裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验

煤粉在煤储层裂隙中沉积会降低裂隙导流能力,制约煤层气井高效稳产开发。设计了裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验方案,通过裂隙中煤粉运移可视化物理模拟实验,分析了裂隙不同位置煤粉颗粒沉积面积的变化和沉积形态特征,揭示了煤粉运移、沉积的动态规律;通过裂隙中煤粉解堵可视化物理模拟实验,分析了解堵时间和流速对裂隙中沉积煤粉解堵面积的影响,揭示了煤粉启动、解堵的动态规律。实验结果表明:煤粉颗粒在裂隙不同方向和位置聚集状态不同,裂隙喉道由入口向垂直主运移方向的两端及主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐减少,支路通道沿主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐增加。裂隙喉道、支路通道和主路通道处煤粉沉积的形态分别呈鹰嘴状、层状和流线型,其原因是裂隙不同位置对含煤粉流体的阻力不同,导致煤粉在不同位置的沉积形态不同。在相同流速下,随解堵时间增长,煤粉解堵效果越好,但前期解堵面积大,后期解堵面积小,裂隙喉道处煤粉解堵效果明显优于支路通道,其原因是松散、易于解堵的煤粉颗粒会被首先解堵,随时间进行,剩余未被解堵的煤粉颗粒需要更大的启动流速。流速越大,裂隙喉道处和支路通道处的煤粉解堵面积越大,其原因是提升流速能增强煤粉颗粒的流动性。

压裂液矿化度对支撑裂缝及裂隙内煤粉运移的影响

在煤层气井水力压裂阶段,支撑裂缝内煤粉沉积以及裂隙内煤粉运移,将导致支撑裂缝和裂隙渗透率降低,影响水力压裂改造效果以及后续的煤层气井排采效果。为有效疏通支撑裂缝并避免裂隙堵塞,从优化压裂液矿化度的视角,提出了水力压裂阶段支撑裂缝及裂隙内煤粉防控新方法。基于石英砂充填柱和无烟煤样,分别开展了矿化度逐级递减条件下支撑裂缝及裂隙内煤粉运移实验,分析了煤粉运移对矿化度变化的响应特征;采用扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论对煤粉运移进行了模拟,揭示了矿化度对煤粉运移的影响机制;并在此基础上,探究了兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的最优矿化度范围。研究结果表明:支撑裂缝及裂隙内煤粉运移均存在临界矿化度现象,当矿化度低于临界矿化度时,支撑裂缝渗透率急剧增大,裂隙渗透率骤然降低,并伴有大量的煤粉产出;支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度高于裂隙内煤粉运移临界矿化度,支撑剂表面电负性强于裂隙,而其疏水性弱于裂隙,是导致支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度偏高的主要原因;随矿化度的逐级降低,煤粉与通道间的双电层斥力不断增大,当矿化度降至临界矿化度时,双电层斥力开始大于Lifshitz-van der Waals引力和Lewis酸碱引力之和,诱发煤粉运移;理论模型预测的支撑裂缝及裂隙内煤粉运移临界矿化度均与实验结果一致,证实了模型的可靠性。在水力压裂阶段,可将压裂液矿化度设计在支撑裂缝与裂隙内煤粉运移临界矿化度之间,从而促使支撑裂缝内煤粉产出,并抑制裂隙内煤粉运移,达到兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的目的。

水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移的影响

煤粉问题制约我国煤层气的高效开发。选用韩城矿区山西组3号煤层煤岩样品,开展不同水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移影响的物理模拟试验,分析裂缝导流系统渗透率及煤粉产出质量浓度变化,探究不同水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移的影响。试验结果表明:Na_(2)SO_(4)溶液驱替条件下,煤粉产出质量浓度随矿化度的增加而降低,高矿化度条件下,煤粉聚集沉降性强,堵塞裂缝通道。NaHCO_(3)溶液驱替条件下,煤粉产出质量浓度随矿化度的增加而增大,伴随矿化度的增加,水解产生OH-增加煤粉颗粒表面负电荷,增强煤粉间排斥力,缓解煤粉聚集效果,产出部分煤粉颗粒。6000 mg/L Na_(2)SO_(4)和NaHCO_(3)溶液驱替条件下流体具有更多的展布空间,渗透率最高。MgCl_(2)溶液驱替条件下,煤粉产出质量浓度随矿化度的增加而增大,高矿化度增强煤粉间相互作用,试验样内部相对平衡被打破,煤粉产出量增大,试验样内部煤粉堵塞程度大致相同,渗透率数值变化不大。在相同矿化度(10000 mg/L)条件下,不同水化学类型溶液驱替条件下煤粉产出质量浓度为:NaHCO_(3)>Na_(2)SO_(4)>MgCl_(2),试验样平均渗透率为:MgCl_(2)>NaHCO_(3)>Na_(2)SO_(4),煤粉聚集的程度,在一定程度上影响煤粉产出,Na_(2)SO_(4)和NaHCO_(3)团聚作用低于MgCl_(2),部分煤粉运移,试验样末端堵塞程度高于MgCl_(2)溶液,NaHCO_(3)水解产生OH-,煤粉处于碱性环境中,改善试验样堵塞情况,提高渗透率。根据模拟试验中渗透率波动的上升状态、下降状态和轻微波动状态3个趋势,结合实测渗透率,统计渗透率变化趋势时间段,分析煤粉产出质量浓度与煤样渗透率之间的关系,回归模型的R^(2)=0.834,说明煤粉运移影响渗透率的波动。

煤层气井排采过程中煤粉运移规律研究

研究煤粉运移规律并以此制定减少煤粉产出的措施是保证煤层气井高产、稳产的关键。基于煤粉颗粒在煤岩通道中的运动学和动力学分析,建立了煤储层中煤粉随流体运移的数学模型,并依据现场调研资料研究煤粉粒径、通道孔径等因素对煤粉运移的影响。实例分析结果表明,煤储层中煤粉颗粒运移的临界流速表征了煤层气井开始产出煤粉的特征值,当流体流速达到临界流速时煤粉即发生运移。随煤粉颗粒和通道(喉道)半径不断减小,煤粉运移临界流速逐渐降低,颗粒更容易运移,将加重煤层气井的煤粉产出量。骨架煤粉颗粒的增大和相邻颗粒质心连线与通道方向间夹角的减小使得通道孔壁变得更加粗糙,煤粉运移临界流速逐渐提升,这会减轻煤层气井的出煤粉问题。该研究首次系统而定量的分析了煤储层中煤粉运移规律,为控制煤层气井出煤粉量和采取合理的排采作业方法提供了重要依据。

团聚型压裂液对煤粉运移的影响及作用机理

排采过程中,煤粉随着运载流体在支撑裂缝中运移,容易导致裂隙堵塞,造成煤储层渗透率和支撑裂缝导流能力的降低,为探究团聚型压裂液性质对煤粉运移产生的影响及作用机理,选取准南煤田乌鲁木齐河东矿区煤样为研究对象,以蒸馏水、活性水压裂液(1.5%KCl)、团聚型压裂液(1.5%KCl+0.05%AN)为运载流体,通过单相流驱替状态下煤粉产出物理模拟实验,获取驱替流速为100、200、300 mL/min时的煤粉产出量和支撑裂缝导流能力伤害率,结果表明:气体驱替流速为100 mL/min时3种运载流体煤粉累计产出量均呈现线性增长趋势,支撑裂缝的导流能力伤害率变化范围较小(0.6%~8.1%);气体驱替流速为200 mL/min时,随着支撑裂缝中煤粉沉积,运移通道缩小,各运载流体出粉量先达到最大值随后减少,团聚型压裂液裂缝导流能力伤害率较小,其导流能力伤害率累计值分别与蒸馏水和活性水压裂液导流能力伤害率相差分别达到24.4%和3.1%;气体驱替流速为300 mL/min时:煤粉出粉量达到最大值的时间提前,运载流体为团聚型压裂液支撑裂缝导流能力伤害率最小,其导流能力伤害率累计值与蒸馏水和活性水压裂液导流能力伤害率相差分别达到64.8%和14.9%。因此驱替流速较低时,煤粉产出量较少且导流能力伤害率较低。结合静置沉降实验和直剪实验,揭示了团聚型压裂液对煤粉运移的作用机理:煤粉运移过程中团聚型压裂液能够通过表面活性剂的亲水基和亲油基改变溶液与煤粉界面状态,增强煤粉润湿性,使煤粉颗粒在运移过程中聚集沉降;通过增加其液桥力使黏聚力增大,抑制沉降的煤粉发生相对移动,从而减少悬浮煤粉颗粒的数量,有效降低煤粉产出量和支撑裂缝导流能力伤害率,进而减少卡钻、修井的发生概率,实现对煤粉的有效防控。

排采制度对煤粉运移的影响原因浅析——以某区块B1煤层气井为例

本文结合某煤层气区块内B1井的实际排采资料,应用煤储层岩石学和渗流力学理论,分析了排采制度对煤粉运移的影响,认为影响原因包括储层粘土矿物的含量、流体渗流速度、孔隙结构变形和割理闭合、气水两相流等;并建议在煤层气井的排采过程中,应做到缓慢、稳定、连续,延缓气水两相流的出现时间,尽量在临界解析压力之上扩大解析半径,避免因渗流速度过快而导致煤粉运移、孔隙结构变形和割理闭合,最终实现煤层气的大面积解析和产出。

煤储层排采液流携粉运移模型与产出规律

基于液固两相流理论建立煤层液流渗流数学模型,并给出描述煤岩产气通道流动状态的偏微分方程和煤层液流携粉运移特征的数学模型,依据数值求解结果分析产气通道中的液流压力和流速以及煤粉随液流运移的浓度分布情况。结果表明,煤储层近井区域液流高流速状态使得通道液流中的含煤粉量达到最高值,排采初期较大的排液量和压差波动使得其煤粉产出较多,而稳产阶段的产液量减小且煤储层与井底间的生产压差降低使得通道中煤粉浓度较低,生产压差由2.05 MPa提高到3.05 MPa后,产气通道各节点最大含煤粉量由0.112%迅速升至0.608%;且稳产阶段煤层泄流体产气通道孔径的增大,会进一步降低通道中煤粉浓度,产气通道高度由0.30 mm扩大到0.90 mm,产气通道各节点最大含煤粉量则由0.759%降至0.160%。该算法提出煤储层泄流体煤岩产气通道管流的概念并定量描述排采液流携煤粉运移的特征,为准确预测煤层气井排采中的煤粉产出情况和制定合理的防煤粉措施提供了依据。

支撑裂缝煤粉动态运移沉积可视化模拟试验研究

针对支撑裂缝中煤粉动态运移沉积过程及沉积堵塞后煤粉分布特征不明的问题,应用自主研制的煤粉动态运移沉积可视化模拟装置开展煤粉动态运移沉积模拟试验。基于试验特征图像抽提和图像像素点灰度等级识别,建立关于可视化裂缝平板长度和高度的灰度矩阵并对特征图像进行二值化处理;在二值化处理图像上划分网格,用每个网格中灰度等级为0的像素点数量(煤粉量)与网格中总像素点的比值R来表征煤粉沉积对支撑裂缝流动通道的影响。对比分析了不同排量、不同排驱时间煤粉在支撑裂缝不同位置处的运移、沉积、堵塞特征。试验结果表明:煤粉运移沉积主要在堆积孔隙相互连通形成的流动通道中进行,由于受重力影响,较多的煤粉沉积在支撑裂缝下缘;煤粉运移进入支撑裂缝后,将经历孔隙表面吸附、架桥堵塞孔隙吼道、滤饼堵塞流动通道3个阶段;煤粉从聚集区往裂缝出口方向运移并沿运移路径不断沉积,若不堵塞流动通道则会达到运移沉积平衡状态;煤粉沉积未造成流动通道堵塞时主要呈现出“指状沉积特征”,造成流动通道堵塞时主要呈现出“块状沉积特征”;随试验排量的增加“指状沉积特征”向“块状沉积特征”蜕化;当煤粉浓度一定且有外来煤粉持续补充时,随着排量的增加煤粉造成流动通道堵塞的几率增加且堵塞的时间提前;在排液量较大的排采初期,需要适当的控制排量减小煤粉沉积堵塞对流动通道的伤害。

煤粉产出运移及防治规律研究进展

综述了煤质特征、现场施工及排采过程对煤粉产出的影响以及煤粉在裂缝、井筒内的运移规律,并按照煤粉的生成、进入地层、在地层中运移、进入井筒、在井筒中运移的步骤思路,总结了各个步骤中现在广泛应用或处于构想阶段的煤粉运移防治措施。提出了建立大型可视化多裂缝装置,从宏观整体以及微观局部观察煤粉在其中的运移规律,并增加稳定的加环压装置,量化每次实验的夹持压力等研究方向。以期能对煤粉运移规律进行更为深入的研究,解决煤层气开采过程中的重大问题。

煤层气储层气-液-固多相渗流规律研究

揭示储层非饱和流阶段煤粉运移产出规律,对煤层气高效排采具有重要现实意义。基于气-液-固三相流模拟装置,通过设定不同煤粉粒径、注入流速、裂缝宽度和煤粉质量分数等条件,开展了煤层气储层非饱和流阶段煤粉产出运移特征试验,并分析了煤粉沉淀量、产出量及煤岩气相与液相渗透率变化特征。研究表明:随着裂缝宽度增加,煤粉产出量呈现出逐渐增大的趋势,沉淀量呈现出先增大后减小的变化特征,在裂缝宽度为0.1 mm时达到最大值;随着煤粉质量分数的增大,产出量表现为先增大后减小(峰值点在0.15‰附近),沉淀量逐渐增大,说明煤粉在储层中运移存在一定的单位体积含量极值,超过极值后,煤粉将大量沉淀并堵塞孔裂隙;合理控制煤层气产水产气速率,能够有效地控制煤粉的产出,煤粉沉淀量和产出量随着注入流速的增长均呈现出先增大后减小的趋势,注入流速为5.0 mL/min时的煤粉沉积量最大,在流速为7.5 mL/min时煤粉产出量相对较高;液相渗透率演化特征呈现出逐渐降低和先稳定后逐渐降低2种变化趋势,气相渗透率演化特征较为复杂;综合注入压力、煤岩渗透率变化、煤粉产出和沉淀特征,可将煤粉在裂缝中运移划分为缓慢沉积、快速沉积和完全堵塞3个阶段。

基于煤层气高效开发的煤粉凝聚–沉降机制研究进展

大量低产低效井严重阻碍我国煤层气产业发展,其中,煤粉沉降导致的裂缝堵塞、管柱结块是气井稳产时间短、产气量降低甚至不产气的重要因素。系统梳理国内外煤层气井产出煤粉物质组成、生成机理、悬浮运移和产出控制等研究最新进展,总结煤粉凝聚–沉降及分散行为控制机理及关键问题,提出研究展望。煤粉问题伴随煤层气勘探开发全过程,涉及地质选区评价、工程压裂施工和排采管理控制的各个方面。煤粉包括因煤体结构破坏生成的原生煤粉和工程施工形成的次生煤粉,在气井产出中以有机碎屑和黏土矿物组成的混合物为主,部分样品黏土矿物含量高。煤粉悬浮运移受控于储层条件下煤岩结构和表面性质、nm~μm级煤粉颗粒的相互作用、有机质和黏土矿物的作用、通道内的气水流动等因素。煤粉能够适度稳定产出是排采管控的关键,涉及地层水环境对煤粉表面润湿性、表面电性和空间位阻效应的影响及作用机制,以及分散剂离子加入对煤层气的解吸和渗流能力影响等。围绕煤粉“黏附–润湿–凝聚–沉降全过程开展实验模拟”和“煤粉分散稳定性优化及流动实验”研究,以及煤粉理化性质精细表征、凝聚沉降机理分析和分散行为界定,提出适合煤粉稳定运移控制的流速,形成保持煤粉悬浮产出的基础性依据,为保障煤层气–水–煤粉稳定高效产出提供理论和技术支撑。

煤层气开发适度携煤粉理论

在煤层气开采中,一般采用减少煤粉产出、阻止煤粉运移的方式来减轻煤粉对储层的伤害。但是如果储层中流体携带煤粉过多,大量煤粉停留在井筒周围则会堵塞渗流通道,严重影响煤层气的产出。因此,通过控制生产压差,使煤层骨架上的煤粉不被排出,而返排出储层渗流通道中已有的自由煤粉,即达到适度携煤粉的效果,就可以大大的改善储层的渗透率,从而提高煤层气井产量。

煤层气井有杆排采泵筒煤粉流动特征

煤层气井煤粉颗粒在有杆排采泵筒内固液两相流中的流动特征是埋泵、卡泵和凡尔漏现象的重要因素。基于泵筒中液体携煤粉的运动学和动力学分析,建立了泵筒中液体流动和煤粉运移的计算模型,并依据仿真分析得到不同排液量和煤粉粒径时,煤粉在泵筒内的运移特征。结果表明,泵筒中的煤粉运移与液体流动特征相近,煤粉运移速度正负的分界点随排液量的增大而逐渐扩大,煤粉排出量也随之不断提升。泵筒中液体携煤粉在泵筒入口附近发生湍流,并在固定阀阀孔两侧由于涡流而发生煤粉沉淀,而在泵筒内部固液两相流动则变为层流运动。两相流进泵速度较低或煤粉粒径较大时,泵入口附近开始出现煤粉沉淀,煤粉运移速度损失较小。该研究首次系统分析煤层气井泵筒内煤粉流动特征,为防煤粉有杆泵的设计及其排采作业方法提供了重要依据。

煤厚异常区煤-瓦斯两相流传播特征试验研究

为充分认识地质构造带煤厚异常区煤-瓦斯两相流的传播规律,该试验借助多场耦合大型真三维液压加载煤与瓦斯突出模拟试验系统,研究煤厚异常区瓦斯突出后冲击气流的动力特征以及煤粉的运移规律。试验结果表明:在瓦斯突出前期,煤-瓦斯两相流的传播特征呈现湍流脉动特性,围绕平均值上下波动;在突出阶段,异常区煤体内部瓦斯积攒的膨胀能得到释放,冲击气流通过曳力作用携带煤粉向管道中运移,气流在管道中扰动时间持续6s左右,冲击压力呈现出先增大后减小的趋势。距离突出口越远,冲击气压峰值衰减幅度越明显,出现压力峰值的时间越是滞后。煤-瓦斯两相流在运移过程中只有少部分气流发生扩散,该部分气流冲击气压峰值远小于主巷道冲击气压峰值,携带煤粉能力也较弱;突出发生后,高速气流携带的煤粉以射流状向管道中运移,煤粉的运移速度分为初期加速和后期衰减两个阶段,煤粉的速度越大,在管道中出现分层现象越明显。突出管道中堆积的煤粉整体近似处于正态分布,中部区域堆积大量煤粉,占管道中总煤粉的68.8%,前后区域煤粉分布较少。

移动气泡诱发裂隙内煤粉启动机制与防控措施

基于毛细力学、水动力学、扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论和Johnson-Kendall-Roberts(JKR)接触理论,构建移动气泡诱发裂隙内煤粉启动力学模型,揭示煤粉启动微观力学机制,并基于此提出产气初期阶段煤粉防控技术措施。结果表明:在产气初期阶段,移动气泡施加的毛细力比水动力大几个数量级,是诱发煤粉启动的主导作用力;移动气泡作用下,黏土矿物颗粒较有机质颗粒更易启动,且主要由后退界面携带运移,运移模式以滚动为主;降低生产压差和气水界面张力,提高裂隙面亲水性和煤粉-裂隙面黏附力可有效防控煤粉启动-运移。

多因素影响下煤层气井生产初期合理排水量确定

生产初期排水量合理与否影响煤层气井整个生产过程中的排水采气效果,无因次含气率为0.25时,认为排水初期阶段结束。为确定新投产煤层气井生产初期合理排水量,建立考虑压敏效应、基质收缩和煤粉剥离、堵塞效应对煤储层物性的影响模型,研究生产初期不同排水量对煤储层物性的影响;并编制了新投产煤层气井合理排水量确定软件。研究结果表明:生产初期结束时的煤储层孔隙度和渗透率随着排水量的加大先增大后减小,峰值处对应的排水量确定为合理排水量。利用该软件确定了某煤层气井排采初期的合理排水量,结合数值模拟结果分析在该排水量控制下该煤层气井的排采效果较好,该模型对新投产井生产初期合理排水量的确定提供理论依据。

煤层气井近井压裂裂缝充填特征与堵塞机制

近井部位压裂裂缝内微粒运移与堵塞是煤层气井减产的重要因素之一。客观查明近井压裂裂缝内充填特征规律与堵塞机制对气井解堵理论深化、解堵工艺改进非常关键。基于煤矿掘进工作面开挖观测现象,对沁水盆地南部煤层气直井近井压裂裂缝内充填特征与裂缝堵塞机制进行系统分析。结果表明:煤层气井近井压裂裂缝内充填物由煤粉、支撑剂及完井滤饼组成;完井滤饼对压裂裂缝启裂、延展及支撑剂分布具有关键控制作用,近井裂缝壁面完井滤饼能够减缓压裂液的滤失速率,但在滤饼尖灭位置压裂液滤失速率突然增大时极易脱砂形成脱砂楔体,楔体在流体冲击下压实致密,排采期气液两相流携带煤粉流经脱砂楔体时卡在砂粒间形成裂缝堵塞;基于颗粒堆积模型与黄金过滤原则,针对研究区粒度中值0.045 mm的煤粉,脱砂楔体处注入支撑剂粒径大于0.900 mm可降低裂缝内煤粉堵塞程度。

煤层气-水-固三相流动模型与数值模拟研究

中-高阶煤岩脆性较强,钻完井、增产及生产过程中易产生煤粉。排水采气过程中,煤粉的运移会堵塞地层并造成埋泵、卡泵事故,导致气井产量大幅度下降。为了探索煤粉在储层中的流动机理,本文分析了煤层气生产过程中煤粉的运移过程,将存在状态分为静煤粉与动煤粉,将运移中的物理过程简化为剥蚀产生、流化启动、悬浮运移、沉降堵塞与聚团生长等5个过程,并基于微乳相模型,建立了考虑煤粉运移的气-液-固三相流动数学模型,通过数值模拟方法,分析了控压排采、适度出粉以及快速排采等3种排水策略对生产动态的影响,并结合矿场实例,分析了煤粉运移中各物理过程对煤层气排采的影响。研究结果表明,对于产出煤粉的气井,采用控压连续排采策略最为稳妥;关井可对煤层渗透率带来不可逆的伤害,应尽量缩短修井与关井的时间和次数。本文研究成果可为煤粉运移定量化排采策略研究提供参考。

浅析煤层气井煤粉的运移及控制问题

煤层气井煤粉运移的控制,能够确保煤层气井的产量得以提升,对于合理安排排采作业有着重要的影响。煤层气井煤粉运移及控制问题,要注重对煤岩通道的动力学和运动学的把握,结合煤粉流体运移的情况,把握运移规律,以满足排采作业的实际需要。文章在对相关问题研究过程中,注重对煤粉的运营情况进行把握,借助于煤粉运移力学模型,把握煤粉运移临界速度,从而为煤层气井煤粉的控制问题予以有效把握。