煤层不同类型裂缝应力敏感性实验--以阜新盆地煤样为例

煤层气井排水降压阶段普遍诱发裂缝应力敏感性,导致井周裂缝快速闭合、渗透性大幅下降,严重影响煤层气开采。为探索能够降低煤层裂缝应力敏感性、提高有效渗透率的增产改造措施,采集阜新盆地含方解石脉煤样,以原煤样、巴西劈裂煤样以及酸化处理煤样为实验对象,研究了天然裂缝、人工裂缝、酸化裂缝的渗透率及其应力敏感性。结果表明:煤样中方解石脉酸溶后,酸化裂缝与人工裂缝处于同一渗透性级别;有效应力为3 MPa时,3类裂缝平均渗透率分别为2.94×10^-3μm²、75.08×^-3μm²、71.12×^-3μm²,而有效应力增加至15 MPa时,其渗透率分别下降至0.71×^-3μm²、2.03×^-3μm²、26.55×^-3μm²,应力敏感系数分别为0.14 MPa^-1、0.31 MPa^-1、0.084 MPa^-1;应力敏感导致3类裂缝渗透性均产生不可逆损害,其中人工裂缝损害程度达80%,而天然裂缝和酸化裂缝分别为46.7%和27.7%。与原煤样和巴西劈裂煤样相比,酸化处理煤样应力敏感性最弱,应力加载过程能够保持更高渗透性,主要原因是酸化裂缝面粗糙度更大、裂缝产状更加复杂,相同应力条件下,酸化裂缝的应力敏感系数分别为天然裂缝和人工裂缝的60%和27%。研究认为:酸化处理能够有效弱化煤层裂缝应力敏感性,对于含方解石脉煤层,可以考虑酸化增产改造,或采用“水力压裂+酸化”的复合改造措施,使煤层在降压生产过程中长期保持较高渗流能力。     

煤岩T型缝压裂实验及压力曲线分析

煤层气的水力压裂会形成煤层内多裂缝共存的复杂裂缝系统,有利于提高煤层气产能,而压裂实验可以分析复杂裂缝系统的形成。采集山西保德区块原始煤岩制成规则形状的煤样,利用设计的三轴可变应力压裂实验设备对煤样进行了室内水力压裂模拟,实验时分别设定了煤样的三轴应力,实验后得到了煤层T型缝,分析了压裂压力曲线及压裂后的煤样。实验条件下生成T型缝的压裂压力出现了2个峰值,其后裂缝开始延伸。分析认为,当压裂受煤岩原生裂缝影响时,压裂曲线会出现多个峰值,且峰值之间差别较小。压裂曲线的特征有助于现场压裂时复杂裂缝的判断。     

煤层气水力压裂增产机理及效果评价方法研究

90%以上的煤层气以吸附状态附着在煤的内表面上,煤层气的产出是一个区别于常规天然气的"排水—降压—解吸—扩散—渗流"的复杂过程。我国煤层气储层条件较差,具有低孔、低渗、非均质性强的特点,普遍存在常规开采方式开发效果差的问题。为提高煤层气单井产量,实现商业化开采,必须对储层进行增产改造,促进排水降压,提高煤层气单井产量,水力压裂改造技术是当前煤层气增产的首选方法,也是已被证明的煤层气开采的一种有效的增产方法。论述了水力压裂增产渗流机理及其效果评价方法,并进行了实例分析。表明通过对煤层进行水力压裂,能够改善井底渗流条件,提高储层的渗透能力;煤层渗透率、表皮系数及裂缝导流能力和裂缝半长是评价煤层气水力压裂增产效果的主要参数。     

沁水盆地赵庄井田煤层气产出特征及其影响因素

沁水盆地赵庄井田3~#煤的煤层气虽然资源丰度高,但由于储集物性差等因素,导致煤层气解吸、扩散、运移产出速度缓慢,不但煤层气井单井产量低,而且产量衰减快,稳产期短,煤层气开发难度大。因此,针对煤层气产出不理想的情况,采用室内实验模拟结果和现场测试分析数据相结合方法对影响煤层气产出的原因进行了分析,指出了煤层气产出困难的3个主要影响因素:(1)3~#煤层裂缝极为发育,裂隙连通性差、充填堵塞严重;3~#煤大孔占比少,细孔、微孔占比大,煤层的渗流条件差,煤层的可动流体饱和度低,排水降压可产出的孔隙流体少,气体可解吸、扩散、渗流产出量少,致使煤层气的产出程度低;(2)3~#煤的临储比和含气饱和度低,煤层气井排水降压的可降幅程度小,压降漏斗的扩展面积小,致使产气效果较差;(3)煤层的塑性强、应力差异系数小,煤层与围岩的应力差小,煤层压裂裂缝延伸难度大,裂缝容易突破顶底板纵向延伸,压裂容易形成多裂缝,限制了裂缝长度的扩展延伸,致使压裂增产效果差。并提出优选煤层气开发有利区域、强化煤层压裂改造措施和分段压裂水平井抽采技术是实现赵庄井田3~#煤层下一步煤层气高效开发的3个有利措施。     

裂缝非达西渗流对气井水力压裂设计的影响

水力压裂技术是低渗透致密气藏增产的主要手段。在水力压裂裂缝中,气体在裂缝内高速流动产生的非达西渗流使裂缝的有效导流能力和裂缝长度大大减小,从而影响了水力压裂井的产能。在考虑气体非达西渗流的基础上,建立了非达西渗流条件下裂缝有效渗透率和裂缝参数的计算方法,研究了非达西渗流对水力压裂设计参数(裂缝长度、宽度)和产能的影响。结果表明,考虑非达西渗流时的水力压裂必须设计比达西渗流条件下更短和更宽的裂缝;由于裂缝非达西渗流的存在,气井的产能也有较大幅度的降低。考虑非达西渗流进行水力压裂设计和计算时,不能直接用流体在多孔介质或裂缝中的真实渗透率来计算水力压裂气井的产量,而必须用非达西有效渗透率。     

煤层气藏应力—渗流流固耦合模型及SPH求解

数值模拟是研究煤层气渗流的重要手段。将煤层气储层视为双孔双渗的多孔介质,同时考虑煤层的变形对瓦斯渗流的影响,建立煤层气藏应力—渗流流固耦合模型。综合考虑了煤层气的吸附与解吸效应、应力与渗流耦合作用等因素对煤层气开采的影响。采用SPH(Smoothed Particles Hydrodynamics)法求解控制方程,编制计算机程序。利用该模型求解并分析了煤层气的解吸—渗流过程以及煤层渗透率的变化情况。结果表明,SPH方法能够应用于煤层气解吸—渗流过程的数值模拟研究中来;煤层基质渗透率与裂缝渗透率与有效应力变化有密切关系,煤层气的渗透过程需要考虑煤层基质与裂隙受到的变形影响;考虑煤层气的吸附与解吸效应更加符合实际的煤层气渗流过程,能够更合理地估算实际采气过程中瓦斯涌出量。     

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低渗透煤层中的煤层气抽放是一个世界性难题，目前尚没有有效的解决办法。文章针对低渗透煤层提出了采用水力割缝技术提高煤层渗透性的方法，介绍了特大煤样条件下的钻孔和水力割缝两种排放煤层气的对比试验研究。试验结果表明：煤样的煤层气排放符合艾黎经验公式，可以使用该公式对煤层中的煤层气排放进行预测。与钻孔排放相比，水力割缝排放煤层气，会随埋深不同而发生不同程度的煤层气突出，从而提高煤层气的排放速度和排放量，缩短排放时间。相同埋深的煤层，割缝后，煤层气初期排放速度急增，约为钻孔的2～2.5倍；随着煤层埋藏深度的增加，水力割缝对提高煤层的渗透性作用越明显。这些结论对低渗透煤层的煤层气抽放与开采有参考价值。     

定向射孔桥塞分段压裂技术在提高煤层气采收率中的应用

煤层气Ｕ形井作为提高煤层气采收率的有效方法,要达到工业开发的价值,均需进行压裂改造沟通
煤层割理裂隙系统。通过整合水力泵送桥塞分段、多级定向射孔技术,结合小型测试压裂对Ｘ号煤层压裂方案进
行了精细化优化设计,进行了嵌入式人工裂缝检测。研究表明,在煤层气Ｕ形井水平段进行向下定向射孔和分段
压裂,在煤层中建立了高导流能力支撑裂缝,沟通煤层割理裂隙通道,井组日产气效果良好,该技术适合低渗透性
松软煤层气藏开发。     

深埋煤层气藏水力压裂增产技术探讨

作为非常规天然气的煤层气,勘探开发技术具有特殊性。水力压裂增产技术在浅部煤层气开发中已经得到广泛应用。埋深大于1 000 m的深埋煤层气资源量巨大,占我国煤层气总资源量的61.2%。较之浅煤层,深煤层具有高地应力、高地温、高岩溶水压、强烈的开采扰动的工程力学特征。深埋煤层气藏水力压裂增产面临着井壁稳定难、人工裂缝延伸规律性差、支撑剂有效输运难、煤层渗透率保护困难、煤层气吸附解析规律复杂等难题。鉴于此,有必要在现有的浅煤层压裂增产技术基础上,研制超低密度支撑剂和多重功效的压裂工作液体系,形成深埋煤层气体积压裂的配套技术,从而推动深埋煤层气压裂增产技术的发展。     

和顺区块煤层气压裂工艺技术试验研究

由于煤层与普通油气藏的储层结构特点不同,导致各自水力压裂时的特点也极为不同。通过对煤储层各物性特征的研究,结合山西和顺区块的实际煤样,进行了煤层气井压裂液的基本性能测试试验和压裂液对煤心渗透率伤害试验等,为煤层气井压裂液的优化选择提供了理论依据和借鉴。最后运用煤层气井压裂设计的计算软件,结合和顺煤层气试验井的基本参数进行了压裂设计。现场试验表明,采用研究的压裂工艺技术对和顺15#煤层进行压裂改造7口井7层煤,施工成功率100%,有效率100%。     

钻井液损害煤层评价方法探讨

针对国内尚缺少统一有效的钻井液损害煤层评价方法的现状,基于煤层气产出及损害机理,提出了解吸量比值法和渗透率恢复率法联合评价钻井液对煤层损害效果的评价方法和指标,并对煤样解吸量比和渗透率恢复率的概念进行了定义。在此基础上,重点阐述实验评价方法以及煤层气自降解钻井液（CBMD）和常规无固相聚合物钻井液（WGJH）对煤层的保护和损害能力。实验结果表明：①CBMD降解后,渗透率恢复率较高,可达100%,对煤储层基本不伤害,而WGJH钻井液渗透率恢复率最高不超过30%;②CBMD污染过的煤样解吸量比达95.89%与清水接近,WGJH钻井液污染过的煤样解吸量比为20.11%。实验结果同时也解释了现场应用WGJH后煤层产气量低甚至不产气的原因,即煤层渗流通道恢复能力变差、煤层气解吸能力降低。结论认为,该方法实用、有效,可作为钻井液损害及保护煤层效果的评价方法。     

超声波作用对改善煤储层渗透性的实验分析

为揭示超声波作用对煤岩渗透率的影响规律,基于煤岩渗透率性原理,开展超声波作用下煤样渗透率测试实验。对比分析未加超声波与不同功率超声波作用下的实测数据;与此同时,超声波的加载促进了CH4气体在煤岩中的渗流,增大了煤样的渗透率;且超声波的功率越大,煤样渗透率的提高率越大。在此基础上,通过超声波功率与气体流量比的关系,推算拟合出不同围压、不同功率下煤岩的渗透率关系模型。通过实验结果分析,详细论述了超声波提高煤层气渗透性的原理。     

深煤层水力波及压裂技术及其在沁南地区的应用

为提高深部煤层的煤层气产能,针对其地质特征提出了在深煤层实施多口直井同步水力波及压裂的技术思路。首先基于边界元位移不连续法建立了多裂缝诱导应力数学模型,模拟深煤层诱导应力场分布,分析水力波及压裂复杂缝网形成的可能性,然后采用离散元方法研究应力干扰的裂缝网络延伸情况及其影响因素,最后通过三轴压裂实验和现场应用效果验证了其可行性。结果表明:(1)水力波及压裂技术能增大应力干扰面积和应力干扰强度,促使水平主应力差的减小甚至诱导局部区域的地应力方向发生改变,有利于沟通煤岩中发育的面、端割理,从而形成大规模高效复杂的裂缝网络;(2)水力波及压裂有利于复杂缝网形成的条件包括较小的初始水平主应力差、低泊松比、较小井距、低压裂液黏度、高缝内净压力等;(3)真三轴物理模拟实验结果显示,水力波及压裂技术能够充分沟通煤岩天然裂隙,形成由人工裂缝、面割理和端割理组成的复杂裂缝网络。进而提出了一套深煤层多井同步水力波及压裂工艺优化设计方法,在沁水盆地南部柿庄北地区深煤层选取了5口直井进行先导性试验,裂缝监测及排采数据表明,水力波及压裂井产生的波及体积较大,裂缝网络复杂;较之于常规压裂井,水力波及压裂井不仅见气更早,产量、套压较高且稳定,而且所形成的区域压力降波及邻井,可大幅增加实施井及邻井产量。     

煤层气井复杂水力压裂裂缝模型研究

煤层与常规砂岩储层不同,煤层抗压强度低,易破碎变形,水力压裂时形成的水力裂缝系统也相对复杂。煤层水力压裂时常出现一些垂直裂缝与水平裂缝共存,或多条垂直（水平）裂缝存在的现象,形成所谓的复杂裂缝系统。复杂裂缝系统是煤层割理,煤层与上下顶底板岩性较大的力学性质差异,煤岩构造应力,煤粉堵塞,不同岩性的界面效应等因素综合影响的结果。当煤层垂直应力与水平应力相差较小时,煤层往往出现“T”字型或“工”字型裂缝系统,对“T”字型或“工”字型裂缝系统进行设计研究,对煤层水力压裂具有较强的指导意义。根据复杂裂缝形成机理,以“T”字型裂缝系统为例,建立了其数学模型,对模型进行了计算设计。根据模型对山西晋城煤层气井组某口井进行了实例计算,结果表明模型计算设计结果与实际电测结果符合性较好,对指导下一步煤层气井水力压裂施工起到了很好的作用,有较强的实际意义     

砾岩油藏压裂裂缝遇砾扩展行为机理

砾石的随机分布使砾岩储层具有高度非均质性,显著影响局部力学响应,难以控制和预测水力压裂裂缝的扩展。水力压裂裂缝的遇砾扩展机制仍不清楚,使得水力压裂的设计和有效实施充满挑战。基于全局黏聚力单元,在Abaqus 平台建立了渗流-应力-损伤多场耦合的二维裂缝扩展模型;在细观尺度上将砾岩视为砾石、基质和胶结面组成的三相复合材料,进行压裂裂缝遇砾扩展行为机理研究。结果表明,水力裂缝遇砾发生穿砾、绕砾、穿砾且绕砾等现象;砾石的渗透性和弹性模量对裂缝遇砾行为影响的作用机理不同：砾石的低渗透性造成憋压现象,裂缝尖端流体压力提高了13%,水平与竖直方向有效应力分别减小了10.1%和12.8%;砾石的高弹性模量造成应力的屏蔽现象,裂缝尖端与砾石间的区域水平方向有效应力减小了5.8%。砾石的低渗透性与高弹性模量都会造成胶结面上发生剪应力集中,增加了胶结弱面破坏的可能性,造成裂缝遇砾发生偏转。     

水力压裂裂缝三维扩展ABAQUS数值模拟研究

油井岩石的水压致裂过程是多孔介质下的流固耦合过程。建立了水力压裂流体渗流连续性方程与岩石变形应力平衡方程,引入了二次正应力裂纹起裂及临界能量释放率裂缝延伸准则,考虑流体在裂缝面横向、纵向流动,采用有限元计算软件ABAQUS中的Soil模块模拟岩石水力压裂的三维复合裂缝起裂与扩展。通过其黏结单元设定裂缝延伸方向,编写用户子程序并嵌入ABAQUS主程序中,以确定初始地应力场、渗流场、随深度变化的孔隙度及随时间变化的滤失系数。从数值模拟结果可以得到水力压裂泵注不同时刻裂缝几何形态、缝内压力分布、岩石变形及其应力分布、孔隙压力分布、压裂液滤失量以及压裂液流体特性、排量、上下隔层应力差、滤失系数等参数对裂缝几何尺寸的影响。     

煤层气井压裂裂缝参数优化新方法

以往煤层气井压裂缝参数优化方法没有考虑压后裂缝渗透率变化和压裂规模的影响。基于支撑剂指数法,考虑压后动态裂缝渗透率,建立了与压裂规模相关的裂缝参数优化数学模型。通过双重迭代求解得到了最优压裂规模下的最佳裂缝参数,并绘制了不同煤层渗透率和压裂规模下的裂缝参数优化图版。计算结果表明,压裂规模并非越大越好,存在最优规模;煤层压裂裂缝内非达西流动使最优缝长减小,最优缝宽增大。该方法应用简便,优化结果更准确、合理,对煤层压裂改造具有一定指导意义。     

煤层气压裂井裂缝参数优化及效果评价

因煤层复杂渗流机理及低孔低渗特征,煤层气均需采取压裂改造措施进行开采。为了正确认识压裂参数对煤层气井产能、采出程度及井网部署的影响规律,从储层应力形变及煤层气解吸、扩散、渗流流固耦合分析出发,建立压裂井气水两相非线性渗流模型,研究裂缝参数、储层非均质性对井距及井网类型优化的影响,并且采用注入压降试井解释对压裂工艺参数进行评价。研究结果表明：煤层流体以非线性渗流为主,物性呈现先下降后上升的特征,存在启动压力梯度的影响;井距优化应考虑裂缝方向、裂缝穿透比、裂缝导流能力等因素的影响;矩形与菱形井网选择要参考储层各向异性系数的临界值;避免注入压降测试中井筒液面的变化及测试段的选择对试井解释结果的影响,提高压裂效果解释评价准确性。研究对煤层气压裂井裂缝、井网参数优化及提高压裂效果评价准确性具有较好的指导意义。     

紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术

煤体结构破碎和渗透率低是碎软煤层"有气难出"的主要原因。为了提高该类储层的煤层气产量,以淮北矿区芦岭井田8号煤层为例,从水平井钻井、压裂和排采控制等3个方面加以综合考虑,基于紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气的思路,在对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律进行研究的基础上,对顶板水平井位置进行了优化,探索形成了紧邻碎软煤层的顶板岩层水平井开发煤层气技术,并进行了现场试验。研究结果表明:(1)顶板岩层水平井穿层压裂过程中形成的垂直裂缝能够从高应力值的顶板岩层向下延伸到低应力值的煤层中,且水平井的位置对穿层压裂效果会产生重要的影响,水平井距离煤层越近,穿层压裂裂缝延伸的效果越好;(2)水平井的位置应布置在距离煤层顶界1.5 m范围的顶板内,这样才能最大限度地满足顶板水平井的增产改造要求;(3)形成了"优质、快速、安全"钻井技术,深穿透定向射孔技术,"大排量、大规模、高前置液比、中砂比"活性水压裂技术等3项关键技术;(4)工程实践取得了较好的产气效果。结论认为,紧邻碎软煤层顶板岩层水平井开发煤层气技术可行,该研究成果为碎软煤层的煤层气开发提供了一条新的技术途径。     

压裂液对煤岩气藏渗流性能的影响

水力压裂是实现煤岩气藏工业开采的主要增产措施,但煤岩气藏压裂过程中压裂液滤失严重、返排率低,将直接影响排水采气过程中地层水以及煤层气的渗流性能。为此,选用沁水盆地上石炭统—下二叠统太原组15号煤为研究对象,开展了低伤害活性水压裂液对煤岩气藏渗流性能的损害评价实验,并结合红外光谱和扫描电镜等微观分析手段对比了压裂液作用前后的煤岩表面特征和孔隙结构特征,进而深入分析了压裂液影响煤岩气藏渗流性能的微观机理。结果表明:无论宏观裂隙煤样还是显微裂隙煤样,气体渗透率损害率均明显大于液体渗透率损害率且宏观裂隙煤样渗流性能损害程度略大于显微裂隙煤样;压裂液作用后煤岩表面游离态羟基和羧基官能团增多,亲水性增加,压裂液吸附滞留现象严重,煤岩孔径及裂缝宽度变小,从微观角度揭示了煤岩气藏渗流性能下降的原因。该研究成果可为煤岩气藏压裂液配方优化和产能预测提供基础参数。