煤储层应力敏感性试验及其评价新方法

煤储层应力敏感性是影响煤层气井产能的关键地质因素,在煤层气井排采过程中如何降低或避免煤储层应力敏感性对渗透性的影响是值得考虑的问题。通过不同应力下煤储层渗透性试验,研究了有效应力作用下煤储层渗透率的变化规律;在对已有应力敏感性评价参数分析的基础上,提出了新的应力敏感性系数S₁与S₂,揭示了有效应力对煤储层渗透性的影响规律。研究结果表明:煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,在煤层气开发中煤储层表现出明显的应力敏感性;试验煤样应力敏感回归系数a为0.099~0.115 MPa-1,平均为0.108 MPa-1,应力敏感性系数S₁为0.383~0.436,平均为0.414,应力敏感性系数S₂为0.572~0.666,平均0.625;应力敏感性系数S₁与S₂具有整体性与唯一性,可以结合应力敏感回归系数a进行煤储层渗透率应力敏感性评价。      

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。      

三轴围压下煤岩吸附膨胀特性与渗透性动态变化

煤层气排采过程中煤储层孔隙度和渗透率的动态变化,是煤层气开发地质研究的热点之一。本文利用晋城无烟煤样,分析了三轴应力条件下煤岩的应力-应变效应,讨论了煤样渗透率的动态变化规律。结果表明,围限压力条件下,煤岩吸附甲烷后其抗压强度明显增大;煤样最大径向吸附应变与孔隙压力的关系,可用朗格缪尔方程形式予以描述;煤岩渗透性与有效应力、煤岩吸附膨胀量均呈负指数关系,说明两者对煤岩渗透性影响的实质相同,即煤岩孔隙、裂隙受到应力作用逐渐减小或闭合。同时,在较低孔隙压力条件下,需考虑克林伯格效应对煤层渗透性的影响。经检验,S-D模型能够较为客观地预测煤岩渗透性动态变化规律。     

高煤阶煤层气藏储层应力敏感性研究

水相存在使煤储层应力敏感性更加复杂,是煤层气开发需要特别关注的问题。通过开展煤储层干样与湿样的应力敏感性实验,分析了煤储层应力敏感性特征。应用数值模拟方法,研究了煤储层应力敏感性对煤层气井产能的影响。研究结果显示,煤储层具有强应力敏感性并且明显不可逆性。有效压力从2 MPa增加到10 MPa,气相渗透率降低90%;初始渗透率越低,应力敏感性越强,有效应力降低以后,煤岩渗透率不能恢复到原始水平。水相存在使得煤层气藏应力敏感性更强,有效压力从2 MPa增大到3 MPa,3块煤岩湿样渗透率分别降低了66.0%、50.4%和58.5%,而干岩芯渗透率降低幅度均低于50%。同时随含水饱和度增高,表现出应力敏感性愈强的趋势。煤储层应力敏感性极大地影响煤层气井产能,储集层原始渗透性越差,应力敏感对产量的影响越大。因此,煤层气生产过程中,特别是煤层气排采初期,地层压力较高,一味地增大生产压差可能不会增加煤层气井产量。     

煤相分析在煤储层评价中的应用

煤储层研究的重要内容是孔裂隙系统发育特征、渗透性及其空间不均一性特征。煤储层的孔裂隙特征决定煤储层的渗透性,而煤储层的孔裂隙特征主要取决于煤岩成分和煤级。对一个特定的煤层气田而言,煤级变化不大或者规律明显。煤岩成分往往成为控制煤储层渗透率分布不均性的主导因素。煤岩成分,包括有机显微组分和矿物质均受控于煤相。可以通过系统的煤相分析认识煤储层中煤岩成分、结构、层序等的空间展布特征,为科学预测煤储层的渗透率莫定基础。煤相分析在注重横向变化的同时,更强调垂向层序分析。     

不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙-裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙-裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜（SEM）图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙-裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙-裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙-裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。      

晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤储层孔隙结构及分形特征

以晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤储层为研究对象,基于高压压汞试验,分析研究了煤储层的孔隙结构及分形特征,运用Washburn方程和海绵模型计算了大孔(100nm)分形维数D_M,对比讨论了孔隙结构参数与分形维数的关系,以及煤岩工业分析、煤化程度及煤岩显微组分对分形维数的影响。研究结果表明:本区孔径分布在6～10 000nm,以"双峰型"为主,墨水瓶状孔发育。孔隙结构以微孔、小孔为主,中孔与大孔次之,其中微孔和小孔对总孔容贡献率最大,吸附孔和渗流孔比表面积贡献率相当,反映本区煤层有利于煤层气的储集、扩散及渗流。本区中变质程度煤储层渗流孔(100nm)具有分形特征,煤岩总孔容越小、总比表面积越大、分形维数D_M越大,即孔隙结构非均质性越强,分形维数D_M可以有效反映孔隙结构特征。分形维数D_M与R_(o,max)、水分、镜质组含量呈正相关,与灰分、惰质组含量呈负相关,本区中煤阶烟煤分形维数受煤岩热演化程度影响明显。     

基于热力学模型的煤孔隙结构分形表征

煤的孔隙结构复杂,难以用传统的欧氏几何理论描述其复杂性,而分形理论可定量表征孔隙结构的复杂程度。通过对渭北煤田韩城矿区10个煤样进行的压汞实验,采用热力学分形模型,获得了煤的渗流孔的分形维数,定量表征了煤的孔隙特征,并探讨了分形维数与渗透率的关系。研究表明:对于同等变质程度的煤来说,煤中吸附孔越多,孔隙分形维数越大;煤孔隙分形维数与渗透性呈负相关关系。由此可见,煤的渗流孔分形维数可作为煤储层渗透性评价的定量指标之一。      

基于图像分割的煤岩割理CT图像各向异性特征

利用工业CT对自然煤岩样进行断层扫描观测。针对煤岩裂隙系统的多尺度、各向异性特征,应用Canny算子图像分割与方向性边缘检测技术,提取煤岩CT图像割理的总体特征、水平方向和垂直方向特征;根据特征图像计算了煤岩样的总体分形维数、孔隙度,各向异性分形维数与孔隙度及其在三维空间中的分布;讨论了分形维数与孔隙度、渗透率之间的关系,并根据煤岩样的分形维数、孔隙度对实际工程岩体的孔隙度和渗透率进行了外推计算。研究表明,煤岩样不同扫描断面的分形维数和孔隙度不同,同一煤样同一断面不同方向的分形维数与孔隙度亦不相同。利用图像分割与边缘检测对工业CT图像进行分析,可以对煤岩的各向异性分形维数与孔隙度在2D与3D空间进行精细描述。      

高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”问题研究

基于山西沁水盆地高煤级煤储层宏观裂隙、显微裂隙的连续观测,孔隙的系统测量,结合应力渗透率、气-水相对渗透率、吸附膨胀等实验成果,分析了高煤级煤储层三级渗流特征,探讨了有效应力和煤基质收缩对高煤级煤储层渗透率的耦合作用,系统揭示了在地面排水降压开发煤层气的过程中,高煤级煤储层初期产气量高,数月后急剧衰减之“瓶颈”现象,找出了造成高煤级煤储层产气缺陷的根本原因。鉴于高煤级煤储层物性的特殊性,指出了高煤级煤储层煤层气开发的技术和措施。     

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

深部煤储层应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响

深部煤储层处于高地应力环境中,其渗透率变化特征与浅部存在较大差异,为研究有效应力对深部煤储层渗透率的差异性影响,以及应力敏感性各向异性特征,以沁水盆地横岭区块15号煤层为研究对象,采样深度1 200~1 700 m,采用覆压孔渗实验,开展平行层理和垂直层理样品在不同有效应力下的渗透率变化规律研究,探究其应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响。结果表明:渗透率随有效应力的增加呈幂指函数降低,平行层理面渗透率总体高于垂直层理面,且在2个方向上渗透率变化规律呈正相关性。选取储层孔裂隙压缩系数、渗透率损害率和渗透率曲率3个参数作为煤储层应力敏感性评价指标,其中,孔裂隙压缩系数随有效应力增加,以5 MPa为界限先后呈现正相关性和负相关性,渗透率损害率和渗透率曲率分别与有效应力呈指数上升和下降的规律。基于应力敏感性参数,推导出煤层气井产能模型,模型显示,不考虑应力敏感性的气井产量高于考虑应力敏感性,揭示了应力敏感性对煤层气产量的影响程度,即在5 MPa生产压差下,气井的产量降低幅度随应力敏感性系数的增大整体呈增高趋势。针对应力敏感性的阶段划分,研究区目标煤层在煤层气排采过程中应采用小–中–大的排采方案来控制生产流量。      

云南恩洪地区煤储层孔裂隙特征及孔渗性分析

研究煤中孔隙和裂隙,对煤层气勘探开发至关重要。云南恩洪地区煤层气资源丰富,具有较好的开发前景。通过多种测试手段对该区煤层气储层的孔隙、裂隙进行了表征,分析了煤储层的孔渗特征,并探讨了煤中显微组分及不同类型的孔隙对储层孔渗性的影响。研究结果表明:恩洪地区煤层厚度大,煤级适中,微小孔发育,吸附能力强,有利于煤层气的吸附;渗流孔隙结构单一,非均质性不高,渗流能力相对较好,显微裂隙以较小微裂隙(D型)为主,定向性和连通性较差,可能造成渗流通道不连续和受阻等问题,导致渗透性变差,对将来煤层气的开发产生不利影响。      

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。     

高瓦斯煤的渗透性试验

煤岩体变形和强度以及流体在多孔隙裂隙煤中的渗流规律,是高瓦斯煤层开采中关注的问题。阐述了高瓦斯煤力学介质属性、微结构模型、渗透特性及其孔裂隙和破碎块度的分形特征;利用电液伺服岩石力学试验系统,以数控瞬态渗透法进行了煤样全应力应变过程的电液伺服试验,研究了全应力应变过程中煤样渗透性的变化特征。试验结果显示:煤样的力学性能与其微结构和微孔隙特征密切相关,渗透率变化与试样内部裂隙发展变化过程密切相关。     

国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

变渗透率条件下煤层气井的产能预测

煤层气储集特征、渗流机理均不同于常规砂岩气藏,导致产能评价难度较大。引入煤层气多组分的基质收缩效应,建立了近井地带紊流效应影响下的二项式产能模型,并进行了实际单井的应用及分析。结果表明:煤储层渗透率受到应力形变和基质收缩效应的双重影响,呈现先下降后上升的特征,且杂质气体含量越高,煤层渗透率恢复程度越弱。实际应用证明采用变渗透率的产能模型可对常规方法无法解释的煤层气井测试数据进行解释,解释结果能用于准确评价煤层气井的产能。      

平顶山煤田煤储层物性特征与煤层气有利区预测

通过对平顶山煤田采集煤样的煤质、煤岩显微组分、煤相、煤岩显微裂隙分析, 低温氮比表面及孔隙结构和压汞孔隙结构测试, 研究了该区的煤层气赋存地质条件、煤层气生气地质条件和煤储层物性特征.并采用基于GIS的多层次模糊数学评价方法计算了该区的煤层气资源量, 预测了煤层气资源分布的有利区.研究结果表明, 该区煤层气总资源量为786.8×108m3, 煤层气资源丰度平均为1.05×108m3/km2, 具有很好的煤层气资源开发潜力.其中, 位于煤田中部的八矿深部预测区和十矿深部预测区周边地区, 煤层累计有效厚度大, 煤层气资源丰度高, 煤层埋深适中, 同时由于该受挤压构造应力影响, 煤储层孔裂隙系统发育、渗透性高, 是该区煤层气勘探、开发的最有利目标区.      

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。     

深部煤层气储层地质研究进展

深部煤层气资源潜力巨大,将是非常规天然气勘探开发的一个新领域。美国和加拿大部分地区已经成功实现了深部煤层气开发的商业化水平,而中国由于受当前开发技术和经济条件的限制,至今尚未形成规模性的开采。基于对近年来有代表性的学术论著的研究分析,从煤岩孔裂隙结构、吸附解吸性质、气体在煤层中的扩散渗流过程、煤储层的可改造特征等4个方面总结了深部煤层气储层物性的理论研究进展。研究指出深部煤储层处在高温、高压和高地应力的复杂地质环境中,煤储层储渗演化、煤层气吸附解吸扩散渗流平衡关系、煤岩应力应变行为等趋于复杂,开展特殊地质条件下的深部煤储层物性演化机理的研究,对我国深部煤层气资源的勘探开发具有重要的理论和现实意义。