正明井田煤层气井排采效果分析

左权县正明井田为高瓦斯矿井,严重制约着煤矿的安全高效开采。通过分析正明井田煤层气地质条件,对比已投运的28口煤层气地面预抽井4种排采方式的生产效果,得出以下结论:正明井田7-10^(#)煤层适合合层排采;15^(#)煤层适合单层排采,而15^(#)煤层直接顶板为砂岩,煤层气赋存能力差,形成逸散,使得15^(#)煤层排采效果不及7-10^(#)煤层;本井田灰岩不适于参与煤层的合层排采。

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。

采空区下伏煤层水力压裂试验研究与应用

采空区下伏煤层气资源储量丰富,长期未能有效开发。水力压裂技术是一种提高煤层气采收率的有效手段,上覆煤层的开采与重新压实会直接影响采空区下伏煤层水力裂缝的扩展行为。通过大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂试验,分析了不同加卸载应力扰动程度下煤体的力学与声发射响应特征,提出了表征煤体损伤程度的损伤变量T,明晰了损伤与水力裂缝起裂与扩展规律之间的关系。结果表明:采空区下伏煤体垂向应力加载阶段引起的损伤显著大于卸载阶段,垂向加载应力不超过11 MPa时,煤体处于弹性阶段,损伤极少;加载至11~15 MPa,处于屈服阶段,损伤大幅增加;加载至15~18 MPa,处于强化阶段,煤体孔裂隙逐渐被压实。损伤变量T可以有效表征煤体内部损伤程度,Tc为煤体未经过加卸应力扰动时的损伤变量。T=Tc时,煤体内部的损伤程度与未经过加卸载应力扰动的煤体损伤程度相当;T> Tc时,煤体呈应力损伤态,T越大,损伤程度越高;T <Tc时,煤体呈应力压实态,T越小,压实程度越高。煤体应力损伤程度与破裂压力呈负相关,高损伤程度使得煤体更容易破裂,井筒近端容易形成主水力裂缝,有利于开展水力压裂。煤体的压实程度与破裂压力呈正相关,高压实程度使得水平应力差对水力裂缝扩展的影响减弱,井筒近端水力裂缝发育,不易形成主水力裂缝,阻碍水力压裂开展。基于研究成果制定了采空区下伏煤层水力压裂施工方案优化原则并在现场应用,优化后的方案水力压裂造缝能力显著提高。

深部煤层气藏低伤害胍胶压裂液评价与应用

针对深部煤层气储层压裂研发的低伤害胍胶压裂液体系开展评价,并进行现场应用研究。结果表明:低伤害胍胶压裂液破胶时间随着温度增加而减小,在40℃条件下,短时间内破胶效果明显;在20℃和30℃条件下,破胶效果不理想;煤岩心渗透率存在温度敏感性,温度敏感性导致岩心伤害率增加,但变化幅度相对较小;对低伤害胍胶压裂液而言,温度从20℃升高至40℃,煤岩心温度敏感性对伤害率的增加速度远低于胍胶压裂液随温度的增加对煤岩的伤害率的降低速度,总体表现为低伤害胍胶压裂液对煤岩心伤害率随温度升高显著降低;对于活性水压裂液而言,温度从20℃升高至40℃,活性水压裂液对煤岩心的伤害率有所增加;在温度为40℃以上时,低伤害胍胶压裂液压后2 h返排液黏度达到5 mPa·s,满足现场施工需要;通过同一口井、同一层位水平井采用低伤害胍胶压裂液和活性水压裂液对比,低伤害胍胶压裂液能实现注入液量更少、加砂规模更大、施工砂比更高、施工压力更为平稳的压裂施工工艺。

煤层气水平井补射孔增产工艺应用研究

为解决煤层气水平井排采时由于生产段孔眼节流效应造成煤粉堵塞的实际问题,以寺河矿区为例,通过力学实验,结合岩石破坏理论判定了煤层气水平井排采产出煤粉的必然性;实验及理论分析表明,该区煤岩黏土矿物及速敏的共同作用,加剧了排采过程中煤粉的产生。通过研究,提出采用补射孔的方法来提高煤层气水平井射孔打开程度、降低表皮系数、实现改变流型及解堵增透。采用油管传输一次管柱多段补射孔工艺施工,取得了显著的增产增透效果,表明该技术对煤层气水平井增产具有显著作用,推广潜力巨大。

煤层气井低产原因分析及增产改进措施研究

山西某区块煤层气资源丰富,但始终存在一些低产井,制约产能的释放。为解决这一难题,分析了该区块的地质构造、地层特征及低产的原因,并结合大量数据深入研究了二次压裂增产效果的影响因素,进而提出了优选地质结构、搭建裂缝扩展数学模型和参考井史三种改造方法,以提高产能。此外,还探讨了冲击波和直井间接压裂技术作为增产改造措施的有效性,为该区块提供了决策参考。

沁水盆地煤层气产业存在的问题及对策

煤矿区煤层气地面开发与利用具备资源利用、安全生产、环境保护等综合性效益。以沁水盆地为研究对象,从多学科综合视角探究了沁水盆地煤层气地质背景、沁水盆地煤层气研究现状以及煤层气开发历史与现状,并对沁水盆地煤层气开发过程中遇到的问题进行深入分析,提出沁水盆地煤层气产业发展对策,为沁水盆地煤层气产业的发展指明方向。

企业国家重点实验室管理机制及优化策略

企业是科技创新的主体,依托企业建设国家重点实验室不仅能够推动国家技术创新体系的建设,对于提高企业的技术创新能力及竞争实力也有着极为重要的意义。发展至今,企业国家重点实验室在科技创新领域发挥了重要作用,但因为发展时间较短,在其管理运行方面依然存在较多问题,还需要不断加强对其管理运行机制建设的关注,使其能够顺利发挥作用。

新形势下能源企业国家重点实验室建设发展的问题及思考

企业国家重点实验室是我国组织开展基础应用研究、凝聚培养创新人才、产出重大原创成果的重要孵化基地之一。为了满足新形势下国家科技创新和发展的需求,从明确研究发展方向这个战略层面提出建议,分析了企业国家重点实验室发展运行中出现的关键问题,并提出有针对性的解决措施。同时,也为进一步夯实企业创新主体地位,助力企业与高校科研院所的深度合作,加快新形势下企业国家重点实验室的升级转型提供了新思路。

山西重点煤矿采动区煤层气地面抽采技术及应用

为了解决现代化高产高效矿井因回采速度大幅度提高而引起的采煤工作面上隅角瓦斯超限问题,突破传统的煤矿井下抽采瓦斯措施存在的在时间、空间上对治理采煤工作面的瓦斯方法单一的局限,依托国家科技重大专项示范工程,模拟研究了山西重点煤矿区晋城、阳泉等矿区采煤工作面回采引起采动区地面井不同距离时煤岩层裂隙在超前支承压力转移、采动覆岩反复扰动、采动覆岩基本稳定3个阶段的形成机理,据此确定并验证了采动区卸压瓦斯的运移通道及富集区。研究结果表明:山西重点煤矿区采动区地面直井井位应布置在回采工作面回风巷侧地表沉降拐点连线和采场中线之间为重点研究区域;采动区L型水平井层位应优先布置在裂隙带中部且厚度及强度均较大的岩层中。由采动区地面井变形破坏模拟发现,岩层移动的剪切滑移位移量、离层拉伸位移量是对地面井井身结构产生影响的关键参量。因此,采用增大采动区地面直井的井径、改进固井技术提高地面井的有效通径以增强其抗拉剪能力。通过生产实践研发了采动区地面直井应穿越煤层并将生产套管(筛管)布置在采动裂隙带上边缘至冒落带的最优“三开”井身结构。在岳城矿、塔山矿、新景矿等矿区进行了100多口的采掘扰动区地面“仅钻井、不压裂”的钻井与抽采工程示范,大部分井取得了较好的瓦斯抽采效果,单井平均总产气量约200万m3,最高达3000万m3以上。采动区地面井同时对采煤工作面上隅角瓦斯治理也起到了非常重要的作用,工作面上隅角瓦斯体积分数降幅平均达50%左右,在煤层气抽采及工作面涌出瓦斯治理两方面效果显著,具有良好的推广应用价值。

废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分——以屯兰煤矿12501工作面为例

废弃矿井扰动空间精确划分是遗留煤层气资源评价和开发利用的重要基础,以山西西山矿区屯兰煤矿2号煤12501工作面为例,采用应力场数值模拟、裂隙场数值模拟和物理相似模拟的方法,综合研究了采动过程中及采空区稳定后的应力场、裂隙场的分布规律。研究结果显示:物理相似模拟与数值模拟吻合度高,综合以上3种方法,最终将12501废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分为底板裂隙区、重新压实区、导气裂隙区和承压区。底板裂隙区位于煤层中工作面的正下方,整体采动裂隙发育区域呈现出靠近开采煤层为底面的倒梯形台,裂隙场数值模拟结果显示其垂向深度为22.3 m,其深度为开采煤厚的5.58倍。承压区位于工作面四周的未开采煤储层,在工作面倾向的边界起分别向外延伸70 m,在工作面走向的边界起分别向外延伸100 m的位置上,数值模拟结果显示承压区煤储层垂向应力峰值为远大于煤层原始状态的应力数值,但小于垂层煤样的平均抗压强度。导气裂隙区主体位于开采煤层工作面边缘区域,底部为高度约为13.2 m的岩层垮落带,紧邻垮落带上部为高约33.6 m的岩层断裂带,断裂带内竖向裂缝不断扩展贯通离层裂缝。导气裂隙区整体形状为梯形台,其高度为开采煤厚的11.7倍。重新压实区主体分布于开采工作面采空区的中间部分,倾向宽度为110 m,走向长度为1 268 m。此区域主要为弯曲垮落的覆岩构成,整体形状为梯形台,位于导气裂隙区内部。导气裂隙区为遗留煤层气资源的开发有利区。

水分对煤层气吸附/解吸微观作用研究进展

水分是制约煤层气吸附/解吸的关键因素之一,受煤储层多元孔隙结构和煤岩组分润湿性差异影响,煤-水-甲烷界面作用导致煤层气产出过程中CH4与H2O相互激励、相互制约。立足于水分对煤层气吸附/解吸作用的研究进展与前沿认识,从煤储层水分赋存状态、煤-水界面微观作用和水分对甲烷吸附/解吸影响3个方面重点分析了水分与煤层气吸附/解吸微观效应之间的内在关系。研究认为煤储层孔隙结构及水分赋存状态复杂。以煤-水界面作用及孔隙结构特征为依据将煤储层水划分为结合水、束缚水和自由水3种主要类型,不同类型水分对甲烷吸附的抑制作用机制存在差异、且对低阶煤的影响程度严重。水分相态变化成为影响甲烷解吸-运移的核心,水蒸汽分子通过竞争吸附置换吸附态甲烷,液态水在润湿性和毛细管力作用下水锁堵孔、抑制气-水运移。在地面煤层气钻采过程中水分的作用机理随储层温度-压力环境动态变化而变化。针对水分对甲烷解吸作用机理不清、影响界限不明的现状,由此提出了量化储层水分含量及分布特征,增强甲烷解吸与气-水运移,完善甲烷吸附/解吸理论与模型,强化水分激励、促进煤层气增产4方面的科学问题及发展方向,进一步深化煤-水界面微观作用在煤层气解吸运移过程中的机理,促进煤层气持续稳定高效开发。

基于煤层气井排采数据的储层含气量动态反演研究

煤储层含气量是煤层气开发的核心参数,但实测煤储层含气量与煤储层的真实含气量之间往往存在误差。基于窑街矿区海石湾井田煤层气井不同时段的产气量,以煤储层含气量"定体积"降低为基础,反演煤储层实时含气量,研究煤层气井排采过程煤储层实时含气量的变化规律。结果表明:煤储层含气量随排采时间呈线性下降趋势,不同步长煤层气井产气量与煤储层含气量降低幅度一致,遵循"定体积"产气特征,即煤层气单井产气量是煤基质"定体积"产出;煤层气井的产气量与含气量降低速率有关,而与煤储层原始含气量无关。煤储层为隔水层,水力压裂难以改变煤基微孔隙通道的结合水状态,CH_(4)产出过程受水–煤界面作用控制,煤层气产出是"CH_(4)·煤·水"三相界面传质作用的结果,水–煤界面作用中水的湍动提供并传递能量,激励块煤中CH_(4)解吸与产出。

晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

废弃矿井煤层气资源丰富,抽采废弃矿井煤层气,已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际,系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展,分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题,提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容。研究结果表明,煤炭开采形成的冒落-断裂带,为采空区煤层气赋存提供了储集空间。废弃矿井采空区煤层气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,基于体积法对废弃矿井采空区吸附气和游离气资源分别进行计算和评价。为有效解决采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性及抽采效果的影响,将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构,优先采用压缩空气潜孔锤钻井技术,用氮气取代空气作为循环介质安全揭露含气断裂带的井工艺技术;根据晋城矿区废弃矿井采空区煤层气井抽采过程中压力和日产气量的变化特征,将采空区煤层气井抽采划分为自由放喷、气量快速下降、稳压产气和定量产气4个阶段,并提出了适用于废弃矿井采空区煤层气抽采的"四段制"抽采控制方法;最后,指出了目前面临"废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理和废弃矿井煤层气抽采条件评价及抽采参数优化方法"2个关键科学问题和"废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理、废弃矿井煤层气资源评价模型与方法和废弃矿井采空区煤层气抽采技术"等研究内容。

晋城寺河井区煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术研究

随着煤层气勘探的不断深入,煤矿采空区煤层气已成为煤矿区煤层气重要资源之一。基于晋城矿区寺河井区煤矿采空区分布特征,通过地质分析、采空区煤层气成分、浓度试验和资源量模型计算等方法系统研究了煤矿采空区煤层气资源条件及地面抽采关键技术,揭示了采空区煤层气赋存规律,给出了不同赋存状态下煤层气资源量计算模型和方法,探索了煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术。研究表明,煤矿采空区煤层气来源于煤柱及残留煤层、邻近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。根据吸附气和游离气资源量计算模型计算寺河井区煤层气总资源为213.016×10^(8)m^(3),其中游离气资源为0.102×10^(8)m^(3),吸附气资源为212.914×10^(8)m^(3)。采煤方法和采空区密闭性对采空区煤层气的来源和富集程度有重要影响。针对采空区上部岩体裂隙发育特征,将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构,实现了二开固井封闭断裂带上部含水层,三开下入割缝套管护壁,有效解决了采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性影响及抽采效果等问题。在此基础上,研发了潜孔锤+压缩空气(氮气)钻井工艺,用氮气取代空气作为循环介质,形成了安全揭露含气断裂带钻井工艺技术,为采空区煤层气安全抽采探索了有效途径。

煤层气井固井水泥冲击断裂特征与破坏模式

射孔冲击下固井水泥断裂行为与破坏失效模式是煤层气井井筒固井水泥环整体防护亟待解决的关键问题。以聚乙烯醇纤维固井水泥为对象,本研究利用霍普金森压杆装置对水泥试样进行高应变率加载,获取材料在4级应变率下裂缝扩展及破坏模式信息。研究表明:冲击荷载下纤维固井水泥断裂失效过程包括受压变形、裂缝起裂、裂缝扩展、裂缝贯通4阶段。纤维水泥的断裂速率范围在137.93~513.37 m·s-1间,存在应变率提升纤维水泥断裂速率增大的规律;纤维水泥冲击破坏形式包括张性劈裂、剪切破坏及混合破坏3类;随应变率增大,冲击下纤维水泥由剪切向混合式、劈裂式破坏过渡,材料粒度变细、破坏程度加剧,破坏机制由塑性破坏过渡为半脆性破坏。

海石湾矿区煤层气富集高产主控地质因素

甘肃省煤层气产业起步相对较晚,开展重点矿区煤层气富集和高产等主控基础地质理论研究对于推动甘肃煤层气产业发展意义重大。为此,以民和盆地海石湾矿区为研究对象,基于矿井地质、煤层气参数井资料,采用数理统计、地质类比、测试化验等方法,分析了海石湾矿区的煤层气地质赋存特征、资源条件及富集高产主控地质因素。研究表明:该区主要发育五层煤层(煤三、煤二、煤B3、煤B2、煤B1)和一层油页岩(油A层),其中煤二层全区发育,分布稳定且厚度大,为0~59.28m,平均19.61m;埋藏深度适中,为506.72~1013.14m,平均685m;含气性条件好,含气量较高,平均7.89m^(3)/t,甲烷平均占比达到37.29%;资源量大,资源丰度高,达到2.24×108m^(3)/km^(2);顶底板均为低透气性泥岩或细粒砂岩,封闭性好,且区内断层不发育(7.59条/km^(2)),规模较小(落差一般小于5m,不切穿煤层和顶底板),而由于井田东部边界靠近F19断裂,促进了CO_(2)向煤层中运移扩散,使得断裂作用形成的厚煤区CO_(2)含量更高;为煤层气的赋存和富集创造条件。通过对典型的高、中、低产井生产数据分析,富集高产区域煤二层处于高储层压力和高温环境,储层压力梯度达到0.01MPa/m以上,地温最高可达48.9℃,同时具有较高的孔裂隙系统(孔隙度达到9.63%)、渗透性(渗透率0.692×10^(-3)~3.248×10^(-3)mD),含气饱和度在70%以上,为煤层气高产提供有利的地质和物性条件。

煤层水中甲醛含量的快速检测方法研究

研究了采用乙酰丙酮分光光度法测定煤层水中甲醛的方法,并对检出限、精密度和准确度进行了方法验证。结果表明:甲醛检出限为0.01298 mg/L;对3种浓度的甲醛标准使用溶液样品进行测试,相对标准偏差分别为1.54%、0.3773%、0.1687%;样品加标回收率在101.01%~103.33%;以上各项指标均满足HJ 601—2011方法要求,说明采用分光光度法可以快速准确测定煤层水中甲醛的含量。

碎软低渗煤层水平井水力喷砂射孔工艺优化

针对碎软低渗煤层水平井煤粉产出危害,提出采用水力喷砂射孔压裂来实现“射孔-增透-控粉”为一体的压裂改造理念,具体工艺包含水力喷砂射孔、高压射流、环空压裂以及水力补射孔清洗。通过成本及工艺对比,选择油管拖动水力喷砂射孔方式进行压裂,并对工艺和关键工具进行优化。首先,优化防反冲蚀破坏一体化硬质合金圆锥收敛型喷嘴,能实现排量2.0~2.5 m3/min时,射流压力为16.5~25.8 MPa。其次,优化喷射器本体,能有效射穿套管、水泥塞,并射入岩石一定深度。配套一体化管柱顺利完成了煤层气U型水平井压裂和补射孔施工各8段,每段射孔时间15 min以上,并充分顶替返排煤粉,投产3年后产气量仍达到3500 m3/d以上,表明优化工艺达到了碎软低渗煤层改造效果。与连续油管分段压裂技术相比,油管拖动水力喷射压裂单段压裂作业成本降低了28.5%。

煤层气直井压裂效果及其对产能影响——以窑街矿区为例

煤层气藏作为典型缝控气藏,压裂造缝规模及裂缝充填效果对气井产能具有决定性控制。为探究煤层气直井水力压裂效果对气井产能效果的影响机制,以甘肃窑街海石湾矿区为例,重点报道直井开发形式下煤储层压裂改造效果及其对产能制约方面认识,结果表明:①煤层气井破裂压力主要反馈井筒固井水泥环特征而非煤储层力学性能,从该井压裂曲线看破裂压力不明显,表明井筒环空固井水泥环厚度适中,水力压裂期间固井水泥环破裂相对容易,能量消耗低,注入压裂液能量主要用于撑开煤岩裂缝;②从压裂曲线看出,该井压裂裂缝延伸压力较高,表明地下煤储层结构较为破碎且发育煤粉源集合体,煤粉对压裂裂缝的延展具有关键制约作用。而且在压裂曲线裂缝延展阶段出现多个波动形态特征,指示多条次级裂缝撑开,整体上该井压裂裂缝形态较为复杂,推测为主干压裂裂缝两侧发育枝状次级裂缝形式;③该井注砂后发生严重砂堵,主要原因是煤储层压裂液滤失造成近井地带压裂裂缝内支撑剂脱砂形成楔体,导致后续支撑剂注入困难,同时也与煤储层原生裂缝煤粉源及少量构造煤粉源集合体发育有关;④压裂微震监测数据显示该井煤储层主干压裂裂缝走向为NE 50°,其中在北东方向上煤岩微震事件更活跃,指示该方向上煤储层天然裂隙系统更发育;结合煤储层压裂裂缝矿井观测结果,提出压裂裂缝有效支撑区、实际破裂区及岩体扰动区的划分方案,认为微震监测得出的压裂裂缝半长实际为岩体扰动范围,难以准确反映储层实际改造效果。综合该井后期产能规律及晋城矿区煤储层压裂裂缝矿井观测结果,认为该井煤储层实际压裂裂缝半长在20 m以内,有效支撑压裂裂缝半长不足5 m,压裂液注入液量少、压裂液滤失诱导支撑剂脱砂形成楔体以及煤粉聚集造成砂堵等是该井煤储层压裂裂缝较短的主要因素;⑤结合煤层气产能规律,认为该井气藏管控和排采制度较为合理,但煤储层有效支撑压裂裂缝过短,煤储层内煤粉运移导致近井压裂裂缝导流能力快速衰减是气井产能低下的关键制约机制,建议后期煤储层水力压裂加大压裂液注入液量,适当增大压裂液排量,降低支撑剂砂比,重点防控压裂液滤失、防止脱砂楔体形成。该区煤储层埋深大、应力高,实现裂缝大范围加砂是煤储层压裂改造的关键。同时考虑储层干燥,压裂液滤失严重的实际情况,有条件可开展CO_(2)前置压裂试验。