沁水盆地南部煤储层赋存环境条件及其对渗透率的影响

煤层气赋存与产出受控于煤储层地应力、压力和地温等赋存环境条件,正确分析煤储层赋存环境条件及其对渗透率的影响是煤层气有效开发所关注的关键问题。采用沁水盆地南部煤层气井63个测试资料,系统分析了研究区煤储层地应力、压力和温度条件,揭示了煤储层应力、压力和温度随埋藏深度的变化规律,建立最小水平主应力与垂直主应力和煤储层压力之间关系模型。采用三轴渗流试验系统,开展了不同应力、压力和温度条件下煤层气渗流试验研究,揭示了不同温度、应力和压力条件下煤样渗透率变化规律及其控制机理。研究结果表明,研究区煤储层最大、最小水平主应力分别为6.62~42.06和3.30~26.40 MPa,其梯度分别为1.20~5.26和0.99~2.95 MPa/hm;煤储层压力及其梯度分别为0.99~12.63 MPa和0.23~1.18 MPa/hm;煤储层温度及其梯度为19.36~38.84℃和1.98℃/hm;且煤储层应力、压力和温度均随深度的增加呈线性增大的规律。随着有效应力的增加,煤储层渗透率不断降低,在初始加压阶段,渗透率下降幅度较大,随着有效应力的增加,下降幅度变缓。在相同的应力条件下,温度的增加使得煤样渗透率不断降低,渗透率的下降速率随温度的升高而减小。随着有效应力和温度的增加,煤储层渗透率按负指数函数规律降低。随着孔隙压力的降低,有效应力增加,煤储层渗透率不断降低。在初始降压阶段,煤储层渗透率急剧下降,随着孔隙压力的降低,渗透率下降速率逐渐变缓;当孔隙压力小于0.6 MPa后,煤储层渗透率随孔隙压力的降低而升高。在高孔隙压力条件下,渗透率随温度的升高呈负指数函数降低,在低孔隙压力条件下,煤储层渗透率随温度的升高呈线性降低。在此基础上,建立了煤储层渗透率与应力、压力和温度之间的关系模型,揭示了煤储层渗透率随应力、压力和温度应力的增加按负指数函数降低的规律和控制机理。

高煤阶煤样水力压裂前后应力−渗透率试验研究

煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术,水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样,通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析,测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征,揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明,在围压和轴压恒定条件下,煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高;当注入压力大于破裂压力时,煤样发生破裂,煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下,随着围压和轴压的增大,有效应力增高,水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小,且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果,4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大,但随围压的增大,渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小,裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%~253.25%、171.88%~383.02%和20.31%~32.43%,且水力压裂前后煤样裂缝开度均随有效应力的增高而呈负指数函数规律降低。试验结果与实测水力压裂前后煤储层渗透率对比,两者具有较好的一致性,为煤储层水力压裂改造效果评价探索了有效途径。

沁水盆地煤储层地温场条件及其低地温异常区形成机理

煤储层地温场条件是影响煤层气赋存与产出的关键因素,从目前沁水盆地煤层气井生产情况来看,煤储层地温低异常区煤层气开发井的产气效果普遍较差,因此,开展煤储层地温场条件研究,揭示低地温异常区形成机理,对于低地温区煤层气开发显得尤为重要。采用沁水盆地煤层气井地温实测数据,系统分析了沁水盆地3号煤层和15号煤层地温及其梯度和大地热流分布特征,揭示了煤储层地温分布规律,提出了煤储层地温梯度等级划分标准,圈定了沁水盆地石炭-二叠系煤储层地温梯度小于1.6℃/hm的地温低异常区,揭示了研究区煤储层地温低异常区分布及其受控机制。研究结果表明,沁水盆地恒温带温度整体呈现由西北向东南逐渐增高的趋势,恒温带深度由北向南逐渐变浅,恒温带温度为13.2~15.2℃,恒温带深度为27.4~33.1 m。沁水盆地煤储层地温及其地温梯度均随深度的增加而增高。3号煤储层温度为14.6~100.9℃,平均为30.58℃,地温梯度为0.008~3.770℃/hm,平均为1.62℃/hm;15号煤储层温度为15.3~111.8℃,平均值为33.28℃,地温梯度为0.046~5.350℃/hm,平均为1.87℃/hm;大地热流值为0.93~94.60 mW/m^(2),平均为41.5 mW/m^(2),低于我国大陆地区平均热流值(63 mW/m^(2)),反映出本区处于稳定的构造-热状态之中。根据地温梯度,圈定了研究区3号和15号煤储层地温梯度小于1.6℃/hm的地温低异常区呈条带状分布于盆地东北和东部一带,面积分别占盆地总面积25.2%和27.9%,煤层气资源量近1.0万亿m3。煤储层地温梯度随着底板标高的增加而线性降低,随着煤储层有效埋深的增加而线性增加;进一步揭示了地壳抬升剥蚀作用和地下水补给与渗流作用对研究区煤储层地温低异常区的控制机理。

不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义

煤层气的赋存和产出与煤储层孔隙系统的发育程度有关,原生结构煤层受到破坏变形后其孔隙结构特征将发生明显的变化,从而影响煤层气的吸附/解吸和扩散过程。通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层不同煤体结构样品进行低温液氮、低压二氧化碳吸附分析和等温吸附试验,分析了不同破坏强度煤的孔隙结构和吸附性变化规律;应用试验数据和数值分形模型,揭示了不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其对煤中甲烷吸附、扩散的影响。结果表明:随着煤体结构破坏强度的增大,煤的比表面积和孔隙容积均增大,50~300 nm的孔隙所占比例逐渐降低,2~50 nm的微孔和中孔以及小于2 nm的超微孔增加,超微孔为煤中主要吸附孔,孔径主要分布在0.45~0.65 nm和0.80~1.0 nm。N_(2)、CO_(2)和CH4的吸附量随煤体结构破坏程度的增大而增加,吸附性由大到小顺序为原生结构>糜棱结构>碎粒结构>碎裂结构。微孔、中孔和大孔孔隙结构分形维数表明,构造变形后的煤孔隙结构将被简单化,破坏程度较强的煤具有较粗糙的孔隙表面(对应较高的D1)和较为均质的孔径分布(对应较低的D_(2));而超微孔分形维数Dm随着煤体结构破坏强度的增加逐渐增大,且与Langmuir VL和对应的比表面积呈正相关性,说明煤表面粗糙度增大导致比表面积增大,为煤中气体吸附提供了较多的具有高吸附势的吸附点位,吸附性增强。有效扩散系数、孔容与分形维数D1呈正相关性,与D_(2)成负相关性,表明原生结构煤孔隙结构被破坏后连通性变好,孔隙容积增大,气体进出效率提升,扩散效率增大。

基于地震属性的煤层厚度预测模型及其应用

地震属性技术在岩性和构造解释等方面得到了越来越广泛的应用,特别是在煤、油气资源勘探中具有重要的作用.基于淮南矿区谢桥1区131煤层地震勘探资料,提取了28种地震属性数据;通过地震属性的分析,优选出平均峰值振幅、振幅的峰态、最大绝对振幅、瞬时频率斜率等4种地震属性作为煤层厚度预测模型基本参数,结合已知钻孔资料,利用多元多项式回归以及BP人工神经网络方法,求出了各属性与煤厚之间的多元多项式回归模型及人工神经网络模型,并对模型进行了误差分析和应用结果对比分析,反映出人工神经网络模型在煤厚预测中具有好的应用效果.

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中,其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手,研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境;在此基础上,采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性,剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响,建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明,砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关,表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低,且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大,其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。

含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响

通过试验和统计分析系统研究不同含水条件下煤系沉积岩石力学性质及其冲击倾向性,建立岩石力学性质及其冲击倾向性与含水量之间的相关关系和模型,揭示含水量对岩石力学性质及其冲击倾向性的控制机制。研究表明:岩石单轴抗压强度和弹性模量值随含水量的增加而降低;不同岩性岩石单轴抗压强度和弹性模量值受含水量的影响程度不同,降低的速率受岩性所控制。在干燥或较少含水量情况下,应力–应变曲线在峰值强度后岩石表现为脆性和剪切破坏,具有明显的应变软化特性,且随着含水量的增加,峰值强度后岩石主要为塑性破坏,应变软化特性不明显。随着含水量的增加,岩石脆性指标修正值(BIM)逐渐增加,弹性变形指数逐渐减小,岩石在受力过程中储存的弹性应变能随含水量的增加而急剧减少,而消耗的塑性永久变形能相对增加,即岩石的冲击倾向性随含水量的增加而显著降低。

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在1 000 m以浅煤储层地应力状态主要表现为σv>σhmax>σhmin,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0=0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax≥σv≥σhmin,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73～0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。

煤岩变形力学特性及其对渗透性的控制

通过煤岩力学试验研究了煤岩物理力学性质和煤岩全应力-应变过程中的渗透规律。研究结果表明:煤的力学强度相对煤层顶底板岩石具有低强度、低弹性模量和高泊松比特性,易于产生塑性变形;在全应力-应变过程中具有明显应变软化现象的煤样,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤岩体积被压缩,煤岩渗透率随应力的增大而略有降低或渗透率变化不大;在煤岩的弹性极限后,随着应力的增加,煤岩进入裂纹扩展阶段,煤岩体积应变由压缩转为膨胀,煤岩渗透率先是缓慢增加然后随着裂隙的扩展而急剧增大;在煤岩峰值强度后的应变软化阶段煤岩渗透率达到极大值,然后均急剧降低,峰后煤岩的渗透率普遍大于峰前。在全应力-应变过程中应变软化现象不明显或者具有应变硬化现象的煤样,煤岩全应力-应变过程中最大渗透率主要发生峰值前的塑性变形阶段,在煤岩峰值强度后的应变硬化阶段,随着煤岩应力的增大,煤岩渗透率减小,峰后煤岩的渗透率普遍小于峰前。

废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用

如何评价废弃煤矿采空区煤层气资源是其开发中遇到的关键问题。在对煤炭开采覆岩变形破坏规律研究的基础上,通过理论分析和数学推导,建立了废弃矿井煤层气资源量评价模型和方法,对山西晋煤集团晋圣煤矿采空区煤层气资源进行了评价。研究结果表明,煤炭开采导致采场周围岩体应力重新分布,引起煤层顶底板岩体发生变形与破坏。采空区煤层气资源主要由吸附气和游离气组成,主要来源于煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。基于采动覆岩变形破坏分带特征,根据破碎岩体孔隙率和碎胀系数关系,分别建立了采空区垮落带和断裂带内岩体孔隙体积模型。结合煤层气资源在废弃矿井中的分布特征,考虑煤炭开采采空区积水情况,建立了采空区积水量计算和含水饱和度计算模型,提出了废弃矿井煤层气资源量计算方法,对山西晋煤集团晋圣煤矿采空区煤层气资源进行了评价分析,评价结果认为,废弃煤矿采空区煤层气资源丰富,井田面积为6.5 km2,二叠系山西组3号煤层煤层气总资源量为5.871 7×108m3,其中吸附气资源5.835 3×108m3,游离气资源0.036 4×108m3,资源丰度为0.902 0×108m3/km2。

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力–应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。

含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨

基于含煤岩系主要岩石类型,系统分析了决定岩石力学性质的主要控制因素如岩性、地应力和水,探讨了不同岩性岩石在不同侧压和不同含水条件下的力学特征,分别建立了含煤岩系岩石力学性质与岩性、地应力和水等主要控制因素之间的定量关系。研究表明,含煤岩系岩性随着碎屑颗粒粒度由粗到细,即由砂岩到泥岩变化,碎屑岩的强度与刚度均迅速衰减。岩石的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关,表现为不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大,呈非线性关系,其应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化。水对岩石力学性质亦产生重要影响,在干燥或较少含水量情况下,岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏,应力-应变曲线具有明显的应变软化特性;随着含水量的增加,岩石单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低,主要表现为塑性破坏,且应变软化特性不明显。

断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响

通过对现场观测和数值模拟分析，系统研究了断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳定性的影响。研究结果表明，回采工作面顶板断裂结构面有3种典型组合类型，即“正三角形”结构、“川字形”结构和“倒三角形”结构。在工作面开采过程中，“正三角形”结构顶板稳定性差；“倒三角形”结构顶板稳定性好；而“川字形”结构顶板能形成结构平衡且稳定。由于断层使介质不连续，导致初始应力场挠动，局部产生附加应力，在断层带附近形成低压力区和高应力集中区带，比较明显的影响范围距断层面大约10-30m。当工作面推进到高应力集中区带时，工作面前方煤（岩）体中支承压力明显增大，支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移，易于发生冒顶事故和其他矿井动力地质现象；当工作面推进到低应力区带时，压力峰值降低，顶板稳定性差。

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板突水地质条件分析

煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。

不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律

采用数值模拟技术和现场矿压观测系统,研究了不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律及其显现特征。结果表明,在煤炭开采过程中,不同岩性顶板回采工作面最大支承应力存在一定差异,在强度较高的砂岩顶板岩体中,支承压力大,工作面前方支承压力峰值距工作面距离小,初次来压步距和周期来压步距大,矿压显现强烈;而在强度较低的泥岩顶板区,顶板岩体不能和砂岩骨架层一样抵抗覆岩压力,且支承压力小,支承压力的峰值向回采工作面前方岩体内部推移,初次来压步距和周期来压步距小,矿压显现不明显。

焦作矿区二_1煤储层特征评价

对焦作矿区二１煤储层特征及其主要影响因素进行了系统的分析，结果表明，本区煤层气具有含量高、煤储层压力略高于静水压力、气饱和度较高和煤吸附性能较强，但煤层的渗透性较差和储层温度较低等特征．由于煤变质及其演化、断块构造及其差异升降运动和三叠纪末抬升剥蚀以及第三、四纪局部快速沉降等因素，对煤储层特性产生了显著的影响，使本区煤储层特征分布具有明显的差异性．

煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析

从煤层气、页岩气基本概念入手,系统分析了煤层气/页岩气开发地质条件,主要包括成藏地质条件、赋存环境条件和开发工程力学条件3个方面,进一步对煤层气/页岩气开发地质条件进行了对比分析,揭示了煤层气/页岩气开发地质条件的共性和差异性。煤层气/页岩气赋存于煤层/页岩中的一种自生自储式非常规天然气,其富集成藏主要取决于"生、储、保"基本地质条件是否存在、质量好坏以及相互之间的配合关系。在一定埋藏深度范围内煤层气/页岩气都发生过解吸-扩散-运移,并普遍存在"垂向分带"现象,有机质演化程度越高解吸带深度越小,风化带越深解吸带深度越大,解吸带内煤层气/页岩气富集在一定程度上服从于常规天然气的构造控气规律;原生带内煤层气/页岩气富集却可能更多地受控于煤储层/页岩层的吸附特性。不同赋存环境条件下所形成的煤/页岩储层差异性大,使煤/页岩储层中吸附气和游离气相互转化,导致煤层气/页岩气成藏类型、规模和质量等方面的差异性。影响煤层气开发的主要地质因素有:煤层厚度及其稳定性、含气量大小或煤层气资源丰度、构造及裂隙发育与渗透性和煤层气保存条件等方面;影响页岩气开发的主要地质因素包括页岩厚度、有机质含量、热成熟度、含气量、天然裂缝发育程度和脆性矿物含量等。

煤工业分析指标与测井参数的相关性及其模型

以河南新郑矿区赵家寨井田为依托,通过试验和统计分析,建立了煤的工业分析指标与测井参数的相关关系及模型,揭示了煤质测井响应机制。研究结果表明,煤的工业分析指标与其测井参数之间存在明显的相关性,表现为:原煤水分含量与密度和视电阻率之间呈负相关关系,与自然电位和自然伽马呈正相关关系;灰分与密度和自然伽马以及自然电位呈正相关关系,与视电阻率呈负相关关系;原煤挥发分与视电阻率和密度呈负相关关系,挥发分与自然电位和自然伽马呈正相关关系。研究结果还显示,煤质指标与测井参数之间的相关性是由煤中有机质和无机质含量、性质和结构以及煤化作用等因素所决定的。分别建立了用测井曲线预测原煤工业分析指标的多元统计模型,在煤炭与煤层气勘探开发中,可以用测井曲线预测原煤工业分析指标。

不同侧压下沉积岩石变形与强度特征

基于沉积岩石类型,系统地研究了在不同侧压条件下不同岩性岩石的力学特征.研究表明,沉积岩的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关,不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大;不同岩性岩石的应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化.

煤层含气量预测的BP神经网络模型与应用

为了对煤层含气量进行定量预测,采用BP神经网络预测方法,建立了煤层含气量预测的BP神经网络模型.以沁水盆地南部主采煤层为对象,分析得出了影响沁水盆地南部煤层含气量分布的主要控制因素有煤层有效埋藏深度、煤变质程度和煤岩、煤质特征等,选择了煤层有效埋藏深度、水分与灰分以及镜质组最大反射率3参数作为BP神经网络模型的基本特征量,建立了煤层含气量与这些因素之间的相关关系和BP神经网络预测模型,对煤层含气量进行预测分析.结果表明:BP神经网络模型具有极强的非线性逼近能力,能真实反映煤层含气量与主控因素之间的非线性关系,预测结果与实测值之间误差小,相对误差小于10%,预测效果明显地优于基于朗格缪尔方程的煤层含气量预测模型.