基于拓扑图论的煤岩裂隙网络分形渗透率模型

错综复杂的裂隙网络为煤层气渗流提供了主要通道,其结构特征显著影响着煤层气产能。针对现有煤层气渗流模型未考虑裂隙网络连通性这一不足,基于拓扑图论分析了煤岩裂隙网络的连通性,推导了裂隙分支长度的幂律关系表达式。结合分形几何,在经典立方定律的基础上构建了考虑裂隙网络结构特征的渗透率模型,模型表明裂隙网络渗透率是分形维数、裂隙率、迂曲度分形维数、比例系数、连通性、最大裂隙分支长度、方位角、倾角以及特征长度的函数。开展了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗流试验,分析了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率演化规律;试验结果表明:随着主应力σ_(1)、σ_(2)和σ_(3)的升高,煤岩中的裂隙逐渐被压缩,气体的渗流通道变窄,裂隙网络渗透率随着主应力σ_(1)、σ_(2)和σ_(3)的升高均呈现出了负指数降低的趋势。从试验规律和结果出发,将构建的煤岩裂隙网络分形渗透率模型和S&D模型(Shi-Durucan)相结合,建立了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率计算模型,并通过试验数据验证了模型的有效性,获得的渗透率变化趋势与加载3个主应力的过程相吻合,能够体现出三向应力的变化对渗透率的影响趋势,相比S&D模型更能反映煤岩裂隙网络渗透率的各向异性特征。

煤层气水平井扇形洞穴完井应力—渗透率演化机理

我国煤层渗透率低且地质条件复杂,采用常规油气储层改造的开发方式难度大、技术适应性差。近年来,基于应力释放的煤层气改造新方法“煤层气水平井水力喷射造穴”很好地解决了这一技术瓶颈问题,但是造穴卸压—增渗的作用机制及其主控地质因素尚不明晰。为此,考虑了煤岩层理和天然裂隙的影响,采用有限元—离散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method,FDEM)建立了煤层气水平井扇形洞穴完井数值模型,探究了造穴后岩体的应力演化历程和储层的卸压—增渗机制,并对比分析了不同储层参数(孔隙压缩系数、储层强度、弱面强度和地应力场)对应力释放的影响规律。研究结果表明:(1)围岩演化过程为造穴后岩体收缩,储层发生应力重构,围岩强度逐渐降低,岩体内部发生新生裂隙萌生和原生裂隙扩展,形成开挖损伤区和应力释放区;(2)参数敏感性分析表明孔隙压缩系数是决定造穴完井储层适应性的关键,弱面强度、储层强度和地应力场分布决定了围岩的应力演化模式和裂缝扩展形态;(3)造穴卸压后储层增渗机制为穴周裂缝提升导流能力,储层应力释放提升基质渗透率。结论认为,模型首次综合考虑了地层特点、造穴过程和煤岩裂隙的影响,研究结果揭示了煤层造穴后的应力演化过程及其卸压、增渗作用机制,深化了对煤层气水平井洞穴完井增产机理的认识,对我国煤层储层改造具有重要的工程参考价值。

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。

煤基质收缩对裂隙渗透率影响的新数学模型

煤基质收缩使储层裂隙孔隙度和渗透率发生很大变化,目前的研究方法普遍存在测量费用昂贵和计算误差大的问题。文章基于固体变形理论与固体表面能理论,建立了一个新的煤基质收缩变形对煤裂隙渗透率和孔隙度影响的数学模型,消除了直接用煤体收缩系数来计算煤裂隙孔隙度和渗透率所引起的误差。研究结果表明,煤基质收缩引起裂隙渗透率变化经历了一个先降低后升高的趋势;裂隙的渗透率增大与储层压力的降低呈对数变化关系;煤层气中Langmuir体积大的气体所占的相对密度越大,解吸后煤储层裂隙的孔隙度和渗透率的变化越大。最后,通过实例计算分析对比,模型能准确合理地反映煤基质收缩变形对煤裂隙渗透率和孔隙度变化的影响。

运用高斯曲率法预测煤层天然裂隙发育区

论述了高斯曲率法预测煤层天然裂隙发育区的基本原理和方法.计算了沁水盆地3号煤层的高斯曲率.在分析高斯曲率与试井渗透率、煤层宏观裂隙的对应关系的基础上,提出了高斯曲率法的裂隙发育区分类标准.依据该标准将3号煤层天然裂隙划分为4级发育区,进而预测出3号煤层渗透率的分布概况.分析表明,高斯曲率法可相对真实地反映煤层曲面形态变化,用该方法预测煤层天然裂隙发育区是切实可行的.

沁南东区块3^#煤层构造煤发育对渗透率的影响

以沁南东区块3#煤层为研究对象,基于煤层气井钻井取心描述结果,获得构造煤垂向与平面分布特征,阐述了构造煤发育特征对煤层渗透率的影响。结果表明:平面上,构造煤主要沿断层发育,距离断层越近构造煤发育程度越高,原生结构煤主要发育于两断层条带之间距离断层相对较远的区域;垂向上,碎粒结构煤和糜棱煤靠近煤层直接顶底板发育,而碎裂结构煤多位于煤层中部。沁南东区块3#煤层西北部、中部和南部渗透率明显较高,并向西南、东南和东北方向递减。原生结构煤和碎裂结构煤共同影响了3~#煤层渗透率,二者处于弹性、弹塑性应变阶段,割理、裂隙的发育程度较高,有利于提高煤层渗透率。

铁法矿区煤储层裂隙系统评价与渗透率预测研究

通过对铁法矿区矿井实际资料的研究,依据围岩节理及煤层裂隙的宏观、微观统计分析,探讨了煤储层孔裂隙的发育特征,对该区储层渗透率进行了预测。认为区内褶曲发育,褶皱轴部地带为裂隙发育带,煤层裂隙发育,连通性好,具备储层渗透性好的优势;受区域构造应力场控制,裂隙发育表现出明显的方向性,主裂隙发育的NW方向为渗透性优势方位。

基质-裂隙相互作用对渗透率演化的影响:考虑基质变形和应力修正

研究煤储层的渗透率对于合理开采煤层气等能源的适用性和可行性都有指导意义。目前,大量的渗透率模型是基于弹性应变和吸附应变建立。然而,这些模型在考虑这两种应变时常把基质当作刚性体,并认为吸附变形完全由裂隙开度调节。在预测渗透率时不仅忽略了基质变形,还高估了吸附膨胀的影响。为此,提出了一个新的渗透率模型来预测不同边界条件下的储层渗透率。该模型提出内部膨胀系数f来修正基质吸附对裂隙开度及外部应力的影响,且考虑了有效应力对裂隙和基质的变形行为。为比较基质变形和应力修正对渗透率的影响,对比不考虑应力修正的模型和不考虑基质本身变形的模型,用现场数据和实验室数据对不同边界条件下3种渗透率模型进行验证。结果表明:应力修正在单轴应变条件时对渗透率演化的影响更加显著,且不考虑应力修正和基质本身变形的模型所得的内部膨胀系数f较大。最后,进一步将新模型和4种经典模型进行比较,再次说明了新模型的优越性。

柿庄地区15号煤层低渗透率影响因素分析

为了探讨沁水盆地南部柿庄地区15号煤层低渗透率的原因,以柿庄地区15号与3号煤层2层主采煤层的钻井和煤矿样品为研究对象,采用低温液氮、压汞测试、扫描电镜、显微镜观察、X射线衍射、全硫及形态硫分析等方法,并结合对钻井数据的分析,对控制15号煤渗透率的孔隙结构特征、孔隙-裂隙发育特征和煤中矿物发育特征等煤体因素和沉积环境、埋深等煤层赋存条件进行了对比研究。结果表明:15号煤层具有孔隙结构较差、裂隙-孔隙充填严重、煤中矿物较发育、灰分高,垂直应力较大等特征,以上特征是导致15号煤层渗透率较低的主要原因。

基质-裂隙相互作用对煤渗透率的影响:考虑煤的软化

瞬态渗透率是提高煤层气产量的重要依据。为了得到基质-裂隙压力相互作用出现煤的软化行为对渗透率演化的影响。基于理论分析建立含模量软化系数的双重孔隙介质渗透率模型,并基于脉冲瞬态试验与COMSOL有限元数值模拟软件进行渗透率模型的验证。结果表明:根据曲线变化特征,将应变分为初始,快速增长和平衡阶段。在快速增长阶段,注气压力从1 MPa增大到3 MPa应变曲线的斜率分别为83.77,270.54,440.92 m/s。模量软化系数是应变的函数,其值也增大;其次,通过提出张开型和闭合型裂隙几何概念模型,得到含模量软化系数的双孔渗透率模型;最后,试验数据与改进的渗透率模型结果一致,证明模量软化系数主导了渗透率的动态演化。与试验方法相比,数值模拟方法能够监测煤基质的压力,基质与裂隙之间气体压力的变化揭示了煤渗透率演化机理。

煤层气储层渗透性研究进展

煤储层渗透性是制约煤层气勘探选区的重要参数,影响渗透率差异分布的因素有很多,从裂隙系统的发育、煤储层有效应力、煤层构造演化、煤岩变质程度几个方面阐述了它们与高渗区空间分布的关系及其研究进展。对其研究技术、手段、主要认识及存在的问题等进行了系统的总结。对有效预测煤储层渗透性、发展渗透性描述理论、寻找有利勘探区带具有重要意义。

煤的裂隙与煤层气储层评价

煤中的裂隙是煤层气储层评价的重要内容之一，直接影响到煤的渗透率，是进行煤层气勘探开发设计的基本依据。根据裂隙的形态和成因可将其分为：内生裂隙、外生裂隙和继承裂隙三类。同时对裂隙的野外观测和室内研究方法和内容进行了综述。借鉴瓦斯地质学对煤体结构的分类，探讨了裂隙类型与煤体结构类型之间的关系。阐明了利用裂隙类型和煤体结构进行煤层气储层评价和有利区块选择的原则。

煤层裂隙发育方向对瓦斯抽采效果影响的实验研究与应用

为了提高保德煤矿瓦斯抽采效率,实现高效抽采的目标,分析了保德煤矿8#煤层裂隙发育主方向及其与构造应力的关系,测试获得了沿主裂隙不同角度时煤样渗透率的变化规律。结果表明,8#煤层微观裂隙发育的主方向为与工作面呈23°左右的夹角。当煤样取样角度与裂隙发育方向平行时,煤体的渗透率最大;与裂隙发育方向垂直时,煤体的渗透率最小,随夹角的增大,煤体的渗透率逐渐减小。为验证实验结论,在现场施工了与裂隙发育方向分别呈30°、45°、60°、90°的四组抽采钻孔,结果表明当夹角为90°时,钻孔抽采瓦斯的浓度和纯流量最大,夹角为30°的时候最小。这表明井下施工抽采钻孔时,应充分考虑煤层微观裂隙的发育方向。

华北地区煤层渗透性及主要地质控制因素

以华北地区柳林和安阳试验区为例，综合多种统计数据和测试成果，对煤层的渗透性及主要地质控制因素进行深入研究和探讨。研究表明，控制煤层渗透性的主要地质因素为割理的发育程度，其次为有效地应力、外生裂隙和煤体结构等。而煤的变质程度及镜质组含量又制约着割理的发育。

基于裂隙网络图像的煤层气流动特性研究

煤体内发育的自然裂隙网络是气体运移的主要通道,裂隙网络的几何特征对煤层气流动特性的影响具有重要影响;采用Monte Carlo法生成随机裂隙网络图像,然后将二值化后的裂隙网络图像导入COMSOL中,通过图像函数功能将其转化为计算域;建立了煤层瓦斯流动的数值模型,分析了不同裂隙结构对煤层渗透率的影响。模拟结果表明:煤层渗透率随着裂隙长度、密度以及开度的增加而增大,随裂隙倾角的减小而增大;相比于裂隙长度和密度,裂隙开度对渗透率的影响最为显著。

阳泉寺家庄矿煤储层孔裂隙系统及渗透性特征

通过对阳泉煤田南部临近寺家庄煤矿进行观测,并进行室内压汞试验,系统解剖阳泉寺家庄等多个矿的3、8、9和15号煤储层大裂隙发育特征与孔隙结构特征。结果表明,该区煤层大裂隙发育,有利于煤层的渗透;煤层气解吸与渗流的关键是微裂隙和植物细胞残留大孔隙;渗透率高值区位于南峪、白羊岭一带的深部,马鞍山和上马郡头一带的渗透率较低。

沁水煤层气田煤层气成藏条件分析

煤层气成藏的因素比较多 ,对不同地区成藏主控因素进行分析 ,才能对煤层气富集区及选区进行合理的预测。分析沁水煤层气田烃源、储层、保存等情况 ,认为该区煤层热演化程度高 ,生烃潜力大 ,煤层含气量高 ,含气饱和度大 ;煤层割理发育 ,孔隙裂隙连通性好 ,煤层渗透率大于 0 .5 0× 10 -3 μm2 ,能够满足煤层气开采的需要 ;煤层顶底板岩性致密 ,突破压力高 ,气田位于地下水交替滞缓区或滞流区 ,同时根据δ13 C1分析表明煤层气藏具有原生特点 ,煤层气保存条件好 。

煤层气富集高产的主控因素

对煤岩的生储气能力、煤储层渗透率、煤层气保存条件等影响煤层气高产富集的主控因素进行了分析。煤岩组分和煤变质程度是影响煤层生储气能力的主控因素。煤层的储气能力与温度、压力、灰分及水分含量等亦有关。煤层的渗透率取决于煤层本身的裂隙系统 ,而裂隙的发育程度又与煤变质程度及构造活动的强弱相关。煤层气的保存则取决于顶底板的封盖能力、构造活动、水动力环境等条件。煤层气成藏条件是煤层气基础地质研究中的核心问题 ,应加强研究。

沁水盆地南部3号与15号煤层产气量差异因素

利用扫描电镜、压汞试验资料对沁水盆地南部3号和15号煤的孔-裂隙充填特征、孔隙结构类型进行分析。在此基础上,结合88口井的排采数据,对比了两煤层的生产特征,并探讨了3号和15号煤层产气量悬殊的原因。研究表明导致15号煤层产量低的原因有:15号煤层孔隙、裂隙充填较3号煤层严重,充填物质以方解石为主,次为黄铁矿、黏土矿物,造成15号煤层渗透率明显低于3号煤层;与3号煤层相比,15号煤层大孔隙含量低且孔隙连通性差,孔径分布不利于煤层气的渗流;15号煤层埋深较3号煤层层大,厚度小于3号煤层。

煤层气井生产特征及影响因素

煤层气是一种压力封闭型气藏 ,其生产特征不同于常规天然气。美国多年煤层气井开采证实 ,煤层气井的生产分为三个阶段 :早期阶段、过渡阶段和晚期阶段。文章结合我国煤层气井生产实践 ,指出国内大多数煤层气井的生产还处于早期阶段 ,并进一步将早期阶段详细分为压裂效应期和正常生产期 ;同时对影响生产特征的因素进行了分析 ,指出了增产措施—压裂造成了早期阶段的压裂效应 ,较大的裂缝长度和较高的渗透率有利于提高采收率 ,高地层压力有利于排水降压 。