成了指进路径上的黏度降低,而非指进区域的黏度升高;驱替过程由指进路径上高流动区域的黏度所主导,因此增强被驱替液剪切稀释性的效果类似于降低黏度,从而提升驱替效率。研究揭示了流体剪切稀释性对多孔介质中驱替过程的影响,对涉及地下非牛顿流体驱替过程的产业具有指导性。     

CO_2驱油泡沫防气窜技术实验研究

腰英台油田CO_2驱油先导试验中CO_2过早气窜,降低波及体积,影响区块产能。采用岩芯切割技术制作了低渗透裂缝性岩芯模型,通过岩芯驱替实验研究了不同CO_2泡沫注入方式对低渗透裂缝性岩芯封堵能力的影响以及水驱或气驱后CO_2泡沫驱提高采收率的效果。实验结果表明:CO_2泡沫能增加流体在裂缝中的流动阻力,有效降低驱替液流度,阻力因子在46~80;泡沫在裂缝中存在启动压力,它将影响泡沫起始阶段的流动。对于水驱和气驱之后采用泡沫驱的岩芯,采收率分别增加了26%和35%,揭示了泡沫提高低渗透裂缝性油藏采收率机理。