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。     

Uniaxial-strain条件下渗透率变化实验研究

为深入了解Uniaxial strain情况下渗透率的变化规律以及垂直应变的变化情况,在实验室环境下模拟Uniaxial Strain的应力、应变环境,分析煤样随着孔隙内气体压力的降低渗透率以及垂直应变的变化。结果表明,随着孔隙内气体压力降低,煤样的渗透率增长,并且增长率逐渐增大;煤样的垂直应变始终是在一个很小的范围内波动,证实了体积不变理论的合理性。该成果对于深入了解渗透率的变化规律以及地下应力环境的变化的研究具有重要意义。     

基于煤岩割理正交各向异性性质的低渗透煤层压力数值模拟研究

考虑煤岩面割理和端割理两个方向不同渗流性质,建立了低渗透性煤层气水固三相流固耦合模型,利用该模型分析了沁水盆地煤层气井在开采过程中压力及解吸半径变化规律,并对影响煤层压力的割理参数进行分析.计算结果表明:非耦合模型比耦合模型的解吸面积要大;随着煤岩割理渗透率正交各向异性系数的增大,煤层面割理方向解吸半径逐渐增大,而煤层端割理方向解吸半径逐渐减小;面割理方向,随着割理渗透率正交各向异性系数和割理宽度的增大,煤层压力先增加后降低;端割理方向,煤层压力随着渗透率正交各向异性系数、割理密度和割理宽度的增大而增大.     

考虑吸附-解吸效应的气固耦合模型

在研究煤层气单井抽采模型时,首先根据有效应力和渗透率建立相关联系的方法,确立了煤层气固耦合理论方程,然后根据理论分析、数值模拟与常规理论实践规律相结合的方法,考虑了地应力对煤层气解吸、煤层渗透率和孔隙度的相互影响,建立了煤层气运移的数值模型,并观测抽采产量的变化.另外通过理论公式及数值模拟讨论吸附-解吸效应和Langmuir常量对气体压力、渗透率和抽采产量的影响,从而提高抽采产量和生产效率.研究结果表明:(1)煤层气开采过程中,有效应力和吸附-解吸效应都影响着孔隙通道直径的变化,两者存在竞争关系,导致煤层基质产生膨胀或收缩,进而影响渗透率的变化;(2)吸附-解吸效应能够显著提高抽采效率和产量.     

应力场、地温场、压力场对煤层气储层渗透率影响研究——以山西沁水盆地为例

为了确定煤层气储层渗透率的变化规律,从岩石力学性质分析入手,以山西沁水盆地上古生界煤层气储层的实际地质情况为例,探讨了构造应力场、地温场、压力场对煤储层渗透率分布的控制机理.研究表明,构造应力场的应力-应变控制着储层裂隙的发育规律,地温场通过控制煤岩的力学性质而改变应力场的作用效果,而随着压力场作用增强,渗透率降低.     

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。     

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。     

煤岩裂缝渗流能力实验评价及近井地层等效渗透率分析

煤岩裂缝的渗流能力是影响煤层气产能的重要因素.采用API导流仪及岩心驱替装置,模拟煤层气排采过程中煤层有效应力的连续变化,评价裂缝闭合压力逐渐升高、地层压力连续下降以及频繁开关井(间歇性排采)等工况条件下煤岩压裂裂缝的动态导流能力和含天然裂缝煤心的渗透率变化.实验结果表明,提高裂缝闭合压力、降低孔隙流体压力以及频繁开关井等都会降低煤岩裂缝的渗流能力,尤其对压裂裂缝的导流能力影响更为显著.基于此,利用实验数据分别回归了煤岩压裂裂缝导流能力和含天然裂缝煤岩渗透率与有效应力的经验关系式,建立近井煤层等效渗透率计算模型.利用该模型可以根据现场测算的等效渗透率,初步判断煤层压裂裂缝的有效导流能力或缝长,可以为煤层气压裂效果评价、分析排采过程中煤岩裂缝参数的动态变化提供一种新方法.     

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。     

采场应力变化的流固耦合模拟研究

随着矿井开采深度的增加,瓦斯压力对煤层开采过程中采场应力的影响越来越明显。根据煤层瓦斯渗流特性和固体介质变形基本理论,考虑煤层瓦斯压力的变化对煤岩体破裂的影响,建立了煤层开采过程中应力场和瓦斯运移场相耦合作用的数学模型。对含有不同煤层瓦斯含量和不同瓦斯压力的煤岩体,在开采过程中采场应力所发生的变化进行了数值模拟研究与分析。通过研究煤层开采过程中,在不同地应力和煤层瓦斯压力的影响,得出采场应力的变化规律。其结果对于矿井煤层正常开采时,解决采场应力的变化所引起冲击地压灾害事故隐患的技术性问题等提供可靠的理论指导。     

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。     

利用瞬态法提取岩样非Darcy流渗透特性

建立了一种测定岩样非Darcy流渗透特性试验系统的动力学模型.基于岩样两端孔隙压差的时间序列,利用差分计算或曲线拟合得到渗流速度及其变化率的时间序列.通过线性回归,得到岩样的Forchheimer非Darcy流渗透特性,即渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数.试验结果表明,无论岩样处于峰前还是峰后应力状态,岩样中的渗流都不服从Darcy定律;当非Darcy流β因子为正时,非Darcy流的渗透率κ小于Darcy流的渗透率κD;渗透率(κ和κD)、非Darcy流β因子和加速度系数可近似表示为应变的幂指数函数;三种渗透特性中的每两种整体上存在幂指数关系;在加载的初始阶段,由于孔隙和微裂隙的压缩和闭合,渗透率随应变减小,而非Darcy流β因子和加速度系数随应变增大;随后,由于裂隙的扩展,岩样的渗透率迅速增大,而非Darcy流β因子和加速度系数迅速减小,并在峰值应力附近达各自的极值;由于围压的作用,峰后应力状态下岩样的渗透特性随应变的变化缓慢.图3,参18.     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

煤岩变形破坏过程中渗流演化规律试验研究

高煤阶煤层气的开发主要采用压裂的方式进行增产。在压裂过程中,随着煤岩应力的不断变化,其孔隙结构和渗透特性发生变化,进而影响煤岩的力学破坏特征。以高阶煤为研究对象,开展不同围压作用下三轴渗流-应力耦合流变试验,研究煤岩变形和破坏过程中的应力、应变与渗透率之间的相互关系,分析了煤样应力、应变变化过程中渗透率随围压和体积应变的变化规律。试验结果表明:煤岩的应力-应变关系具有脆-塑性特征,煤岩体积应变经过压密和扩容阶段,环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映出煤岩变形破坏的过程。煤岩渗透率在压缩过程中出现波浪状变化,在高应力作用下发生破裂后,其渗透率不一定比破裂前增加,相反有可能会减小。研究结果可为多场耦合下煤岩破裂模型的建立与分析、压裂施工参数设计和工艺的优化提供技术支撑。     

考虑启动压力梯度的低渗透油藏污染井压裂增产新模型

根据单一启动压力梯度的低渗透油藏直井产能公式,分别考虑污染区与未污染区压裂后的渗透率和相应的启动压力梯度变化,建立分区考虑启动压力梯度的低渗透油藏污染井压裂增产新模型。结果表明:污染区内外的启动压力梯度差别较大,考虑污染区内外不同启动压力梯度的低渗透油藏污染井产能预测模型更符合实际情况;考虑污染区内外不同启动压力梯度所计算的产能比没有考虑启动压力梯度的产能要小得多,对于压裂井,启动压力梯度的影响较小。     

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,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率逐渐增加;二者综合作用条件下,随着孔压的逐渐下降,煤体体积负应变逐渐增大,煤体收缩,渗透率先减小后增加,通过与等外力条件下的典型渗透率动态变化模型比较,Lu模型与实验数据吻合度更高.实验结果有助于预测煤体渗透率动态变化,更好地指导地面煤层气开发和煤矿瓦斯防治.     

SAGD井微压裂储层渗透率变化规律研究

对超稠油SAGD井储层进行微压裂能够快速建立上下水平井连通,提高启动效率。为了掌握微压裂储层渗透率演变规律及评价微压裂效果,通过实验获取了新疆风城不同物性油砂储层的孔渗参数,研究了油砂的孔隙体积、各向异性及温度对渗透率的影响。实验结果表明,无论是原位还是剪切扩容后的状态,风城陆相油砂的绝对渗透率及水的有效渗透率随孔隙度或体应变的变化均遵从Kozeny Carman或Kozeny Poiseuille方程;同时,该油砂绝对渗透率为水平方向大于垂直方向,而水的有效渗透率则为垂直方向大于水平方向。同时,微压裂的注液温度对水的有效渗透率的影响可以忽略。在此基础上从机理出发探讨了微压裂和注蒸汽循环阶段的渗流差异,进一步运用有限元模拟手段,通过案例计算证实了微压裂模拟过程应采用水的有效渗透率。     

变形介质的变形机理及物性特征研究

变形介质气藏在开发过程中,孔隙压力随流体的流出而下降,使储层内外压差增大,孔隙受到压缩而体积缩小,孔隙度和渗透率随之降低,极大地影响到此类气藏的开采。主要阐述了多孔介质发生变形的类型,并从多孔介质的微观物理特性(包括物质组成,单元体类型及它们之间的接触关系、排列方式和胶结方式)来分析对其发生变形的影响。还通过实验,分析了变形介质的孔隙体积、孔隙度和渗透率随压力而发生的变化规律。实验表明,随着净围压的升高,孔隙体积缩小,孔隙度和渗透率降低。与孔隙度相比较,渗透率受压力变化的影响更明显。因而,在变形介质气藏的开采过程中,保持气藏内部的原始压力对稳产、高产及延长气藏的开采时间有重要意义.     

存在启动压力梯度时的合理注采井距确定

由于流体在低渗透油藏中渗流存在启动压力梯度,在确定低渗透油藏合理注采井距时如何考虑启动压力梯度的影响,是提高低渗透油藏开发效果的主要研究内容之一。根据等产量一源一汇渗流理论,获得了注采单元主流线中点处的最大压力梯度计算式,结合启动压力梯度与渗透率的关系建立了低渗透油藏合理注采井距的确定方法,得到不同渗透率和注采压差下合理注采井距理论图版。实例应用结果表明,所述方法简单实用,分析结果与油田实际情况基本一致。