煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52,气煤样依次为1.00、0. 64、0.50、0.54和0.55,无烟煤样依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

煤基质膨胀收缩对储层渗透率影响的新数学模型

煤层渗透率变化受多种因素制约,其中有效应力和煤吸附–解吸过程中煤基质的膨胀/收缩是两个主要因素。基于这两方面影响因素,采用体积不变原理和MATCHSTICK模型,提出新的预测渗透率变化的模型,有效回避了经典模型中使用不确定参数引起的渗透率模拟误差问题。研究结果表明,渗透率随煤层压力的变化存在3种理论模型,煤层气排采过程中,应尽可能使得渗透率变化曲线呈现下降缓慢、抬升稳定快速且增幅较大的趋势。最后,通过与经典的Palmer-Mansoori模型和Shi-Durucan模型的模拟对比,并利用现场实测数据进行验证,证明了本文推导模型的正确性和实用性。     

高煤级煤基质力学效应与煤储层渗透率耦合关系分析

基于吸附膨胀物理模拟实验，揭示了瘦煤至无烟煤阶段煤基质的自调节特征，分别探讨了煤层气排采过程煤基质收缩和有效应力变化对煤储层渗透率的影响，构建了有效应力、煤基质收缩与煤储层渗透率之间耦合的数学模型，揭示出高煤级煤储层渗透率在煤层气排采过程中的递减变化规律，并讨论了这一发现的地质意义。     

考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析

在煤层气的初级生产过程中,为了获取较高的生产率,需要降低储层压力,储层压力下降对于煤层气的渗透率具有两个相反的效应：（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。Shi和Durucan、Palmer-Mansoori以及Gray等都建立了包含了基质收缩效应以及有效应力的影响的渗透率模型,其模型都基于以下两个关键假设：煤岩体处于单轴应变状态以及竖向应力恒定。为了检验上述两个假设的合理性,建立了一个考虑基质收缩效应以及渗流场-应力场耦合作用下的煤层气流动模型,对煤层气初级生产过程中渗透率的变化进行了耦合分析。分析结果表明：单轴应变的假设具有合理性,而竖向应力是随指向生产井的应变梯度的变化而变化的,其对于渗透率的变化具有重要影响,因此,竖向应力恒定的假设可能导致渗透率预测出现误差;上述渗透率模型都可能低估煤层气初级生产过程中渗透率的变化。     

有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。     

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。      

有效应力对保德区块煤储层渗透率影响研究

通过有效应力单因素影响保德区块煤岩气体渗流实验,分析了煤岩渗透率应力敏感性以及割理压缩系数变化特征.结果表明:保德区块煤储层渗透率与有效应力呈负指数函数关系;煤层埋深越深,煤岩渗透率变化幅度越小,渗透率应力敏感性下降。渗透率损害系数的线性函数拟合相关系数较低,应力敏感系数的负指数函数拟合相关系数较高,应力敏感系数比渗透率损害系数更具规律性。在高有效应力阶段,煤岩割理压缩系数更趋近于常数,低有效应力阶段,割理压缩系数应视为变量。     

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。     

有效应力强度指标与总应力强度指标的关系

由总应力强度指标计算的 ,并不是试样破坏时的真实破裂角,而仅是一个假想的破裂角,与之对应的平面是一个假想的剪切破坏面。试验结果表明,试样破坏时的真实破裂角,是用有效应力强度指标 计算的 。分析论证了在关于土的抗剪强度计算的相关公式中,有效应力强度指标与总应力强度指标不可混用,且公式中有效应力强度指标应与有效应力相对应、总应力强度指标应与总应力相对应。     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面：CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。     

考虑滑脱效应的低阶煤动态渗透率预测新模型

为准确预测低阶煤动态渗透率变化规律,在煤岩立方体模型基础上,考虑基质孔隙和滑脱效应对渗透率的影响,建立低阶煤动态渗透率预测新模型,并对影响绝对渗透率和滑脱系数的因素进行敏感性分析,讨论了甲烷和氮气对基质收缩与滑脱效应的影响。研究表明：基于“火柴棍”假设建立的模型是新模型不考虑基质孔隙时的一个特例,P-M、S-D模型与新模型相比基质收缩作用更加明显,考虑基质收缩与滑脱效应的新模型更具实用性。气体郎格缪尔应变是影响基质收缩的关键,煤岩绝对渗透率能否反弹是割理压缩、基质孔隙膨胀、基质弹性形变和基质收缩4个因素共同作用的结果。相同条件下,甲烷的基质收缩强于氮气,氮气的滑脱效应强于甲烷,影响滑脱系数的因素包括内因和外因,滑脱系数与割理宽度随孔隙压力变化时呈现相反规律。滑脱效应和基质收缩效应共同提升气测渗透率,煤岩孔隙压力越低,二者对渗透率的提升作用越明显。     

煤基质收缩能力内在控制因素的试验研究

基于煤基质收缩实验和三轴压缩实验,对煤基质收缩的内在控制因素进行了探讨,发现煤基质收缩量显著受控制于其本身所固有的力学性能,与其力学参数呈现负指数关系,并对这一内在机理进行了剖析。     

应力对煤岩裂缝宽度及渗透率的影响

煤层气的开发实践表明,煤岩裂缝和渗透率是制约我国煤层气资源开发成败的关键因素之一。以室内实验为手段,系统研究了有效应力改变条件下煤岩裂缝宽度和渗透率的变化规律。结果表明:煤岩裂缝宽度和渗透率都随有效应力的增大而减小;当有效应力达到8 MPa后,裂缝宽度变化相对缓慢,渗透率变化也很微弱。由此可见,煤岩裂缝和渗透率对应力的变化非常敏感。     

温度和有效应力对砂岩渗透性影响的试验研究

为探讨温度和有效应力对渗透性的影响,在不同温度水平和不同有效应力水平下进行了砂岩的渗透率试验。根据试验结果,初步分析了温度和有效应力对砂岩渗透率及其水力传导系数的影响。试验结果表明,砂岩的渗透率及其水力传导系数都是温度和有效应力的函数:在温度一定的条件下,砂岩的渗透率和水力传导系数均随有效应力的增加而呈负指数规律减小;在有效应力一定的条件下,砂岩的渗透率随温度的升高而减小,但水力传导系数与温度之间的关系函数并非单调函数。因此,在工程实践中不考虑温度和有效应力对岩石 (体)渗透性的影响是不合适的。     

煤样三维渗透率应力敏感性试验研究

目前国内三维渗透率测试研究处于起步阶段,利用自主研发的煤样三维渗透率测试仪,可以模拟实现真实三向应力状态下流体通过立方体煤样孔隙的三维渗流,并进行真实三向应力条件下煤样渗透率应力敏感性试验研究。试验结果表明,真实三向应力作用下煤样水平最大主应力对煤样水平方向渗透性的影响程度大于水平最小主应力;煤样三维渗透率对三向应力的敏感程度不同,对垂直应力的敏感性最强,水平最大主应力次之,水平最小主应力最小。