不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

高、低煤阶煤层气富集主控因素的差异性分析

不同煤阶煤的物理化学性质存在着显著差别,这直接影响着不同煤阶煤储层的物性和煤层气的富集。结合煤层气富集控制因素,分析了包括煤层条件、构造、构造热事件和水动力条件对于不同煤阶煤层气富集控制的差异性,高煤阶煤层产气量大,吸附能力强,含气量高;构造影响着高、低煤阶煤的区域分布,构造抬升导致高煤阶煤层渗透率增大,利于煤层气的运聚或散失;构造热事件使得煤层气大量生成,并对煤储层进行改造;水文地质条件影响着不同煤阶煤层气的保存,并能促进低煤阶煤层气的生成。这些主控因素对不同煤阶煤层气富集控制的差异将影响其成藏的差异,从而导致针对不同煤阶煤层气的勘探过程需要采用不同的评价方法和开采技术。     

国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

近直立煤储层裂隙系统及优势渗流通道特征研究

为系统研究近直立煤储层裂隙系统发育特征,利用新疆库拜煤田中部近直立煤储层地表出露良好和生产矿井煤储层裂隙便于观测的有利条件,采用地表高精度构造裂隙填图和矿井煤储层裂隙观测技术,结合实验室扫描电镜和偏光显微镜观测方法,研究了近直立煤储层宏观和微观裂隙系统的发育特征。研究发现该区层面裂隙和外生裂隙延伸长、宽度大,是煤层气运移的优势渗流通道。同时分析了不同埋深条件下地应力场状态,阐明了研究区3种优势渗流通道分布特征为:(1)670 m以浅,优势渗流方向为NNW、NNE向;(2)670 m左右,优势渗流方向为近EW、NNW和NNE向;(3)670 m以深,优势渗流方向为近EW向。解释了层面裂隙、外生裂隙、内生裂隙和微裂隙的形成原因,揭示了渗流通道的形成模式,为研究区煤层气的勘探开发提供了地质依据。     

基于分形理论的煤岩裂隙网络渗透率模型

煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道,决定了煤储层的渗透性及煤层气产能,研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型,同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力,构建包含复杂弯曲裂隙特征的分形渗透率模型,将分形渗透率模型与S&D(Shi-Durucan)模型相结合,建立真三轴应力作用下的裂隙煤渗透率模型。开展真三轴应力条件下的气体渗流实验,将构建的渗透率模型与试验结果及S&D模型拟合数据对比,该渗透率模型与实验结果具有良好的一致性,能够体现出三向应力加载条件下应力对渗透率变化的影响趋势,与S&D模型相比更能反映煤岩渗透率的各向异性特征。基于该渗透率模型,定量分析了煤岩裂隙结构参数对其渗透率的影响。结果表明,煤岩渗透率与孔隙率φ(0.05～0.41)、分形维数D_f(2.37～2.81)、最大裂隙长度l₍max_{3.5～8.0 cm}、比例系数β(0.010～0.065)呈正幂律关系;与迂曲度分形维数D_Tf(2.005～2....     

中国煤储层渗透率主控因素和煤层气开发对策

我国煤储层渗透率比美国煤储层渗透率低1~2个数量级,低渗透率是制约我国煤层气勘探开发的主要因素之一,本文系统分析了我国煤储层渗透率的主控因素。研究表明,煤储层的渗透率主要受煤体结构、宏观裂隙以及割理/裂隙系统充填状况和现今地应力等因素的控制,适度构造变形产生的碎裂煤中因宏观裂隙发育导致其渗透率高于原生结构煤的渗透率,但强烈构造变形形成的碎粒煤和糜棱煤则使渗透率降低;割理/裂隙系统矿物充填和高应力不利于渗透率保存。在不同地区,控制煤储层渗透率的关键因素不同,针对性对策是煤层气开发的关键:针对复杂煤体结构,在压裂井层优选时要在煤体结构测井解释的基础上考虑避开糜棱煤;针对我国华北地区石炭—二叠系煤层割理/裂隙普遍以方解石充填为主的煤储层低渗透成因,建议探索和开发酸化压裂一体化储层增透技术;针对高应力和地应力类型在垂向上的转换,在压前搞清应力强度和类型的基础上,控制水力压裂隙高度以避免沟通煤层围岩含水层;针对煤储层的应力敏感性和高应力状态,建议采用逐级降压制度,以提高单井的累计产气量。     

山西沁水盆地中-南部煤储层渗透率物理模拟与数值模拟

通过对山西沁水盆地中南部上主煤层宏观裂隙观测,力学参数测量和应力渗透率实验,分别建立了裂隙面密度、裂隙产状、裂隙宽度与煤储层渗透率之间的预测数学模型;利用FLAC—3D软件,模拟了该区上主煤层内现代地应力状态,结合煤层气试井渗透率资料,构建了应力与渗透率之间关系预测的数学模型,并对该区上主煤层渗透率进行了全面预测。通过吸附膨胀实验,揭示了各煤类煤基质的收缩特征,构建了有效应力、煤基质收缩与渗透率之间的耦合数学模型,并对煤层气开发过程中渗透率动态变化进行了数值模拟。     

气固耦合作用下温度对煤瓦斯渗透率影响规律的实验研究

为得到温度对煤瓦斯渗透率的影响规律, 在实验室通过改装三轴渗透仪, 进行了不同温度条件下煤瓦斯的渗透率测定实验。实验结果表明, 在不同温度下, 渗透率随有效应力的减小均呈二次抛物线趋势, 即渗透率先减小后增大。在卸载初期, 温度较低时煤瓦斯渗透率下降梯度比高温时大, 渗透率值较高; 卸载后期, 较高温度时煤瓦斯渗透率上升梯度比低温时大, 渗透率值大。由实验可知, 煤层气开采过程中, 对于不同温度, 煤瓦斯渗透率的变化关系均具有典型煤层气开采的三阶段主导作用特征。有效应力、气体吸热和煤固体受热是影响煤体渗透率的重要因素。在卸载初期, 煤固体受热膨胀及有效应力对渗透率起主导作用, 卸载中后期, 气体滑脱和气体吸热对渗透率起主导作用。实验分析后认为, 开采煤层气时采用先压裂后注热的方式将有助于提高煤层气的产量。      

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO₂或N₂泡沫压裂方式进行储层改造。      

煤层气钻井固相物污染特征及评价

钻井液配方和密度是储层污染和评价的关键参数。通过对寺河矿区煤层气井的开挖解剖,观测了煤储层中钻井固相残留物的污染特征,并建立了钻井液密度与固相侵入深度的关系。研究结果认为煤储层大裂隙系统,尤其是外生裂隙系统是钻井液固相运移通道和储存空间,煤层气井的钻井液污染范围达几米;钻井液密度越高,煤储层裂隙中泥饼厚度越大,滤液侵入深度相对减小。并以此为依据预测了新疆白杨河矿区煤层气钻井污染范围,新疆煤储层由于煤体结构破碎和采用顺煤层钻井工艺,钻井液滞留时间长,钻井固相物污染会相对严重。      

下保护层开采上覆煤层产气机理及规律

通过理论研究分析了采动区煤层裂隙特征、煤层气赋存特征和煤层气运移特征,揭示了煤矿采动影响下上覆被保护煤层产气机理。分析认为采动区煤层产气机理与常规煤层气产气机理不同,一是采动区煤层基质孔隙大、内部裂隙多、离层裂隙发育。二是采动区煤层气解吸快、解吸量大、水中溶解气少。三是采动区煤层气运移以气体单向流为主,评价渗透性指标为透气性系数。在收集大量采动区煤层气井产气数据的基础上,研究了产气机理对产气规律的影响。采动区煤层气井产气规律与常规煤层气井相比,具有产量提升快、产气峰值高的特点,整体呈现先迅速增大后逐渐减小趋于平稳的规律。结合采动区煤层产气机理研究,分析认为气产量提升速度快是由于煤层裂隙迅速增多且气体在裂隙中以气相单相流运移为主,产气峰值高是由于储层压力快速下降使煤层气加速解吸,短时间内在井筒附近聚集大量游离气。     

河北省煤层气资源及其勘探开发建议

河北省煤层气资源分布总体呈现南高北低、东高西低的趋势,煤层气集中在邯峰矿区-开平煤田的NE向带状区域。通过对省内4个重点区及5个一般地区煤层资源评价,底板标高-2000m以浅的煤层气资源总量为6046．32亿m^3,可采资源量为2523亿m^3,主要分布在底板标高为-1500m～-2000m的煤层中。根据煤层气资源和煤储层物性特征,认为峰峰矿区是河北省煤层气勘查开发的有利地区。在大淑村、小屯矿等无烟煤、贫煤发育区,可实施短半径水平分支井;在煤层气富集、渗透率适当的中煤级煤地区,可以实施垂直井或井组;在高瓦斯的煤矿开拓区,可以采用三维立体的煤层气（瓦斯）抽采模式。     

沁南地区高煤阶煤储层流速敏感性及影响因素

流速敏感性评价实验结果是确定煤层气藏合理排采速度的重要依据,对煤层气开发具有重要意义。高煤阶煤储层的低孔低渗特征使煤储层速敏性评价不能仿照常规储层的液体实验方法,为此提出利用氮气评价高煤阶煤储层流速敏感性的新方法,并对沁南地区高煤阶样品进行测试。结果表明:沁南地区高煤阶煤储层速敏损害程度相对较弱,主要损害程度为无敏感、弱敏感和中等偏弱3种;高煤阶煤储层原始渗透率是控制煤储层速敏损害率的主控因素,煤储层渗透率越大,速敏损害率越高;煤岩中黏土矿物含量对煤储层速敏损害率的影响相对有限,速敏损害率主要与黏土矿物赋存方式有关,当黏土矿物主要赋存于裂隙中时,煤储层速敏损害率相对较大。      

澳洲Bowen-Surat盆地煤层气富集规律及主控因素

澳大利亚是世界第四大煤炭生产国和世界上最大的煤炭输出国。2000年后,澳大利亚煤层气产业快速发展。Bowen-Surat盆地是澳大利亚最大的煤层气盆地。应用石油地质综合分析方法,总结了Bowen-Surat盆地的石油地质特征,进而分析了该盆地煤层气富集规律:平面上,煤层气富集在Taroom槽和Chinchilla-Goondiwindi斜坡中;剖面上,煤层气富集在二叠系Blackwater群和侏罗系Walloon组煤层中。针对煤层气藏在平面和剖面上的分布特点,结合沉积体系、气源岩、煤阶、孔隙度和渗透率等因素进行相关性分析,认为有8个因素主要控制了煤层气藏的分布,即:沉积控类型,气源控范围,煤阶、埋深和孔渗控含量,构造封闭控层位。      

煤层气钻井中煤储层的保护措施

煤层作为煤层气的生成层和储集层,在储层特征和储存方式等方面与常规油气储层具有不同的特点,决定了煤层气钻井、完井、储层保护及压裂等技术的特殊性。在钻井中,选用欠平衡钻井技术、空气潜孔锤钻井技术;使用低密度、低粘度、低失水量、中性pH值及低（无）固相含量的钻井液;采用低密度、低上返的固井技术。这不仅对煤储层具有一定的适应性,也保护了煤储层的渗透性。     

高煤级煤的煤层气开发潜力——以沁水煤田为例

通过分析研究山西省沁水煤田的煤层气地质条件和储层特征,结合煤层气开发试验结果,对无烟煤等高煤级煤的煤层气资源开发潜力进行了评价。结果表明:无烟煤等高煤级煤只要煤储层特征参数组合匹配良好,尤其是在较简单的构造条件下,煤体结构完整,煤中裂隙网络较发育且保存较好,煤储层渗透率较高,煤层气资源开发就具有良好的前景。      

湘中下石炭统测水组煤层气储层特性研究

从煤岩煤质、含气性、吸附特征、裂隙发育及渗透性等方面对湘中下石炭统测水组煤层气储层(煤储层)特性进行论述。研究表明煤储层为明显的富镜质组煤,随温度、压力的增加吸附量增大。区内煤层最大含气量为41.91m3/t,以新化芦毛江至金竹山一带为中心,包括芦毛江、冷水江、渣渡、金竹山等矿区,高富集区基本呈东西向展布。但受煤阶的影响,煤层内生裂隙发育程度明显低于龙潭组煤层,同时由于煤层煤体结构连通性差以及多起构造运动形成细小的煤粉常充填于构造裂隙中,降低了煤层的渗透性。针对上述煤储层特点,指出加强对具有上封下开裂隙系统以及原生结构煤和碎裂煤整层发育地区的煤层气勘探尤为重要。     

巨厚低阶煤煤层气储层关键成藏地质要素及评价方法——以二连盆地巴彦花凹陷为例

为了建立巨厚低阶煤煤层气资源评价方法，以二连盆地巴彦花凹陷为研究对象，通过研究煤层气成因、煤层埋深、煤层厚度、煤储层物性、含气性、水文地质和盖层等，总结了巨厚低阶煤煤储层的关键成藏地质要素，并进一步建立了新的低阶煤煤层气资源潜力评价方法，圈定了巴彦花凹陷煤层气勘探开发有利区和目标区。结果表明:巴彦花凹陷主要含煤地层为下白垩统腾格尔组（K₁t），以褐煤和长焰煤为主，显微组分以镜质组为主，煤层气的形成是生物成因为主、混合成因为辅的成烃模式，生物成因气占主导地位；研究区共发育3个煤组，煤储层厚度大，发育面积广，埋深适中，保存条件好，含气量较高，空气干燥基含气量最高可达4.45 m3/t，1、2煤组有利于形成煤层气藏，3煤组有利于形成煤系砂岩气藏。根据建立的资源潜力评价方法，煤层气勘探开发的最优目标区位于巴彦花凹陷北部。      

基于NMR和X-CT的不同煤阶煤储层物性定量表征

随着煤层气田开发程度逐渐深入,煤储层物性定量表征与评价对煤层气规模开发愈发重要。为解决常规煤储层物性表征技术存在的尺度局限性,采用了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance Technology,NMR)和X-CT(Computed Tomography,X-CT)扫描等技术,实现了煤储层孔裂隙的跨尺度、原位态及完整性表征,为准确获取煤储层孔裂隙等物性参数提供新途径。研究依托神府区块中低阶煤和柿庄南区块高阶煤样品,开展核磁共振和CT扫描实验,快速、准确、定量地获得了煤储层孔隙类型、孔径分布、孔隙连通性、有效孔隙度和孔裂隙空间配置等煤储层物性参数,形成了一套可应用于不同煤阶煤储层物性定量表征的分析技术。